Solubilidade dos gases

Teoria Completa

A solubilidade de gases em líquidos é diferente do que vimos até agora (sólidos em líquidos).

A gente sabe que o gás oxigênio dissolvido na água é fundamental para a vida embaixo d’água, não é? Mas como esse oxigênio se dissolve?

A solubilidade de gases em líquidos pode ser comparada a meteoritos que mergulham no oceano.😊

Isso porque as moléculas dos gases, que estão em movimento constante (por simplesmente estarem na fase gasosa), quando encontram uma superfície líquida conseguem penetrá-la e ficar em solução.

Efeito da pressão

Quando a pressão nesse gás é alta, as moléculas ficam mais comprimidas e colidem mais ainda com a superfície líquida, o que vai causar o aumento da solubilidade, já que mais moléculas vão conseguir entrar no líquido. É o que mostra o esquema abaixo, onde a figura (b) representa o aumento de pressão no gás:

Ou seja, o aumento da pressão de um gás aumenta sua solubilidade em solventes líquidos.

Você quer prova, @?

Sabe quando você abre a garrafa de refrigerante e faz aquele barulho de gás escapando? O gás carbônico que está dissolvido no refrigerante é liberado pela diminuição da pressão dentro da garrafa, o que diminui a solubilidade do gás no líquido e libera o gás para o ambiente.

Se você ainda não está convencido, tem também o exemplo de mergulhadores que respiram ar comprimido.

Normalmente, no nível do mar, a solubilidade dos gases no sangue é bem baixa, porém, em altas pressões – como as que eles são expostos durante o mergulho, essa solubilidade fica um pouco perigosa. Eles devem emergir lentamente para a superfície para evitar que, com o abaixamento da pressão, os gases sejam liberados muito rapidamente do sangue e de outros fluidos do corpo.

Efeito da temperatura

Para a maioria dos gases a solubilidade diminui com a temperatura.

Isso acontece porque com o aumento da temperatura, as moléculas no solvente líquido ficam mais agitadas, e, embora se torne mais fácil para as moléculas de gás penetrarem o solvente, fica mais fácil que elas saiam também. Por isso, quanto maior a temperatura da solução, menos moléculas de gás vão ficar solubilizadas no solvente.

A mesma coisa acontece quando agitamos a superfície do líquido: a entrada e saída de gases da solução fica mais fácil!

Por isso bombas de aquário fazem bolhas na superfície, para agitar a superfície do líquido e facilitar a troca de gás com a atmosfera – solubilizando mais oxigênio para os peixes. E por isso também o refrigerante explode quando agitamos muito ele – o gás sai com muito mais facilidade e, quando abrimos a garrafa e diminuimos a pressão (e, consequentemente, a solubilidade dele no líquido), ele sai muito rapidamente.

Mas como medimos a solubilidade de um gás em solução?

Lei de Henry

A lei de Henry diz que a solubilidade de um gás em solução é proporcional à sua pressão.

Se o gás em equilíbrio com a solução for uma mistura (como o ar atmosférico), é a pressão parcial do gás, P, que deve ser levada em conta. A fórmula fica, então:

s = k H . P

A constante que mede essa proporcionalidade, k H , se chama constante de Henry e depende da temperatura, do solvente e do gás.

Pensa comigo, ó: quanto maior a pressão parcial do gás, maior a quantidade de moléculas desse gás no ambiente, né?

Se existem mais moléculas do gás no ambiente, maior a chance dessas moléculas penetrarem a superfície do líquido e serem solubilizadas! Viu como Henry pensou certinho?

Vamos ver como isso pode ser cobrado? 😊

Expandir

Exercício Resolvido #1

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp347-Exemplo 9.4

Mostre que a concentração de oxigênio na água de um lago é normalmente adequada para sustentar a vida aquática, que requer concentrações de O 2 da ordem de 0,13 mmol. L - 1 . A pressão parcial de oxigênio é 0,21 atm ao nível do mar.

