Na química, os gases ideais são aqueles que obedecem naturalmente à teoria da octeto, sempre com 8 elétrons na camada de valência. Esses materiais não agem ou reagem muito pouco com outras substâncias. Nesse sentido, a lei dos gases ideais trata sobre o comportamento físico-químico deles no espaço.
Afinal, apesar de não participarem de reações químicas, os gases ideais podem ser descomprimidos ou comprimidos, esquentados ou resfriados, expandidos ou reduzidos em volume. E, justamente para isso, foi criada uma fórmula que resume essas possibilidades. Leia mais e conheça melhor o assunto!
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O que é a lei dos gases ideais?
A Lei dos gases ideais é o nome genérico que engloba um conjunto de formulações químicas e físicas a respeito dos gases ideais. Em todas elas, são observadas pelo uma das variáveis entre pressão, temperatura e volume do gás durante a transformação física.
É necessário ressaltar que o estudo dos gases ideias, nesse ponto de vista, não abrange alterações moleculares ou químicas: o número de mols, átomos, partículas, a quantidade de massa e os elementos presentes no sistema serão exatamente os mesmos, antes e depois do processo.
Então, o que realmente sofre mudanças é a agitação das moléculas, o quanto elas estão próximas umas às outras e o espaço que elas podem ocupar no sistema em questão. As transformações gasosas podem acontecer em diferentes contexto: sob a mesma temperatura o tempo todo (isotérmica), sob a mesma pressão (isobárica) ou com um volume fixo (isovolumétrica). Vamos estudar cada uma.
Lei de Boyle
Estudada e desenvolvida pelo físico-químico Robert Boyle (1627-1691), a Lei de Boyle traz informações a respeito de uma transformação gasosa ideal, em condições de isotermia — com a mesma temperatura do início ao fim do processo.
Ao observar esse tipo de processo físico-químico, notou-se que a multiplicação entre pressão e volume é sempre uma constante para os gases ideais. Com isso, a pressão (p) e o volume (V) são duas grandezas inversamente proporcionais.
p = k/V
p = pressão em N/m2
V = volume em m3
k = constante da transformação
Também é possível descrever essa lei dos gases ideais assim: p.V = k.
Lei de Gay-Lussac
O químico francês Joseph Gay-Lussac (1778-1850), notou que também existe um padrão matemático para as transformações gasosas isovolumétricas ou isométricas, quando o volume do gás não é alterado em nenhum momento do processo.
Nesse caso, a pressão exercida pelo material gasoso será diretamente proporcional à temperatura (T) dele. De forma que a divisão entre p e T será sempre uma constante k.
p/T = k
Lei de Charles
Com o objetivo de entender, agora, as transformações do tipo isobáricas, o físico francês Jacques Charles (1746-1823) estudou esses processos. Ele notou que quando a pressão do sistema mantém-se igual, o volume e a temperatura são diretamente proporcionais entre si.
Semelhantemente ao que vimos no tópico anterior, a divisão entre volume e temperatura resulta em uma constante única para aquele gás.
V/T = k
Equação de Clapeyron
A mais famosa das leis dos gases ideais, a equação de Clapeyron sintetiza o conhecimento postulado por Boyle, Gay-Lussac, Charles e outros físicos para formar uma única fórmula química, com todas as grandezas quantificadas.
Nesse caso, o físico e químico Benoit Clapeyron (1799-1864) uniu as grandezas importantes para a transformação de gases ideais com o conhecimento da química. Para isso, foi utilizada uma constante que relaciona quantidade de energia, temperatura e número de mols da substância, que é chamada de Constante Universal dos gases perfeitos é representada por R = 8,31 J/mol.K.
Embora o número de mol do gás ideal não se altere durante as transformações físicas, Clapeyron notou que essa informação seria importante para se relacionar com R. Foi assim que se estabeleceu a famosa Equação de Clapeyron:
p.V = n.R.T
p = pressão, em geral, medida dem N/m2 ou atm
V = volume, em geral, medido em L ou m3
n = número de mols
R = constante universal dos gases perfeitos
T = temperatura, em geral, aparece em K ou ºC
Equação geral dos gases perfeitos
Depois de tantos estudos a respeito dos gases perfeitos, transformações isométricas, isobáricas e isotérmicas, era necessário entender como seria o comportamento nos casos em que todas as grandezas importantes fossem alteradas. Ou seja, se houver alteração em temperatura, pressão e volume ao mesmo tempo, quais serão os novos valores encontrados?
Com base nisso, foram estabelecidos dois momentos no processo físico: o estado inicial (1) e a configuração final (2). De forma que:
p1.V1/T1 = p2.V2/T2
Essa fórmula, por ser uma síntese geral das três primeiras estudadas neste artigo, também sintetiza o comportamento quando uma das grandezas fica constante. Afinal, se T1 = T2, esse valor pode ser “cortado” do cálculo sem prejuízos matemáticos — o mesmo acontece para pressão e volume.
Questões sobre lei dos gases ideais
(UEA – 2014) Em um cilindro de aço de 20 L de capacidade encontra-se armazenado 5 mol de gás oxigênio medicinal a 300 K. Dado P ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T (R = 0,08 atm ⋅ L ⋅ K–1 ⋅ mol–1), a pressão que o gás oxigênio exerce neste cilindro é
a) 5 atm.
b) 2 atm.
c) 3 atm.
d) 4 atm.
e) 6 atm.
Vamos aplicar a fórmula, que inclusive foi descrita no enunciado. Veja que a constante universal dos gases perfeitos (R), foi referida em outras unidades, por isso seu valor é diferente daquele proposto no início do artigo.
Nesse caso, basta utilizar os valores fornecidos pela questão e aplicar a fórmula:
P = ?
V = 20 L
n = 5 mol
R = 0,08 atm ⋅ L ⋅ K–1 ⋅ mol–1
T = 300 K
???? ∙ ???? = n ∙ R ∙ T
???? ∙ 20 ???? = 5 mol ∙ 0,08 ∙ 300 K
???? = 6 ????????????
De forma que a alternativa correta é a letra E.
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