Gases

O gás é um dos estados da matéria, caracterizado por sempre tomar a forma e o volume do recipiente em que está inserido. Muitas de suas propriedades são consequência de seu comportamento molecular: as partículas gasosas quase não apresentam interações intermoleculares. Por isso, os gases têm grande energia cinética, baixa densidade, são muito compressíveis e também completamente miscíveis.

Termodinamicamente, o gás é definido por grandezas físicas conhecidas como variáveis de estado: pressão, temperatura, volume e número de mols. Dessas variáveis foram enumeradas leis e princípios, as quais deram origem aos modelos matemáticos dos gases que conhecemos hoje, como a equação geral dos gases e a equação de Clapeyron para gases ideais.

Leia também: Quais são os estados físicos da matéria?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre os gases
• 2 - Videoaula sobre os gases
• 3 - O que são gases?
• 4 - Características dos gases
• 5 - Variáveis de estado de um gás
• 6 - Equação geral dos gases
• 7 - Equação dos gases ideais

Resumo sobre os gases

• O gás é um dos estados da matéria.

• Admite-se que as moléculas de um gás quase não apresentam interação.

• Os gases são completamente miscíveis entre si, além de extremamente compressíveis.

• Difundem-se por completo e sempre tomam a forma e o volume do recipiente em que estão inseridos.

• São menos densos do que sólidos e líquidos.

• As partículas gasosas apresentam grande energia cinética e apenas a gravidade e as paredes de um recipiente podem conter um gás.

• Gases são definidos termodinamicamente pela pressão, temperatura, volume e número de mols, as conhecidas variáveis de estado de um gás.

• Matematicamente, um gás ideal pode ser definido pela equação de Clapeyron.

Videoaula sobre os gases

O que são gases?

Os gases compõem um dos estados de agregação da matéria, com a característica de sempre tomarem a forma e o volume do recipiente que ocupam. Podem se apresentar na natureza na forma pura ou em uma mistura, sendo que toda mistura gasosa é homogênea.

Em geral, apresentam menor densidade que sólidos e líquidos, além de suas partículas possuírem maior energia cinética, já que quase não existem interações intermoleculares nesse estado.

Características dos gases

Diversas são as características e particularidades do estado gasoso. Em um gás, as partículas praticamente não interagem (baixa interação intermolecular), o que gera algumas consequências do ponto de vista de seu comportamento físico.

Por exemplo, por conta dessa baixa interação, o gás é um estado extremamente compressível (tem seu volume reduzido por aplicação de pressão). A depender da compressibilidade, o gás pode, inclusive, se liquefazer.

As partículas constituintes apresentam alta energia cinética (grande velocidade) e podem colidir umas com as outras de forma aleatória e desordenada, gerando a difusão do gás até que ele esteja homogeneamente distribuído por todo o sistema. É por isso que os gases tomam a forma e o volume do recipiente em que estão inseridos.

Só duas coisas conseguem conter um gás: um recipiente e a gravidade. Por conta do grande espaçamento das partículas, os gases também são menos densos que os sólidos e os líquidos. Além disso, a miscibilidade entre gases é total, sempre formando sistemas homogêneos.

Leia também: Difusão e efusão dos gases

Variáveis de estado de um gás

Um gás é definido por quatro grandezas:

• pressão (p);

• volume (V);

• temperatura (T);

• número de partículas (número de mols, n).

Estas são entendidas como as variáveis de estado do gás, que definem termodinamicamente esse estado. Essas grandezas apresentam dependência umas das outras, ou seja, a alteração de uma influencia na alteração da outra.

Contudo, apesar de terem sido enumeradas quatro grandezas, definiu-se experimentalmente que se faz necessário conhecer apenas três dessas variáveis, pois a quarta será fixa. Ou seja, se é conhecido o número de mols de um gás, seu volume e sua temperatura, então a pressão tem um valor fixo.

Equação geral dos gases

Conhecendo as variáveis de estado de um gás, três leis são essenciais para caracterizá-lo quantitativamente:

• Lei de Boyle: estabelece que o produto p.V é igual a uma constante, caso o número de partículas e a temperatura sejam constantes.

• Lei de Charles: estabelece que o volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura, caso o número de partículas e a pressão sejam constantes.

• Princípio de Avogadro: estabelece que o volume de um gás é diretamente proporcional ao seu número de partículas, caso a pressão e a temperatura sejam constantes.

Com base nisso, definiu-se que:

p ∙ V = constante ∙ n ∙ T

Essa constante, inicialmente apenas de aspecto proporcional, demonstrou-se igual para todos os gases experimentalmente e, por isso, foi denominada constante dos gases (R). Em um processo físico, não havendo alteração do número de mols de um gás, as variáveis de estado se relacionam da seguinte forma:

\(n\cdot R=\frac{p\ \cdot\ V}{T}\)

Tal equação é definida como a equação geral do gás e integra as conclusões das três leis apresentadas anteriormente. Como é sabido, os estados do gás são dependentes entre si, por isso, a equação apresenta uma maneira de mostrar essa dependência de forma quantitativa.

Por exemplo, se o gás se apresenta em uma condição 1 e muda para uma condição 2, as variáveis de estado manterão sua dependência, e essa variação poderá ser calculada como:

\(\frac{p_1\cdot\ V_1}{T_1}=\frac{p_2\cdot\ V_2}{T_2}\)

Equação dos gases ideais

A reorganização dessa equação nos leva à equação dos gases ideais, também conhecida como equação de Clapeyron:

p ∙ V = n ∙ R ∙ T

A constante R possui diversos valores possíveis, pois é dependente do sistema de unidades utilizado pelas demais variáveis. Exemplos de valor de R são:

• R = 8,314 J.K^-1.mol^-1

• R = 1,987 cal.K^-1.mol^-1

• R = 0,082 atm.L.mol^-1.K^-1

• R = 62,36 L.mmHg.K^-1.mol^-1

Embora o gás ideal (ou perfeito) não exista na natureza, é possível fazer com que um gás real se comporte como ideal: basta fazer a pressão chegar muito próximo a zero.

Essa diferença se dá porque o modelo do gás ideal não contempla as interações intermoleculares entre as partículas gasosas, que, por menor que sejam, existem. Se as interações entram em jogo, as repulsões eletrônicas também. Conforme a pressão aumenta, a equação de Clapeyron já não é mais adequada para o estudo do gás.

Por Stéfano Araújo Novais
Professor de Química