VOLUME MOLAR: CONCEITO E FÓRMULA, CÁLCULO E EXEMPLOS - QUÍMICA - 2025

O volume molar é uma propriedade intensiva que indica quanto espaço ocupa um mol de determinada substância ou composto. É representado pelo símbolo V _m, e é expresso em unidades de dm ³ / mol para gases e cm ³ / mol para líquidos e sólidos, devido ao fato de estes últimos serem mais confinados por suas maiores forças intermoleculares.

Esta propriedade é recorrente no estudo de sistemas termodinâmicos que envolvem gases; já que, para líquidos e sólidos, as equações para determinar V _m se tornam mais complicadas e imprecisas. Portanto, no que diz respeito aos cursos básicos, o volume molar está sempre associado à teoria do gás ideal.

O volume de uma molécula de etileno é superficialmente limitado pelo elipsóide verde e pelo número de Avogadro vezes esse valor. Fonte: Gabriel Bolívar.

Isso se deve ao fato de que os aspectos estruturais são irrelevantes para gases ideais ou perfeitos; todas as suas partículas são visualizadas como esferas que colidem elasticamente umas com as outras e se comportam da mesma maneira, independentemente de suas massas ou propriedades.

Sendo assim, um mol de qualquer gás ideal ocupará, a uma dada pressão e temperatura, o mesmo volume V _m. Diz-se então que em condições normais de P e T, 1 atm e 0 ºC, respectivamente, um mol de um gás ideal ocupará um volume de 22,4 litros. Este valor é útil e aproximado, mesmo ao avaliar gases reais.

Conceito e fórmula

Para gases

A fórmula imediata para calcular o volume molar de uma espécie é:

V _m = V / n

Onde V é o volume que ocupa, en é a quantidade da espécie em moles. O problema é que V _m depende da pressão e da temperatura que as moléculas experimentam, e queremos uma expressão matemática que leve essas variáveis ​​em consideração.

O etileno na imagem, H ₂ C = CH ₂, tem um volume molecular associado limitado por um elipsóide verde. Esse H ₂ C = CH ₂ pode girar de várias maneiras, como se o referido elipsóide fosse movido no espaço para visualizar quanto volume ocuparia (obviamente desprezível).

No entanto, se o volume de tal elipsóide verde é multiplicado por N _A, o número de Avogadro, em seguida, nós mol de moléculas de etileno; uma toupeira de elipsóides interagindo entre si. Em temperaturas mais altas, as moléculas se separam umas das outras; enquanto sob pressão mais alta, eles se contraem e reduzem seu volume.

Portanto, V _m é dependente de P e T. O etileno tem uma geometria plana, portanto não se pode pensar que seu V _m seja exatamente e exatamente igual ao do metano, CH ₄, de geometria tetraédrica e capaz de ser representado com uma esfera e não um elipsóide.

Para líquidos e sólidos

As moléculas ou átomos de líquidos e sólidos também têm seus próprios V _m, que podem ser aproximadamente relacionados à sua densidade:

V _m = m / (dn)

A temperatura afeta o volume molar para líquidos e sólidos mais do que a pressão, desde que esta não mude abruptamente ou seja exorbitante (na ordem de GPa). Da mesma forma, como mencionado com o etileno, as geometrias e estruturas moleculares têm uma grande influência nos valores de V _m.

Porém, em condições normais, observa-se que as densidades para diferentes líquidos ou sólidos não variam muito em suas magnitudes; o mesmo ocorre com seus volumes molares. Observe que quanto mais densos eles forem, menor será o V _m.

Com relação aos sólidos, seu volume molar também depende de suas estruturas cristalinas (o volume de sua célula unitária).

Como calcular o volume molar?

Ao contrário de líquidos e sólidos, para gases ideais existe uma equação que nos permite calcular V _m em função de P e T e suas variações; isto é, o dos gases ideais:

P = nRT / V

Que está sendo acomodado para expressar V / n:

V / n = RT / P

V _m = RT / P

Se usarmos a constante de gás R = 0,082 L · atm · K ^-1 · mol ^-1, então as temperaturas devem ser expressas em kelvin (K) e as pressões em atmosferas. Observe que aqui podemos ver porque V _m é uma propriedade intensiva: T e P não têm nada a ver com a massa do gás, mas com seu volume.

Esses cálculos são válidos apenas em condições em que os gases se comportam perto da idealidade. No entanto, os valores obtidos por meio da experimentação possuem uma pequena margem de erro em relação aos teóricos.

Exemplos de cálculo do volume molar

Exemplo 1

Existe um gás Y cuja densidade é 8,5 · 10 ^-4 g / cm ³. Se você tiver 16 gramas equivalentes a 0,92 moles de Y, encontre seu volume molar.

A partir da fórmula de densidade, podemos calcular o volume de Y que esses 16 gramas ocupam:

V = 16 g / (8,5 · 10 ^-4 g / cm ³)

= 18.823,52 cm ³ ou 18,82 L

Portanto, V _m é calculado diretamente dividindo este volume pelo número de moles dado:

V _m = 18,82 L / 0,92 mol

= 20,45 L / mol ou L mol ^-1 ou dm ³ mol ^-1

Exercício 2

No exemplo anterior de Y, não foi especificado em nenhum momento qual foi a temperatura experimentada pelas partículas daquele gás. Supondo que Y foi trabalhado à pressão atmosférica, calcule a temperatura necessária para comprimi-lo até o volume molar determinado.

A declaração do exercício é mais longa do que sua resolução. Usamos a equação:

V _m = RT / P

Mas resolvemos para T, e sabendo que a pressão atmosférica é de 1 atm, resolvemos:

T = V _m P / R

= (20,45 L / mol) (1 atm) / (0,082 L atm / K mol)

= 249,39 K

Ou seja, um mol de Y ocupará 20,45 litros a uma temperatura próxima a -23,76 ºC.

Exercício 3

Na sequência dos resultados anteriores, determinar V _m a 0 ° C, 25 ° C e em zero absoluto, à pressão atmosférica.

Transformando as temperaturas em Kelvin, primeiro temos 273,17 K, 298,15 K e 0 K. Resolvemos diretamente substituindo a primeira e a segunda temperaturas:

V _m = RT / P

= (0,082 L atm / K mol) (273,15 K) / 1 atm

= 22,40 L / mol (0 ºC)

= (0,082 L atm / K mol) (298,15 K) / 1 atm

= 24,45 L / mol (25ºC)

O valor de 22,4 litros foi citado no início. Observe como V _m aumenta com a temperatura. Quando queremos fazer o mesmo cálculo com zero absoluto, tropeçamos na terceira lei da termodinâmica:

(0,082 L atm / K mol) (0 K) / 1 atm

= 0 L / mol (-273,15 ºC)

O gás Y não pode ter um volume molar inexistente; isso significa que se transformou em um líquido e a equação anterior não é mais válida.

Por outro lado, a impossibilidade de calcular V _m em zero absoluto obedece à terceira lei da termodinâmica, que diz que é impossível resfriar qualquer substância à temperatura de zero absoluto.

Referências

1. Ira N. Levine. (2014). Principles of Physicochemistry. Sexta edição. Mc Graw Hill.
2. Glasstone. (1970). Tratado de físico-química. Segunda edição. Aguilar.
3. Wikipedia. (2019). Volume molar. Recuperado de: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (8 de agosto de 2019). Definição de volume molar em química. Recuperado de: Thoughtco.com
5. BYJU'S. (2019). Fórmula do volume molar. Recuperado de: byjus.com
6. González Monica. (28 de outubro de 2010). Volume molar. Recuperado de: quimica.laguia2000.com