Constante de Avogadro, Química Constante de Avogadro
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A Constante de Avogadro é uma fundamental constante físico-química. Está relacionada com os seguintes conceitos:
– A Lei de Gay-Lussac: A pressão de uma quantidade fixa de gás é diretamente proporcional a temperatura absoluta quando o volume do sistema for mantido constante.
Gay-Lussac (1746 -1823)através de seus estudos com volumes de gases, demostrou que os gases se expandiam com o aumento da temperatura. Também conseguiu demostrar que uma reação entre dois componentes gasosos, nas mesmas condições de temperatura e pressão, o volume dos reagentes e dos produtos gasosos formados mantêm uma mesma proporção em números inteiros. Por exemplo:
Ao reagir gás hidrogênio com cloro no estado gasoso:
Hidrogênio + Cloro → Gás clorídrico
10L + 10L → 20 L, logo, a proporção é de: 1:1:2
Ao reagir gás hidrogênio com gás oxigênio:
Hidrogênio + Oxigênio → Água
12 dm3 + 6 dm3 → 12 dm3, logo, a proporção é de: 2:1:2
Nota-se que formam 12 dm3 de água no estado gasoso, a formação da água implica na contração do volume final devido as interações entre os átomos de hidrogênio e oxigênio, é importante lembrar que a lei de Gay-Lussac só se aplica a substâncias no estado gasoso. Amedeo Avogadro teve acesso aos estudos de Gay-Lussac, chegando, em 1811, a elaborar uma hipótese sobre tais fundamentações:
– A Hipótese de Avogadro
Propõe que: volumes iguais de quaisquer dois gases, nas mesmas condições de temperatura e pressão,contêm o mesmo número de partículas.
O italiano Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, nasceu em Turim, em 1776 e, faleceu em 1856. Formou-se bacharel em direito, atuou como advogado e, posteriormente, em 1800, estou matemática e física, foi professor na Academia de Turim. A importância de sua hipótese só foi reconhecida 50 anos depois de sua defesa, no congresso de Karlsruhre por volta de 1860.
Lembrando que: No estado gasoso às forças intermoleculares são fracas, as moléculas estão muito afastadas umas das outras, isso significa que o tamanho das moléculas pode ser desprezado. Observe o esquema a seguir:
Representamos, de forma bem simples, a esquematização de uma reação entre moléculas de gás hidrogênio e gás oxigênio formando moléculas de água no estado gasoso.
Podemos perceber que em (I) há dois conjuntos com 3 moléculas de H2(g) cada um, totalizando 6 moléculas. Em (II) temos moléculas de gás O­2, totalizando 3 moléculas. Em (III), o produto formado é água no estado gasoso, temos ao todo 6 moléculas de água, 3 em cada conjunto, logo, a menor proporção possível em números inteiros é de 2:1:2.
Segundo a hipótese de Avogadro se medirmos os volumes nas mesmas condições de temperatura e pressão, concluímos que:
– quando as quantidades de moléculas são iguais em todo o sistema, antes e durante a reação, o volume de moléculas no estado gasoso nos reagentes é igual ao volume de moléculas no estado gasoso nos produtos, não há variação no volume total da reação nestas condições.
– se aumentar o número de moléculas nos reagentes ou diminuir durante a reação, desse modo, o volume total no sistema pode aumentar ou diminuir na mesma proporção.
– O número de partículas no sistema não varia, contudo, observamos uma contração do volume de moléculas no conjunto dos produtos (III), no esquema apresentado. Isso ocorre devido as interações entre os átomos de H e O na formação de H2O e também, nestas condições, devido ao número diferente de moléculas nos conjuntos dos reagentes, em (I) e (II) a proporção é de 6:3, desse modo, são formadas 6 moléculas de água, a proporção final é de 6:3:6.
As leis volumétricas juntamente com a hipótese de Avogadro mais o desenvolvimento das leis gerais dos gases contribuíram para ampliação da teoria atômica clássica, levando ao entendimento da existência de moléculas gasosas simples, como, H2, N2 e O2, por exemplos. Porém, o valor da constante de Avogadro foi determinado com mais precisão após Einstein, em 1905, desenvolver a teoria do movimento Browniano, em seu artigo ele explora alguns caminhos para determinar o valor da constante de Avogadro. Em 1908, o físico e químico francês Jean Baptiste Perrin desenvolveu algumas experiências através da teoria do movimento Browniano de Einstein, o valor que obteve foi de 6, 82 x 10²³ de moléculas por mol, em 1926 ganhou o prêmio Nobel pelos trabalhos que desenvolveu sobre a descontinuidade da matéria e sobre o equilíbrio de sedimentação.
Alguns autores colocam que Perrin teria concluído precisamente o valor da constante de Avogadro. A constante de Avogadro pode ser determinada pela eletrólise da água, vejamos um exemplo para ilustrar essa fundamentação.
Por definição, a constante de Avogadro expressa que um peso de um mol, ou um grama de uma determinada substância contém uma quantidade de N partículas.
A relação do quociente entre o número de partículas (N – moléculas, átomos ou íons) pela quantidade da substância em mol (n – quantidade de matéria), define a expressão da constante de Avogadro, onde:
NA é a quantidade partículas/mol;
N é quantidade de partículas;
n é o número de mols;
Experimentalmente a constante de Avogadro pode ser determinada através da carga elétrica que passa por um circuito eletrolítico depositada em certa quantidade de sódio metálico presente em um dos eletrodos. Vamos exemplificar tal procedimento de forma mais simples:
O esquema acima representa um experimento de eletrólise da água. Adotamos, apenas como critério de exemplificação, os seguintes dados experimentais:
– Concentração da solução eletrolítica usada: 10g/L de NaOH.
– Volume de hidrogênio aferido: 5ml.
– Corrente elétrica medida por multímetro: 0,070 A (amperes) mantida constante durante o tempo do processo.
– Tempo aferido: 501 segundos.
– Pressão do sistema: 88,4 kPa. (quilo Pascal).
– Temperatura do sistema: 300K (Kelvin).
As reações químicas no sistema são:
Vamos recorrer a equação geral dos gases para começarmos a determinar o valor da constante:
Vamos calcular referente a quantidade de gás hidrogênio que está sendo produzido na eletrólise, assim:
nH₂ = 1,77 x 10⁻4mol Pa m³/J ou 1,77 x 10⁻4 mol H2.
• Calcular a relação da quantidade mol com o número de elétrons (e⁻), a relação para cada 1 mol de H2 obtido, temos 2 e⁻de acordo com as equações químicas:
nH₂ = 1,77 x 10⁻4 mol H2 x 2e⁻
nH₂= 3,54 x 10⁻4 mol e⁻
– Calcular a carga elétrica:
Q = i x T à Q = 0,070 A x 501 s
Q = 35,07 C (coulomb)
• Calcular a relação de partículas referente aos elétrons (Ne⁻) com a carga elétrica (Q).
Dado: e = 1,6 x 10⁻19 C, onde e é a carga elétrica de um elétron.
Ne⁻ = 21,9 x 1019 e⁻
Desse modo, NA é:
NA = 6,2 x 1023 mol-1
O valor da constante de Avogadro recomendado é: 6,02214 x 10²³ mol-1.
O exemplo abordado com valores experimentais representa que essa constante não é um número aleatório ou apenas um dado convencional, ela é resultado de uma aplicação experimental e está relacionada com conceitos teóricos que foram primordiais no avanço da química.