Dados: Constantes de Henry para gases em água em 20oC: a r   : 7,9 . 10 - 4 m o l . L - 1 . a t m - 1   O 2 : 1,3.10 - 3 m o l . L - 1 . a t m - 1

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Passo 1

Para começar, devemos lembrar a lei de Henry:

s = k H . P

Como queremos calcular a solubilidade do oxigênio, temos que usar o k H do O 2 e a pressão parcial de 0,21 atm:

s = 1,3.10 - 3 m o l . L - 1 . a t m - 1 . 0,21   a t m = 0,273.10 - 3 m o l . L - 1

Como 0,273.10 - 3 m o l . L - 1 = 0,273   m m o l . L - 1 > 0,13   m m o l . L - 1 , podemos ver que a concentração de oxigênio é mais do que suficiente para sustentar a vida aquática.

Resposta

0,273.10 - 3 m o l . L - 1 = 0,273   m m o l . L - 1 > 0,13   m m o l . L - 1 , logo podemos ver que a concentração de oxigênio é mais do que suficiente para sustentar a vida aquática.

Exercício Resolvido #2

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp374-Exercício 9.27

A concentração mínima em massa de oxigênio necessária para a vida dos peixes é 4   m g . L - 1 .

a) Suponha que a densidade da água de um lago seja 1   g . m L - 1 , e expresse essa concentração em partes por milhão (que é equivalente a miligramas de O 2 por quilograma de água, m g . k g - 1 .

b) Qual a pressão parcial mínima de O 2 que forneceria a concentração mínima em massa de oxigênio na água para permitir a vida dos peixes em 20oC?

c) Que pressão atmosférica mínima corresponde a essa pressão parcial, supondo que o oxigênio é responsável por 21% da pressão atmosférica, aproximadamente?

Dados:

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Passo 1

a) Essa questão é sobre conversão de unidades!

Temos a concentração 4   m g . L - 1 , que corresponde a 4   m g . k g - 1 , já que a densidade da água é 1   g . m L - 1 = 1   k g . L - 1 .

4 1   m g   O 2 L á g u a . 1 1 L á g u a k g á g u a = 4 1   m g   O 2 k g á g u a = 4   p p m

Assim, como o enunciado diz, uma parte por milhão (ppm) corresponde a 1   m g . k g - 1 , logo a concentração mínima de oxigênio é 4 ppm.

Passo 2

b) Para calcular qual a pressão mínima de O 2 necessária para obter essa concentração ( 4   m g . L - 1 ) , vamos usar a lei de Henry:

s = k H . p O 2

A solubilidade que queremos é:

s = 4   m g . L - 1

E o k H do oxigênio em água é dado na tabela como:

k H = 1,3.10 - 3 m o l . L - 1 . a t m

Então, pra calcular p O 2 , a pressão de oxigênio necessária, vamos ter que passar essa solubilidade mássica pra solubilidade molar, pra ter consistência nas unidades. Pra isso, usamos a massa molar do O 2 .

s = 4 m g L . 1 32000 m o l m g = 1,25.10 - 4   m o l . L - 1

E agora sim podemos calcular p O 2 :

s = k H . p O 2

1,25 . 10 - 4   m o l . L - 1 = 1,3.10 - 3 m o l . L - 1 . a t m .   p O 2  

p O 2 = 0,1 0   a t m

Passo 3

c) Como a pressão parcial é calculada pela pressão total x a fração molar do gás na mistura, podemos calcular a pressão total fazendo o inverso:

p O 2 = p t o t a l . x O 2

Precisamos da fração molar do O 2 no ar atmosférico. Não sabemos esse dado “diretamente”. Mas o enunciado nos diz claramente que o gás oxigênio é responsável por 21% da pressão atmosférica, então:

p O 2 = 0,21 . p a t m

Logo:

p a t m = 0,10 0,21 = 0,48   a t m

Resposta

a) 4 ppm.

b) 0,10 atm.

c) 0,48 atm.

Exercício Resolvido #3

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp374-Exercício 9.29

O gás dióxido de carbono dissolvido em uma amostra de água em um recipiente parcialmente cheio e lacrado entrou em equilíbrio com sua pressão parcial no ar que está acima da solução. Explique o que acontece com a solubilidade do C O 2 se:

a) a pressão parcial do gás C O 2 dobra por adição de mais C O 2 ;

b) a pressão total do gás sobre o líquido dobra por adição de nitrogênio.

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Passo 1

a) Se aumentarmos a pressão parcial do C O 2 em 2x o que ela era, a solubilidade nova ( s ' ), será, segundo a lei de Henry:

s = k H . P

Como não mudamos nem o solvente, nem o gás e nem a temperatura, k H   segue constante:

s ' = k H . 2 P

s ' = 2 s

Ou seja, quando dobramos a pressão parcial de C O 2 , a solubilidade do C O 2 sobra também.

