No processo de preparação de refrigerantes, estes são embalados sob pressão, em uma câmara contendo dióxido de carbono, \mathrm{CO}_{2}, onde parte do gás se dissolve na bebida. Considerando apenas a dissolução do gás \mathrm{CO}_{2} e desconsiderando quaisquer outras reações do \mathrm{CO}_{2} no refrigerante, faça o que se pede.
Explique por que a solubilidade do \mathrm{CO}_{2} diminui no refrigerante quando a garrafa é aberta.

Passo 1

O que o enunciado pede: explicar por que a solubilidade do \mathrm{CO}_2 no refrigerante diminui quando a garrafa é aberta.
Informações dadas e pressupostos que vou usar: a única transformação considerada é a dissolução do \mathrm{CO}_2 (ou seja, sem reações químicas adicionais no refrigerante) e a garrafa está inicialmente pressurizada com \mathrm{CO}_2.

Passo 2

Princípio físico que descreve a solubilidade de um gás em líquido: a Lei de Henry. Escrevendo em forma simples:
c = k_H\,p
onde:
  • c é a concentração do gás dissolvido no líquido (por exemplo, em \mathrm{mol\;L^{-1}} ou \mathrm{mol\;m^{-3}});
  • p é a pressão parcial do gás acima do líquido (por exemplo, em \mathrm{atm} ou \mathrm{Pa});
  • k_H é a constante de Henry (dependente da temperatura e do par gás/solvente), com unidades que tornam a igualdade dimensionalmente consistente (por exemplo, \mathrm{mol\;L^{-1}\;atm^{-1}} ou \mathrm{mol\;m^{-3}\;Pa^{-1}}).
O que a fórmula diz, em palavras simples: em equilíbrio, a quantidade de gás dissolvida no líquido é proporcional à pressão parcial desse gás na fase gasosa acima do líquido. Se a pressão parcial aumenta, a solubilidade aumenta proporcionalmente; se a pressão parcial diminui, a solubilidade diminui proporcionalmente.

Passo 3

Descrever a situação antes e depois de abrir a garrafa usando a Lei de Henry.
  • Na garrafa fechada: a câmara contém \mathrm{CO}_2 sob pressão alta. Chame essa pressão parcial de p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(fechada)}}. Em equilíbrio, a concentração dissolvida é
c_{\mathrm{fechada}} = k_H\,p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(fechada)}}.
Como p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(fechada)}} é grande (garrafa pressurizada), c_{\mathrm{fechada}} é relativamente grande.
  • Ao abrir a garrafa: a pressão parcial do \mathrm{CO}_2 acima do líquido cai rapidamente para a pressão parcial atmosférica p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(atm)}} (muito menor do que a pressão dentro da garrafa fechada). O novo equilíbrio exigiria
c_{\mathrm{aberta}} = k_H\,p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(atm)}},
que é bem menor que c_{\mathrm{fechada}} porque p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(atm)}} \ll p_{\mathrm{CO}_2}^{\mathrm{(fechada)}}.

Passo 4

Explicar o que fisicamente acontece quando a garrafa é aberta (por que vemos as bolhas e o gás “escapar”).
Imediatamente após abrir, a concentração real do \mathrm{CO}_2 no líquido é ainda aproximadamente c_{\mathrm{fechada}}, enquanto o novo equilíbrio pede c_{\mathrm{aberta}} (menor). Ou seja, a solução fica supersaturada em relação à nova pressão parcial. Natureza não gosta de supersaturação: o excesso de \mathrm{CO}_2 sai do líquido formando bolhas até que a concentração do líquido caia e se aproxime de c_{\mathrm{aberta}}. Esse processo é favorecido por:
  • queda da pressão parcial acima do líquido (motivo primário, pela Lei de Henry);
  • presença de pequenas imperfeições e partículas que funcionam como sítios de nucleação para as bolhas;
  • agitação/variação de temperatura que aceleram a formação e crescimento das bolhas.
Também é útil pensar pelo prisma do princípio de Le Châtelier: ao reduzir a pressão do \mathrm{CO}_2 na fase gasosa, o equilíbrio entre gás e solução desloca-se no sentido de liberar mais gás (isto é, diminuir a quantidade dissolvida).

Passo 5

Resumo didático e uma regra prática para a prova: a solubilidade de um gás em um líquido é diretamente proporcional à pressão parcial do gás sobre o líquido ( c = k_H p). Abrir a garrafa reduz fortemente a pressão parcial de \mathrm{CO}_2 acima do refrigerante; portanto, a solubilidade do \mathrm{CO}_2 diminui e o excesso de gás sai do líquido na forma de bolhas até que se alcance o novo equilíbrio.

Resposta

A solubilidade do \mathrm{CO}_2 diminui porque, ao abrir a garrafa, a pressão parcial do \mathrm{CO}_2 acima do líquido cai; pela Lei de Henry ( c=k_H p), a concentração de \mathrm{CO}_2 que o líquido pode manter em equilíbrio diminui, e o excesso de gás sai na forma de bolhas até o novo equilíbrio ser atingido.

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