No nível do mar ( 1,00000 atm e 15°C ), o ar é composto por 78,084 % de nitrogênio, N2, 20,9476 % de oxigênio, O2, 0,934 % de argônio, Ar, 0,0314 % de dióxido de carbono, CO2, e outros gases em quantidades desprezíveis. Estes gases na atmosfera encontram-se em equilíbrio com a água presente nos diversos sistemas aquáticos da biosfera terrestre.
Calcule a solubilidade dos gases O2 e CO2, em mol L-1, dissolvidos na água a 15°C, ao nível do mar.
Calcule a solubilidade dos gases O2 e CO2, em mol L-1, dissolvidos na água a 15°C, ao nível do mar.
Passo 1
O enunciado pede a solubilidade (concentração em água, em
) dos gases
e
a
e ao nível do mar (pressão total
). Informações fornecidas (tirei estes números do enunciado):
- Fração volumétrica (percentual) de
: . - Fração volumétrica (percentual) de
: . - Temperatura:
(ou ). - Pressão total:
.
Primeiro passo prático: calcular as pressões parciais (pois a solubilidade depende da pressão parcial do gás acima da água):
Passo 2
Vamos usar a Lei de Henry na forma conveniente para concentração:
onde:
-
é a concentração do gás dissolvido na água em . -
é a pressão parcial do gás em . -
é a constante de Henry no formato (ou seja, dá diretamente quantos mol por litro correspondem a 1 atm do gás).
Explicação curta e intuitiva: quanto maior a pressão parcial do gás acima da água, maior a concentração dissolvida; a constante
mede a “afinidade” do gás pela água (maior
→ o gás é mais solúvel por unidade de pressão).
Passo 3
Precisamos de valores de
a
. Esses valores dependem da temperatura. Vou adotar valores razoáveis e explicar como obtive cada um:
- Para
: tabelas de saturação (valores experimentais de oxigênio dissolvido em equilíbrio com ar) indicam que, a e com ar padrão ( ), a concentração saturada de é aproximadamente . Convertendo para mol/L:
Assim o
implícito é
Para cálculo prático uso
(arredondamento consistente com tabelas).
- Para
: um valor comum de referência a é . A solubilidade aumenta ao diminuir a temperatura; podemos ajustar para usando a relação de van ’t Hoff aproximada onde é a entalpia aparente de dissolução (para costuma-se usar aproximadamente ), , em K. Tomando e e : Calculando numericamente:
Observação: este ajuste é uma aproximação razoável para propósitos de exercício; valores tabelados experimentais próximos confirmam a ordem de grandeza.
Resumo dos
adotados:
Passo 4
Agora aplico a Lei de Henry para cada gás.
Para
:
Para
:
Arredondando para 3 algarismos significativos:
Breta explicativa curta: embora
seja intrinsicamente mais solúvel por unidade de pressão (
maior), sua pressão parcial na atmosfera é muito menor que a do
, resultando em concentração dissolvida bem menor em equilíbrio com o ar.