Difulsão dos gases

Difulsão dos gases

1 - Introdução

Thomas Graham era escocês, nascido em uma família abastada. Sua família desejava que Thomas se tornasse pastor, mas, mesmo assim, permitiu que ele fosse para a universidade. Com 14 anos, Graham foi para a Universidade de Glascow. Tinha como professor Thomas Thomson, o elaborador do modelo atômico que descrevia o átomo como sendo uma esfera composta por uma pasta negativa, com partículas positivas nela encrustadas, conhecido como o modelo do “pudim de passas”. Foi graças a ele que Graham se apaixonou pela Química, deixando um vasto legado na área, com pesquisas em diversas áreas. Porém, uma das maiores contribuições de Thomas Graham foi no estudo dos gases, no qual estudou as propriedades de difusão e efusão dos gases. A partir destes estudos, propôs a lei que leva o seu nome: a Lei de Graham. 1

A difusão é o termo dado à passagem de uma substância através de outra. Nos sólidos, o processo de difusão é muito lento, tão lento que são necessários métodos especiais para detectar e medir a velocidade de difusão; nos líquidos, a difusão ocorre mais rapidamente. Já para os gases, a difusão é muito rápida, e, além disso, é frequentemente auxiliada pelas correntes de convecção no ar, que faz com que seja ainda mais veloz. A efusão é o processo pelo qual um gás passa através de um orifício, e obedece as mesmas propriedades da efusão, no que diz respeito à velocidade dos gases. 2 A Lei de Graham diz que “a velocidade de difusão ou de efusão de um gás através de outro é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade”. Ou seja:

Esta lei pode ser rearranjada em termos da massa molecular do gás. A uma dada pressão e temperatura, a densidade e a massa molecular de um gás ideal são diretamente proporcionais:

Como o número de mols é igual à razão entre a massa da amostra  e a sua massa molecular , por substituição, temos:

Por esta equação, temos:

Se a densidade é proporcional à massa molecular, então, pode-se dizer que a velocidade de difusão e de efusão de um gás é inversamente proporcional à sua massa molecular:

A partir das relações estabelecidas, pode-se afirmar, então, que, quanto maior for a massa molecular do gás, menor é a sua velocidade de difusão e efusão.

Para dois gases A e B submetidos à difusão, a proporcionalidade é inversa:

Esta relação entre dois gases, submetidos à difusão, nas mesmas condições de temperatura e pressão, além de determinar a velocidade de difusão do gás, serve também para determinar sua densidade ou sua massa molecular.

Uma das formas experimentais de se medir a velocidade de difusão de um gás é submeter uma base e um ácido gasoso à difusão dentro de um tubo fechado, onde se possa observar a formação do anel de sal resultante da reação de neutralização. Medindo-se o comprimento desde a rolha que contem o algodão embebido no ácido ou base até o ponto onde o anel começa a se formar, e dividindo-se pelo tempo que o anel leva para se formar, pode-se calcular a velocidade do gás.

Objetivos

Determinar experimentalmente a velocidade de difusão de gases a partir da reação de neutralização entre eles, utilizando como referência o anel de sal formado na reação.

Procedimento experimental

a) Materiais Utilizados

- Suporte universal;

- Tubo de vidro grande;

- Duas rolhas com orifício na parte inferior;

- Algodão;

- Solução concentrada de NH4OH;

- Solução concentrada de HCl;

- Garra para o suporte;

- Relógio;

- Caneta hidrográfica;

- Régua.

b) Procedimento

  1. Montou-se um sistema, no qual um tubo de vidro foi preso horizontalmente por meio de uma garra e onde foram adaptadas duas rolhas com um orifício do lado de dentro de cada rolha.

  2. Preencheu-se o orifício das rolhas com um pequeno pedaço de algodão.

  3. Retirou-se as rolhas e pingou-se, com o auxilio de conta gotas (dentro da capela),sobre um dos pedaços de algodão 5 gotas de solução de hidróxido de amônio e sobre outro 5 gotas de solução de ácido clorídrico.

