Volume molar

Volume molar

Desde o início da Química que os cientistas estudam o estado gasoso de forma a compreenderem melhor a estrutura e as transformações da matéria. Um dos que se salientou neste estudo foi Amadeo Avogadro, cientista italiano que em 1811 apresentou uma descoberta importante. Esta descoberta, chamada inicialmente hipótese de Avogadro, tem hoje o nome de Lei de Avogadro.

Lei de Avogadro – volumes iguais de quaisquer gases contém o mesmo número de moléculas, quando medidos nas mesmas condições de pressão e temperatura.

Um dos aspectos mais importantes do trabalho de Avogadro foi o esclarecimento do conceito de molécula. Os cientistas pensavam que os gases como o oxigénio, o azoto ou o hidrogénio eram constituídos por átomos. Avogadro comprovou que eram constituídos por dois átomos ligados entre si, isto é, por moléculas.

O trabalho de Avogadro foi praticamente ignorado, a maioria dos químicos da sua época recusaram-se a aceitar a existência de ligações químicas entre dois átomos iguais. Só 50 anos mais tarde o trabalho de Avogadro seria completamente reconhecido.

Posteriormente foi possível determinar o número de moléculas existentes num determinado volume de gás. Por exemplo, sabe-se que, pressão de 1 atmosfera e temperatura de 0 °C, em 22,4 dm³ de um qualquer gás existem 6,02 × 10²³ moléculas. A este número chama-se Número de Avogadro em memória deste notável cientista.

O número de Avogadro permite perceber uma outra grandeza muito importante em Química, a quantidade de substância (símbolo n), cuja unidade é a mole (símbolo mol).

1 mole (mol) é a quantidade de matéria (n) existente numa amostra que possua

6,02 × 10²³ partículas.

Em vez do número de Avogadro, 6,02 × 10²³, usa-se, mais correctamente, a constante de Avogadro.

N_A = 6,02 × 10²³ partículas/mol

A quantidade de substância é uma grandeza importante em Química porque dá indicação sobre o número de partículas (átomos, moléculas, iões), N, existentes numa amostra de matéria:

N = n × N_A

Onde: N → número de partículas (átomos, moléculas, iões)

           n → número de moles (quantidade da substância)

           N_A → número de Avogadro ou constante de Avogadro

Podemos agora definir uma outra grandeza:

Volume molar (Vm) é o volume ocupado por uma mole de gás.

Expressa-se em decímetros cúbicos por mole (dm³/mol) ou em litros por mole (l/mol).

O volume molar de qualquer gás nas condições normais de temperatura e pressão, CNTP é sempre 22,4 dm³/mol. Nesse volume existem sempre 6,02 × 10²³ partículas.

O volume ocupado, nas CNTP, por uma dada quantidade de matéria é dado por: 

Portanto o volume molar (Vm) é o volume (V) ocupado por uma mole (n) de uma substância.

E se a substância for sólida ou liquida? Não sabemos qual é o volume molar de sólidos ou líquidos, só de gases em CNPT.

Podemos, de forma mais esquemática, indicar algumas relações importantes:

1ª.  N = n × N_A

O número de partículas, N, presentes numa amostra pode obter-se pelo produto da quantidade de substância pela constante de Avogadro. Se tivermos uma mole (n = 1 mol), o número de partículas coincide com a constante de Avogadro.

Pode-se determinar o número de partículas, N existente em determinado número de moles com recurso regra de três simples.

                           1 mol ^{_______________________} 6,02 × 10²³ partículas

                           Número de mol ^___________ X

2ª.  m = n × M

A massa da substância é obtida pelo produto do número de moles e a massa molar. Ou, alternativamente, pela regra de três simples:

                           1 mol ^{_______________________} M

                           Número de mol ^___________ X

Então como podemos medir a quantidade de matéria? Para dar resposta a esta questão é necessário definir uma nova grandeza: a massa molar.

3ª.  V = n × V_m

O volume de uma substância é dado pelo produto do número de moles e volume molar.

Em condições normais de temperatura e pressão, CNTP, o volume molar duma substância é de 22,4 litros por mole.

Com recurso ä regra de três simples pode-se ter o volume duma substância assim:

                           1 mol ^{_______________________} 22,4 dm³

                           Número de mol ^___________ X

Entre a quantidade da substância (n), o número de partículas (N), a massa da substância (m) e o volume da substância (V) em CNTP, estabelece-se a seguinte relação:

1 mole de uma substância contém 6,02 × 10²³ partículas equivalem à massa molar e ocupa o volume de 22,4 litros.