Passo 2

b) Se dobramos a pressão total do gás sobre o líquido mas não alterarmos a quantidade de C O 2 , a solubilidade do C O 2 não muda.

Isso acontece porque, quando o gás faz parte de uma mistura, devemos utilizar a sua pressão parcial para calcular a solubilidade, já que a solubilidade dele depende das moléculas de C O 2 que vão penetrar o líquido, e não das moléculas de gases em geral.

Assim, quando aumentamos a pressão adicionando nitrogênio, aumentamos a pressão total mas diminuimos a fração molar de C O 2 no meio (já que a fração molar é calculada por m o l s   d e   C O 2 n o d e   m o l s   t o t a l e nós aumentamos o número de mols total), o que mantém constante a pressão parcial do CO2.

Assim, nada acontece com a solubilidade do C O 2 quando dobramos a quantidade de nitrogênio.

Resposta

a) A solubilidade também dobra.

b) A solubilidade se mantém a mesma.

Exercício Resolvido #4

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp375-Exercício 9.31

Um refrigerante foi fabricado por dissolução de C O 2 em 3,6 atm em uma solução que contém flavorizantes e a solução foi selada em alumínio em 20oC. Que quantidade de C O 2 está em uma lata de 420mL do refrigerante?

Em 20oC, a constante de Henry para o C O 2 é 2,3.10 - 2 m o l . L - 1 . a t m - 1 .

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Passo 1

Usando a lei de Henry:

s = k H . P

Podemos calcular a solubilidade do C O 2 nessa lata de refrigerante e, assim, descobrir qual a quantidade de C O 2 presente na lata.

s = 2,3.10 - 2 m o l . L - 1 . a t m - 1 . 3,6   a t m = 8,28.10 - 2 m o l . L - 1

Como a lata só tem 420mL....

8,28.10 - 2 m o l 1000 m L . 420 m l = 0,034776   m o l s

A massa molar do C O 2 é 44g, logo:

0,034776   m o l s   . 44 g 1   m o l = 1,53 g

Resposta

Em uma lata de refrigerante há 1,53g de C O 2 .

Exercício Resolvido #5

Lista de exercícios ITA-SP.

Quando submersos em “águas profundas”, os mergulhadores necessitam voltar lentamente à superfície para evitar a formação de bolhas de gás no sangue.

I) Explique o motivo da NÃO formação de bolhas de gás no sangue quando o mergulhador desloca-se de regiões próximas à superfície para as regiões de “águas profundas”.

II) Explique o motivo da NÃO formação de bolhas de gás no sangue quando o mergulhador desloca-se muito lentamente de regiões de “águas profundas” para as regiões próximas da superfície.

III) Explique o motivo da FORMAÇÃO de bolhas de gás no sangue quando o mergulhador desloca-se muito rapidamente de regiões de “águas profundas” para as regiões próximas da superfície.

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Passo 1

I) Quando o mergulhador está descendo para as “águas profundas”, ele vai do local com menor pressão para o local com maior pressão. Quando aumentamos a pressão de um gás sua solubilidade aumenta e, portanto, não se forma bolhas, pelo contrário: o gás se solubiliza ainda mais no sangue.

Passo 2

II) Quando o mergulhador se desloca lentamente das regiões de maiores pressões para o nível do mar o gradiente de pressão é percorrido lentamente, com tempo para que as trocas gasosas aconteçam e sem que a solução fique saturada – o que causaria a liberação de bolhas, já que o C O 2 sairia da solução.

Passo 3

III) Quando a mudança de pressão é feita de maneira abrupta, muito rapidamente, não dá tempo que todas as trocas gasosas ocorram e a solução fica saturada – o que provoca liberação de C O 2 e causa as bolhas.

Resposta

Exercício Resolvido #6

Adaptado de lista de exercícios PEQ.

A solubilidade de um gás em um líquido aumenta quando elevamos a pressão do gás sobre o líquido e também quando reduzimos a temperatura do líquido. Considere espécies de peixe que necessitam, para sua sobrevivência, de elevada taxa de oxigênio dissolvido na água.

