Enunciado

A pressão crítica e a temperatura crítica observadas para o C O 2 são, respectivamente, P C = 73,0   a t m e T C = 304,1   K . (a) Calcule as constantes de Van der Waals a e b para o C O 2 . (b) Calcule a densidade crítica ρ C para o C O 2 pela equaçaõ de Van der Waals e compare-a com o valor observado de 0,46   g / c m 3 . (c) Se o C O 2 fosse um gás ideal, a que pressão seria preciso submeter 1   m o l de C O 2 para que ocupasse o volume de 0,5   l à temperatura de 0 ° C ? (d) Qual seria a pressão necessária na situação (c) considerando o C O 2 como um gás de Van der Waals? (e) Em (d), que fração da pressão total é devida à interação entre as moléculas do gás?

Passo 1

(a) Vamos começar lembrando das fórmulas para as constantes a e b :

P C = a 27 b 2

R T C = 8 a 27 b

Já que o enunciado deu os valores de P C e T C , essas duas fórmulas são um sistema de duas equaçãoes e duas variáveis.

Para encontrar b , podemos dividir uma equação pela outra:

R T C P C = 8 a / 27 b a / 27 b 2

R T C P C = 8 b

Colocando os valores numéricos:

0,082 304,1 73,0 = 8 b

b = 0,043 l m o l

E agora podemos substituir isso na segunda equação para calcular a :

R T C = 8 a 27 b

a = 27 b R T C 8 = 27 0,043 0,082 304,1 8 = 3,6   a t m l 2 m o l 2

Então:

a = 3,6   a t m   l 2 / m o l 2 b = 0,043   l / m o l

Passo 2

(b) A fórmula para a densidade crítica é:

ρ C = n M V C

Onde M = 44   g / m o l é a massa molar do gás carbônico.

E podemos substituir o volume crítico V C do gás pelo volume molar v usando aquele número n de moles:

v = V n         ⇒           ρ C = M v C

Já que nós já calculamos a constante b , vamos escrecer v C usando a seguinte fórmula:

v c = 3 b

Então:

ρ C = M 3 b = ( 44   g / m o l ) ( 3 ) ( 0,043   l / m o l )

ρ C = 341 g l

Vamos converter para g / c m 3 :

ρ c = 341 g l = 341 g 10 3   c m ≈ 0,34   g / c m 3

Que é diferente do valor mencionado no enunciado, já que aqui estramos tratando da densidade nas condições críticas.

Passo 3

(c) Já que agora vamos tratar o C O 2 como gás ideal, podemos usar a lei dos gases ideais:

P V = n R T

P = n R T V

Substituindo os valores numéricos:

P = 1   m o l 0,082 a t m ∙ L m o l ∙ K 0 + 273 0,5   l

P = 44,8   a t m

Passo 4

(d) Agora vamos fazer a mesma conta, com os mesmos valores, mas com a equação de Van der Waals!

P + a v 2 v - b = R T

Isolando a pressão P :

P = R T v - b - a v 2

Já que estamos falando de só um mol de gás, o volume molar v é numericamente igual a V :

P = 0,082 0 + 273 0,5 - 0,043 - 3,6 0,5 2

P = 34,6   a t m

Passo 5

(e) Dê mais uma olhada na equação de Van der Waals:

P = R T v - b - a v 2

Esse segundo termo aí do lado direito representa a pressão devido à interação entre as moléculas.

O que a questão quer saber é: qual fração da pressão total (que acabamos de calcular) isso representa?

f = a / v 2 P

f = 3,6 / 0,5 2 34,6 = 0,42

Ou seja, 42 % da pressão se deve à interação entre as moléculas.

Resposta

(a) As constantes são a = 3,6   a t m   l 2 / m o l 2 e b = 0,043   l / m o l .

(b) A densidade crítica é ρ C = 0,34   g / c m 3 .

(c) A pressão necessária seria P = 44,8   a t m .

(d) Nesse caso a pressão necessária seria 34,6   a t m .

(e) 42 % da pressão total.

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