O gás possui uma alta reatividade em relação aos corpos líquidos e sólidos devido à grande área de sua superfície ativa e à alta energia cinética das partículas que formam o sistema. Neste caso, a atividade química do gás, sua pressão e alguns outros parâmetros dependem da concentração de moléculas. Vamos considerar neste artigo qual é esse valor e como ele pode ser calculado.
De que gás estamos falando?
Este artigo irá considerar os chamados gases ideais. Eles negligenciam o tamanho das partículas e a interação entre elas. O único processo que ocorre em gases ideais são as colisões elásticas entre as partículas e as paredes dos vasos. O resultado dessas colisões é uma pressão absoluta.
Qualquer gás real se aproxima do ideal em suas propriedades se sua pressão ou densidade for reduzida e sua temperatura absoluta for aumentada. No entanto, existem produtos químicos que, mesmo em baixas densidades e altastemperaturas estão longe do gás ideal. Um exemplo notável e bem conhecido de tal substância é o vapor de água. O fato é que suas moléculas (H2O) são altamente polares (o oxigênio puxa a densidade eletrônica dos átomos de hidrogênio). A polaridade leva a uma interação eletrostática significativa entre eles, o que é uma violação grosseira do conceito de um gás ideal.
Lei Universal de Clapeyron-Mendeleev
Para poder calcular a concentração de moléculas de um gás ideal, deve-se conhecer a lei que descreve o estado de qualquer sistema de gás ideal, independentemente de sua composição química. Essa lei leva os nomes do francês Emile Clapeyron e do cientista russo Dmitri Mendeleev. A equação correspondente é:
PV=nRT.
A igualdade diz que o produto da pressão P pelo volume V deve sempre ser diretamente proporcional ao produto da temperatura absoluta T pela quantidade de substância n para um gás ideal. Aqui R é o coeficiente de proporcionalidade, que é chamado de constante universal do gás. Mostra a quantidade de trabalho que 1 mol de gás realiza como resultado da expansão se for aquecido por 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Concentração de moléculas e seu cálculo
De acordo com a definição, a concentração de átomos ou moléculas é entendida como o número de partículas no sistema, que cai por unidade de volume. Matematicamente, você pode escrever:
cN=N/V.
Onde N é o número total de partículas no sistema.
Antes de escrever a fórmula para determinar a concentração de moléculas de gás, vamos relembrar a definição da quantidade de substância n e a expressão que relaciona o valor de R com a constante de Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
Usando essas igualdades, expressamos a razão N/V da equação universal de estado:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Então temos a fórmula para determinar a concentração de partículas em um gás. Como você pode ver, é diretamente proporcional à pressão no sistema e inversamente proporcional à temperatura absoluta.
Como o número de partículas no sistema é grande, a concentração cNé inconveniente de usar ao realizar cálculos práticos. Em vez disso, a concentração molar c é usada com mais frequência. É definido para um gás ideal da seguinte forma:
c=n/V=P/(R T).
Exemplo de problema
É necessário calcular a concentração molar das moléculas de oxigênio no ar em condições normais.
Para resolver este problema, lembre-se que o ar contém 21% de oxigênio. De acordo com a lei de D alton, o oxigênio cria uma pressão parcial de 0,21P0, onde P0=101325 Pa (uma atmosfera). As condições normais também assumem uma temperatura de 0 oC(273,15 K).
Conhecemos todos os parâmetros necessários para calcular a concentração molar de oxigênio no ar. Obtemos:
c(O2)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m3.
Se esta concentração for reduzida para um volume de 1 litro, obtemos o valor 0,009 mol/L.
Para entender quantas moléculas O2 estão contidas em 1 litro de ar, multiplique a concentração calculada pelo número NA. Após completar este procedimento, obtemos um valor enorme: N(O2)=5, 641021molecules.