Admita quatro lagos, A, B, C e D, com as seguintes características:

Lago A: altitude H e temperatura T (T > 0°C)

Lago B: altitude 2H e temperatura T

Lago C: altitude H e temperatura 2T

Lago D: altitude 2H e temperatura 2T

Os peixes teriam maior chance de sobrevivência:

a) no lago A.

b) no lago B.

c) no lago C.

d) no lago D.

e) indiferentemente em qualquer dos lagos.

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Passo 1

Precisamos diminuir a temperatura e aumentar a pressão, portanto o lago A é o melhor para a solubilização do oxigênio na água, já que sua temperatura não é tão alta e a altitude é H (e não 2H – quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica).

Resposta

Lago A.

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

O experimento conhecido como chafariz de amônia é feito colocando um frasco de vidro contendo amônia com uma pressão maior que a atmosférica suspenso por um suporte conectado por uma tubulação a um recipiente com água e fenolftaleína. Observa-se que a água começa a fluir para o frasco onde havia o gás pressurizado logo após a abertura da válvula formando um chafariz cor de rosa.

O resultado observado parece desafiar a mecânica dos fluidos, sempre vemos fluidos se deslocarem de uma região de maior pressão para outra de menor pressão. Explique por que esse resultado é observado?

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Passo 1

Isso realmente acontece?

Bem, pode pesquisar aí no YouTube isso é real! Isso prova mais uma vez que química é muito sinistra!!!

Então vamos agora entender que bruxaria é essa :)

Passo 2

amônia

A amônia, N H 3 é uma substância gasosa e polar e que pode realizar ligações de hidrogênio com a água então o gás assim que entra em contato com a água na tubulação começa a se dissolver nela, e por isso a pressão no interior do vai reduzindo e a água começa a subir

Passo 3

Coloração rosa?

Então há ali também a fenolftaleína que é um indicador de pH que quando está em meio ácido ou neutro fica incolor e em meio básico assume a coloração rosa. A amônia além de se dissolver em água também reage com ela gerando íons hidroxila e por isso a solução formada fica rosa.

N H 3 ( g )   +   H 2 O ( l )   →   N H 4 ( a q ) +   +   O H -

Resposta

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

Você resolveu inovar e fazer um jantar super-romântico para o seu, ou sua crush. é uma excelente chance de deixar uma boa imprensão e tudo prossegue como o planeja do até o momento de servir a champanhe (digamos que é uma ocasião especial ( ͡° ͜ʖ ͡°))

Ao abrir a garrafa que até então estava sobre a mesa, junto aos pratos a rolha é projetada contra o seu próprio rosto, causando um hematoma bizarro. após abrir e se recuperar do tiro , está pronto para servir a bebida para a sua companhia e então pede que essa pessoa segure a taça, recém tirada do armário. Imediatamente ao servir a bebida, como se fosse mágica (ou bruxaria), a liberação de gás do liquido se dá de uma forma muito intensa, inclusive molhando a roupa de quem está segurando a taça.

Explique o motivo da rolha sair de forma tão violenta da garrrafa. Indique o que poderia ser feito para evitar tal constrangimento. Explique ainda as provaveis razoes da bebida ter liberado o gás de forma tão rápida após ser servida.

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Passo 1

Que tiro foi esse?!

Então o champanmhe é uma bebida gaseificada, nele há uma grande quantidade de gás C O 2 que depedndeo da temperatura e pressão pode formar uma solução. Quando a bebida está coma temperatura muito elevada a solubilidade do gás é reduzida e dessa foram a pressão no interior da garrafa é aumentada. Então uma forma de evitar esse problema e deixar a bebida em um balde de gelo até o momento adequado de servir.

Passo 2

Por que esse banho?

Como a bebida está aquecida a solubilidade do gás é reduzida epor isso a o gás ao sair da garrafa sai de uma forma turbulenta empurrando consigo o líquido que está no caminho. Outro fator que pode levar a uma situação de instabilidade da solução gasosa é a presença de poeira na taça, as particulas de poeira podem agir como catalisadores para que o gás se forme no interior do líquido, isso é bem semelhante ao que acontece ao colocar a bala mentos dentro da garrafa de coca-cola. Para evitar problemas assim é importante que a bibida esteja bem gelada e seja servida em taças recem limpas sem poeira.

Resposta

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