EXPERIÊNCIA 4 – DETERMINAÇÃO DA MASSA ATÔMICA DO
MAGNÉSIO
1. GASES IDEAIS E MISTURAS DE GASES IDEAIS
Para discutir as transformações que ocorrem em um sistema, é necessário definir precisamente suas propriedades antes e depois da transformação. Isto se faz pela especificação do estado do sistema, ou seja, algum conjunto particular de condições de pressão, temperatura, número de moles de cada componente e suas formas físicas (gás, líquido, sólido ou forma cristalina). Quando se especificam estas variáveis, todas as propriedades do sistema estão definidas.
As quantidades P, V e T são chamadas funções de estado ou variáveis de estado, pois servem para determinar o estado físico de qualquer sistema dado.
Há alguns casos em que as inter-relações entre funções de estado podem ser expressas sob forma de equação, uma equação de estado. A equação de estado para um gás ideal é um exemplo:
PV nRT (1)
onde n = corresponde ao número de moles da substância.
M m
n (2)
No caso de uma mistura de gases ideais, cada gás do sistema tem uma pressão parcial, Pi,
que corresponde a pressão do gás como se ele estivesse sozinho no sistema. Pela Lei de Dalton para os gases ideais:
P x
Pi i. (3)
onde xi = fração molar do gás na mistura e P é a pressão total da mistura gasosa.
n n x i i (4) n i i n P P P P P 1 2 1 ... (5)
2. FUNDAMENTOS DE HIDROSTÁTICA
Admitindo os pontos B e C no interior da massa fluída, supondo-a em equilíbrio estático e sujeita à ação da gravidade, consideremos, Figura 1:
Figura 1. Fluido em equilíbrio estático sujeito à ação da gravidade.
PB e PC = pressões nos pontos B e C, respectivamente;
g = aceleração da gravidade local; = massa específica do líquido
h = hB – hC = distância vertical entre B e C
Demonstra-se que a diferença de pressão entre os pontos B e C é:
h g P PB C . . ou h g P PB C . . (6)
A Eq. 6 é a lei de Stevin ou Equação Fundamental da Hidrostática, indica que a pressão depende somente da profundidade abaixo da superfície livre. A Figura 2 mostra diversos recipientes com diferentes formas e diversas orientações, porém a pressão é a mesma em todos os pontos dos diferentes recipientes situados sobre o plano y. O estudante atencioso verá, com este conceito, como é possível atingir os cantos de um edifício usando uma mangueira de jardim cheia de água.
O excesso de pressão atmosférica, P – Patm, denomina-se pressão manométrica, Pg.
Figura 2. Paradoxo hidrostático.
Uma vez que muitos dispositivos medidores de pressão indicam em relação ao ambiente (a atmosfera em muitos casos), em geral é mais conveniente usar a pressão manométrica.
A pressão atmosférica padrão é a pressão média ao nível do mar. A pressão atmosférica local, em qualquer elevação, pode ser medida por um barômetro. O mais comum é o barômetro de mercúrio, com escalas em uma das extremidades, Figura 3. Um simples balanço de força sobre o fluído no tubo fornece:
h g P
Patm vap . . (8)
onde Pvap é a pressão de vapor do fluido.
A pressão absoluta simplesmente envolve a soma da pressão atmosférica com a pressão manométrica: h g P Pabs atm . . (9) Figura 3. Barômetro.
3.OBJETIVOS No final dessa experiência, o aluno deverá ser capaz de:
Determinar a massa atômica do magnésio através do volume de gás desprendido na sua reação com ácido clorídrico.
Ilustrar a utilização da lei dos gases ideais, de misturas gasosas e princípios de hidrostática.
4. MATERIAIS
Fita de magnésio
Becker 1000 mL ou cuba Gaze
Funil sem haste Proveta 100 mL
Ácido clorídrico concentrado
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Com o auxílio de uma balança analítica, pese entre 40 a 80 mg de fita de magnésio, previamente lixada.