E x e r c í c i o s    r e s o l v i d o s

1. Determinar o número de oxidação do Cloro no ácido clórico (HClO₃).

Resolução:

• Identificar os números de oxidação dos elementos que formam a molécula:

Sabemos que: nox (H) = +1 ; nox (O) = –2

• Considerar x o nox do cloro:

_{(+1) (x) (-2)}

 H   Cl   O₃

• Calcular x (o nox desconhecido) tendo em conta que a soma dos números de oxidação dos átomos numa molécula é igual a zero:

(+1) + X + 3(-2) = 0   ↔  X = +5

Confirmar que, com o nox obtido, a soma é igual a zero:

(+1) + (+5) + 3(-2) = 0 

1 + 5 – 6 = 0   ↔   0 = 0    Verdadeiro

2. Determinar o número de oxidação do crómio no ião dicromato (Cr₂O₇ ^-2),

Resolução:

• Identificar os números de oxidação dos elementos que formam a molécula:  sabemos que nox (O) = -2.

• Considerar X o nox do crómio:

_{(x)    (-2)}

Cr₂      O₇ ^-2

• Calcular X tendo em conta que a soma dos números de oxidação dos átomos num ião é igual à carga do ião:

2x + 7(-2) = -2   ↔ x = +6

• Confirmar que, com o nox obtido, a soma é igual a -2:

_{(+6)    (-2)}

Cr₂        O₇ ^-2

2(+6) + 7 (–2) = –2     ↔ –2 = –2     Verdadeiro

3. O Cloro é obtido no laboratório através da reacção: KClO₃ + 6HCl → HCI + 3H₂O + 3Cl₂

a) Quantas moléculas de Cloro são obtidas a partir das 3 mol de moléculas formadas, em CNTP? Massas atómicas: K = 39; Cl = 35,5; O = 16; H = 1.

b) Que massa de Cloro se forma durante a reacção?

c) Calcule o volume de Cloro corresponde a 3 mol de moléculas formadas, em CNTP?

Resolução:

a) Segundo Avogadro: 1 mol de moléculas (Cl₂) → 6,02 × 10²³ moléculas (Cl₂). Pretende-se o número de moléculas correspondentes as 3 mol de moléculas de Cloro formadas.

Com recurso regra de três simples teremos:

1 mol de moléculas (Cl₂) ^{_____________________} 6,02 × 10²³ moléculas (Cl₂)

3 mol de moléculas (Cl₂) ^{_____________________} X

X = 3 × 6,02 × 10²³ ÷ 1     ↔    X = 18,06 × 10²³ moléculas (Cl₂)

R.: Em 3 mol de moléculas de Cloro existem 18,06 × 10²³ moléculas de cloro.

b) Sabe-se que a massa molar de uma substância é a massa de 1 mol dessa substância, M = m ÷ n, como se pretende a massa correspondente as 3 mol de moléculas de Cloro formadas, começaremos por calcular a massa molar do cloro, que é o resultado do somatório das massas atómicas relativas.

M(Cl₂) = 2A_r(Cl) = 2 × 35,5 = 71 g/mol

De M = m ÷ n, podemos isolar m, que é a massa pretendida. Então:

m = M × n   ↔    m = 3 mol × 71 g/mol  ↔    m = 213 g

Tendo calculado a massa molar da molécula de cloro, pode-se usar a regra de três simples:

1 mol de molec (Cl₂) ^{_____________________} 71 g

3 mol de molec (Cl₂) ^{______________________} X

X = 3 × 71 = 213 g

R.: Durante a reacção forma-se 213 g de cloro.

c) O volume molar de um gás é o volume de uma mole da substância Vm = V ÷ n. Em CNTP, sabe-se que V_m = 22,4 l/mol. Assim sendo, pode-se calcular o volume, V, com base no número de moles de Cloro obtido:

V = n × V_m = 3 × 22,4 = 67,2 l/mol ou

Com base na regra de três simples:

1 mol de moléculas (Cl₂) ^{________________} 22,4 l

3 mol de moléculas (Cl₂) ^{_________________} x

X = 3 × 22,4 l ÷ 1 = 67,2 l

R.: 3 mol de moléculas de Cloro correspondem a 67,2 litros de cloro.

Bibliografia

SILVA, Filomena Neves. Q9 – Química 9ª Classe. 2ª Edição. Texto Editores, Maputo, 2017.