  4. Adaptou-se simultaneamente as rolhas nas extremidades do tubo de vidro.

  5. Iniciou-se então a contagem do tempo, desde o inicio da colocação das rolhas até o momento em que apareceu, no interior do tubo de vidro, uma forma correspondente a uma névoa branca, um “anel” branco em torno das paredes do tubo.

  6. Marcou-se o tempo até a formação da névoa branca.

  7. Identificou-se o local onde se formou a névoa branca com uma caneta esferográfica e mediu-se a distancia entre as extremidades do tubo de vidro.

  8. Limpou-se o tubo com papel e repetiu-se o experimento.

Resultados e Discussão

Os resultados obtidos no experimento foram:

Tempo necessário para a observação da formação do anel de cloreto de amônio

4 minutos

Distância percorrida pelo HCl

32 cm

Distância percorrida pelo NH3

43,8 cm

Desta forma, a velocidade do cloreto de hidrogênio pode ser expressa por:

E a velocidade da amônia pode ser expressa por:

As massas moleculares dos gases são 17 u para o NH3 e 36,5 u para o HCl. Assim, A relação entre as velocidades de difusão e as massas moleculares deve ser:

A partir desta relação, pode observar que os valores encontrados estão próximos dos valores reais, pois a diferença de resultados na relação entre velocidades de difusão e as massas moleculares é pequena. Os valores encontrados também estão de acordo com a Lei de Graham, pois o gás de menor massa molecular, a amônia, com massa molecular 17u, foi o gás com maior velocidade de difusão.

Conclusões

A partir deste experimento, pode-se chegar à conclusão de que a lei de Graham se aplica perfeitamente aos gases, ou seja, a velocidade de difusão de um gás é, teórico e experimentalmente, maior quanto menor for a sua massa molecular.

Questões

1 - O que diz a Lei de Graham de difusão dos gases?

A Lei de Graham de difusão dos gases afirma que a velocidade de difusão de um gás é inversamente proporcional à sua densidade, ou seja, quanto maior a sua densidade, menor a sua velocidade de difusão. A partir disto, podemos concluir que, como a densidade é diretamente proporcional à massa molecular, a velocidade de difusão de um gás também é inversamente proporcional à sua massa molecular.

2 - Qual dos gases do experimento teve a maior velocidade? Qual a observação experimental que comprovou isto?

O gás que teve maior velocidade de difusão foi a amônia, pois o anel de cloreto de amônio foi observado mais próximo da rolha onde havia sido adicionado o ácido clorídrico, indicando que em um mesmo intervalo de tempo, a amônia se difundiu por uma maior distância.

3 - Como a diferença na difusão dos gases pode ser utilizada para o enriquecimento de urânio no isótopo radioativo?

4 - Um certo volume de gás produzido por algas fotossintetizantes levou 3,85 minutos para escoar por um pequeno orifício. Sob precisamente as mesmas condições, igual volume de argônio levou 4,30 minutos. Calcular a massa molar do gás desconhecido e sugerir que gás pode ser.

  • Velocidade do gás produzido por algas (A):

  • Velocidade do argônio (B):

  • Massa molecular do argônio: 40u

  • Relação entre velocidades de efusão e massas moleculares:

Se a massa molecular do gás é 32,06 u, e alga é fotossintetizante, o gás liberado provavelmente é o oxigênio.

5 - Uma cultura anaeróbia de uma bactéria isolada de esgoto libertou um gás inflamável durante o crescimento. Uma amostra pura deste gás levou 4,91 minutos para escoar através de um orifício minúsculo. Sob idênticas condições de temperatura e pressão, igual volume de nitrogênio levou 6,50 minutos para escoar através deste mesmo orifício. Calcular a massa molar do gás inflamável e sugerir que gás poderia ser.

  • Velocidade do gás liberado pelas algas (A):

  • Velocidade do gás nitrogênio:

  • Massa molecular do nitrogênio: 28 u

  • Relação entre velocidades de efusão e massas moleculares:

Como a massa molecular do gás é aproximadamente 16 u, e o gás é inflamável e produzido por bactérias anaeróbias, provavelmente este gás é o metano.

Referências

1 Thomas Graham. Disponível em http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/historia/graham/historia_graham.html, acesso em 01/04/10.

2 RUSSEL, John Blair. Química Geral. Tradução de Márcia Guekezian. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994.

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