6.1: Teoria Cinética Molecular: Um Modelo para Gases

Pressão de Gases

O movimento aleatório constante das moléculas de gás faz com que elas colidam umas com as outras e com as paredes do seu recipiente. Estas colisões das moléculas de gás com o seu ambiente exercem uma pressão sobre o ambiente. Quando você explode um balão, as partículas de ar dentro do balão empurram contra os lados elásticos, as paredes do balão são empurradas para fora e mantidas firmes. Esta pressão é produzida pelas moléculas de ar que batem nas paredes internas do balão.

Existem três unidades de pressão comumente usadas na química. A pressão é normalmente medida num dispositivo chamado monómetro, semelhante ao barómetro que um meteorologista utiliza. As pressões nos monômetros são normalmente registradas em unidades de milímetros de mercúrio, abreviadas {mm}:ce{Hg}). A pressão é definida como a força exercida dividida pela área sobre a qual a força é exercida.

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As moléculas de ar em nossa atmosfera exercem pressão em cada superfície que está em contato com o ar. A pressão do ar da nossa atmosfera ao nível do mar é aproximadamente {\\i1}(15 {\i1}: {\i1}texto (lbs/in}^2}). Esta pressão é despercebida, porque o ar não está apenas fora das superfícies, mas também no interior, permitindo que a pressão atmosférica seja equilibrada. A pressão exercida pela nossa atmosfera será rapidamente notada, porém, se o ar for removido ou reduzido dentro de um objeto. Uma demonstração comum da pressão do ar faz uso de uma lata de metal de um galão. A lata tem algumas gotas de água colocadas no interior e é depois aquecida até ferver. A água dentro da lata vaporiza e expande-se para encher a lata, empurrando o ar para fora. A tampa é então hermeticamente selada na lata. Como a lata arrefece, o vapor de água no interior condensa de volta a água líquida, deixando o interior da lata com falta de moléculas de ar. Como o vapor de água condensa em água líquida, a pressão do ar fora da lata esmaga lentamente a lata plana.

Pessoas, claro que também têm pressão atmosférica pressionando-as. Uma pessoa de tamanho médio provavelmente tem uma força total exercida sobre eles a partir da atmosfera superior a 25.000 libras. Felizmente, as pessoas também têm ar dentro delas para equilibrar a força. Um dispositivo para medir a pressão atmosférica, o barômetro, foi inventado em 1643 por um cientista italiano chamado Evangelista Torricelli (1608 – 1647), que tinha sido aluno de Galileu. O barômetro de Torricelli foi construído enchendo um tubo de vidro, aberto em uma extremidade e fechado na outra, com mercúrio líquido e depois invertendo o tubo em uma placa de mercúrio.

O mercúrio no tubo caiu a uma altura tal que a diferença entre a superfície do mercúrio na placa e o topo da coluna de mercúrio no tubo foi de 760 milímetros. O volume do espaço vazio acima do mercúrio no tubo era um vácuo. A explicação para a permanência do mercúrio no tubo é que não há moléculas de ar a bater no topo do mercúrio no tubo. O peso do mercúrio no tubo dividido pela área da abertura no tubo é exatamente igual à pressão atmosférica.

A altura à qual o mercúrio é mantido só seria de 760 milímetros quando a pressão do ar é normal e ao nível do mar. A pressão atmosférica muda devido às condições meteorológicas e a altura do mercúrio no barômetro mudará com ele. A pressão atmosférica também varia com a altitude. Altitudes mais altas têm pressão de ar mais baixa porque o ar é “mais fino” – menos moléculas de ar por unidade de volume. Nas montanhas, a uma altitude de 9600 pés, a pressão atmosférica normal só suportará uma coluna de mercúrio de \ 520: {mm}: {mm}:ce{Hg}).

Por várias razões, a química tem muitas unidades diferentes para medir e expressar a pressão do gás. Você precisará estar familiarizado com a maioria delas para que você possa convertê-las em unidades preferidas. Como os instrumentos para medir a pressão muitas vezes contêm uma coluna de mercúrio, as unidades mais comumente usadas para pressão baseiam-se na altura da coluna de mercúrio que o gás pode suportar. A unidade original em química para pressão de gás era: (milímetros de mercúrio). A pressão atmosférica padrão ao nível do mar é de (760: texto (mm):ce (Hg)). Esta unidade é um problema porque embora seja uma unidade de pressão, parece-se muito com uma unidade de comprimento. Os alunos, em particular, ocasionalmente deixam de fora a unidade de comprimento. Para eliminar este problema, foi dado outro nome à unidade. Foi chamado de “texto”, em honra de Torricelli. \O texto é exactamente o mesmo que o texto (760 mm). Para certos trabalhos, tornou-se conveniente expressar a pressão do gás em termos de múltiplos de pressão atmosférica normal ao nível do mar e assim foi introduzida a unidade de atmosfera (esquerda( texto à direita)). A conversão que você precisa saber entre várias unidades de pressão são:

Este exemplo mostra como realizar esta conversão usando a análise dimensional. Se você estiver memorizando tipo, você pode apenas memorizar que para converter de \\i1 (texto{mm}: {Hg}) para \i1 (texto{atm}) você deve dividir por 760.