A seguir, coloque a amostra no fundo de um béquer e cubra com um funil sem haste, como mostra a Figura 4. Adapte com fita adesiva um pedaço de gaze à saída do funil. Encha o béquer com água até
¾
de sua capacidade e emborque uma proveta de 100 mL totalmente cheia de água. Não deixe bolhas de ar no sistema. Fixe a proveta verticalmente como indicado na figura.Depois do sistema montado, adicione lentamente no béquer com auxílio de um conta-gotas, 10 ml de ácido clorídrico concentrado. Essa adição dever ser feita com o conta-gotas bem próximo à borda do funil, para que o ácido entre rapidamente em contato com o magnésio. Tome cuidado para não introduzir bolhas de ar no sistema.
Espere até que todo o metal tenha reagido, agite cuidadosamente para deslocar eventuais bolhas de hidrogênio retidas no funil e anote:
b) o volume de gás na proveta;
c) a medida da diferença entre os níveis de água na proveta e no béquer; d) a temperatura ambiente;
e) a pressão atmosférica;
f) a pressão de vapor da água (tabelas de livros); g) os desvios das medidas efetuadas
Repita o experimento de 2 a 3 vezes para avaliar o erro experimental.
Figura 4. Montagem do sistema para medida do volume de gás na proveta.
FOLHA DE DADOS
EQUIPE:______________________________________________________________________ _______________________________________________TURMA:_____________
DATA____/____/_______
1ª Medida 2ª Medida 3ª Medida Massa do metal (Mg) utilizado
Volume de gás na proveta
Diferença entre os níveis de água na proveta e no béquer
Temperatura ambiente:____________________ Pressão atmosférica:___________
Pressão de vapor da água (tabela em anexo):_______________
Anexo 1 - Variação da massa específica ( ) da água com a temperatura Temperatura (°C) Densidade absoluta ( kg/m3) Temperatura (°C) Densidade absoluta ( kg/m3) 0 999,8 40 992,2 4 1000,0 50 988,0 5 1000,0 60 983,2 10 999,7 70 977,8 15 999,1 80 971,8 20 998,2 90 965,3 25 997,0 100 958,4 30 995,7
Anexo 2 - Variação da pressão de vapor da água com a temperatura t(ºC) P(mmHg) t(ºC) P(mmHg) 0 4,579 30 31,824 2 5,294 35 42,175 4 6,101 40 55,324 6 7,013 45 71,88 8 8,045 50 92,51 10 9,209 55 118,04 12 10,518 60 149,38 14 11,987 65 187,54 16 13,634 70 233,70 18 15,477 75 289,10 20 17,535 80 355,10 22 19,827 85 433,60 24 22,377 90 525,76 26 25,209 95 633,90 28 28,349 100 760,00
1. Numa experiência para determinar um valor exato da constante dos gases perfeitos, R, um estudante aqueceu um vaso de 20,000 L, cheio com 0,25132 g de hélio gasoso, a 500 º C, e mediu a pressão num manômetro de água, a 25 º C, encontrando 206,402 cm de água. A densidade da água, a 25 º C, é 0,99707 g.cm-3. Calcule o valor de R a partir desses dados. 2. O volume interno de um sino de mergulho, no convés de uma embarcação, é de 3,0 m3. Qual o
volume ocupado pelo ar, no sino mergulhado, a uma profundidade de 50 m? A densidade média da água do mar é 1,025 g.cm-3 e a temperatura do ar é igual à temperatura na superfície. Resp.: 500 L.
3. Que diferença de pressão deve haver entre as pontas de um canudinho de refresco, vertical, de 15 cm, para aspirar um líquido aquoso com a densidade de 1,0 g.cm-3. Resp.: 1,5 kPa
4. Calcule o volume de dióxido de carbono, a 1,0 atm e 25 oC, que as plantas necessitam para produzir 1,0 g de glicose, C6H12O6, por fotossíntese, de acordo com a reação:
CO2(g) + H2O(L) C6H12O6(s) + O2(g) Resp.: 0,81 L
5. A reação química dos gases H2 e O2 produz água líquida e é utilizada nas células de
combustível do ônibus espacial para fornecer eletricidade. Que quantidade de água é produzida pela reação de 100,0 L de oxigênio estocado a 1,0 atm e 25 oC? Resp.: 147,3 g de H2O
QUESTIONÁRIO
A partir dos dados obtidos, calcule a massa atômica do Mg, comparando com a literatura. Calcule, também, a composição dos gases ( H2 e H2O) em porcentagem molar e em massa na
