O documento descreve as três leis fundamentais dos gases: a lei de Boyle, que relaciona pressão e volume; a lei de Charles, que relaciona temperatura e volume; e a lei de Avogadro, que relaciona quantidade e volume. Juntas, essas leis formam a equação dos gases ideais, que descreve o comportamento dos gases em diferentes condições de pressão, volume, temperatura e quantidade.

1. AS LEIS DOS GASES
E a constante universal.

2. PRESSÃO - AS LEIS DOS GASES
Os experimentos com um grande número de
gases revelam que são necessárias quatro
variáveis para definir a condição física, ou
estado, de um gás: temperatura, T; pressão,
P; volume, V; e quantidade de gás, que
geralmente é expressa em quantidade de
matéria, n. As equações que expressam as
relações entre T, P. V e n, são conhecidas
como leis dos gases.

3. Relação pressão-volume: lei de Boyle
Se a pressão sobre um balão diminui, ele se expande. Essa é a razão pela qual os
balões meteorológicos expandem-se à medida que sobem para a atmosfera (Figura 1).
De modo inverso, quando um volume de gás é comprimido, a pressão do gás aumenta.
O químico britânico Robert Boyle (1627-1691) investigou inicialmente a relação entre a
pressão de um gás e seu volume.
Figura 1. o volume de gás em um balão de previsão de tempo aumentará à medida que
ele subir para a atmosfera mais alta, onde a pressão atmosférica é mais baixa que na
superfície da Terra.

4. Para realizar seus experimentos com gases, Boyle usou um tubo
em forma de J. Certa quantidade de gás é presa em um tubo
atrás de uma coluna de mercúrio. Boyle variou a pressão no gás
adicionando mercúrio ao tubo. Ele descobriu que o volume do gás
diminuía conforme a pressão aumentava. Por exemplo, dobrar a
pressão provocava diminuição do volume para metade de seu
valor original.
A lei de Boyle, que resume essas observações, afirma que: “O
volume de certa quantidade fixa de um gás mantido à
temperatura constante é inversamente proporcional à pressão”.
Quando duas medidas são inversamente proporcionais,
uma torna-se menor à medida que a outra se torna maior. A lei de
Boyle pode ser expressa matematicamente como:
V = constante x 1/P P.V = constante

5. O valor da constante depende da temperatura e da
quantidade de gás na amostra. O gráfico de V versus P na
Figura 2a mostra o tipo de curva obtida para determinada
quantidade de gás a uma temperatura fixa. Uma relação
linear é obtida quando se traça um gráfico de V versus 1/P
(Figura 2b).

6. A relação entre volume de gás e temperatura foi
descoberta em 1787 pelo cientista francês Jacques
Charles (1746-1823). Charles descobriu que o volume
de certa quantidade fixa de gás à pressão constante
aumenta linearmente com a temperatura. Alguns
dados típicos estão mostrados na Figura 4. Observe
que a linha que está tracejada e extrapolada
(estendida) passa pelo valor de -273 ºC. Observe
também que se supõe que o gás tenha volume zero a
essa temperatura. Entretanto, essa condição nunca é
possível, porque todos os gases se liquefazem ou se
solidificam antes de atingir essa temperatura.

7. Figura 3. À medida que nitrogênio líquido (-196 ºC) é derramado sobre
um balão, o gás no balão diminui.
Relação temperatura-volume: lei de Charles
Os balões de ar quente sobem porque o ar expande-se à proporção que é
aquecido. O ar mais quente é menos denso que o ar da vizinhança mais fria à
mesma pressão. Essa diferença na densidade faz com que o balão suba. De
maneira inversa, um balão encolhe quando um gás dentro dele é resfriado,
como visto na Figura 3:

8. Figura 4. Volume de um gás em um sistema fechado como
função da temperatura à pressão constante. A linha tracejada é
uma extrapolação para temperaturas nas quais a substância não
é mais um gás.

9. Em 1848, William Thomson (1824-1907), um físico britânico
cujo título era lord Kelvin, propôs uma escala temperatura
absoluta, hoje conhecida como escala Kelvin. Nessa escala, 0 K,
chamado zero absoluto, é igual à -273,15 ºC. Em termos de
escala Kelvin, a lei de Charles pode ser expressa como segue: o
volume de certa quantidade fixa de gás mantido a pressão
constante é diretamente proporcional à respectiva temperatura
absoluta. Portanto, ao se dobrar a temperatura absoluta,
digamos de 200 K para 400 K, o volume do gás dobrará.
Matematicamente, a lei de Charles assume a seguinte forma:
V = constante x T ou V/T=constante
O valor da constante depende da pressão e da quantidade de
gás.

10. Relação quantidade-volume: lei de Avogadro
Conforme adicionamos gás a um balão, ele se expande. O volume
de um gás é afetado não apenas pela pressão e temperatura, mas
também pela quantidade de gás. A relação entre quantidade de gás
e respectivo volume resultou do trabalho de Gay-Lussac (1778-
1823) e Amadeo Avogadro (1776-1856).
Gay-Lussac é uma daquelas figuras extraordinárias na história da
ciência que realmente poderia ser chamado um aventureiro. Ele
estava interessado em balões mais leves que o ar e em 1804 fez
com que um deles subisse até uma altura aproximada de 7.000 m -
façanha que manteve o recorde de altitude por várias décadas. Para
melhor controlar balões mais leves que o ar, os volumes dos gases
que reagem entre si estão na proporção dos menores números
inteiros. Por exemplo, dois volumes de gás hidrogênio reagem com
um volume de gás oxigênio para formar dois volumes de vapor de
água, como mostrado na Figura 5:

11. Figura 5. Observação experimental de Gay-Lussac sobre
os volumes combinantes anexada à explicação de
Avogadro sobre esse fenômeno

12. Equação do gás ideal:
Se juntarmos as três leis dos gases explicitadas
anteriormente, e comparamos uma com a outra, chegaremos
a uma relação direta que têm como constante, ou relação de
proporcionalidade, um termo R (chamado de constante dos
gases reais). Logo, temos uma equação na forma:
V = R (NT/P)
Ou, da maneira como é mais conhecida: PV = nRT
Essa equação é chamada de equação dos gases ideais. Um
gás ideal é um gás hipotético cujos comportamentos da
pressão, do volume e da temperatura são completamente
descritos pela equação dos gases ideais.

13. (Vunesp-2008) O gás liberado na reação
completa de 0,486 gramas de magnésio
metálico com solução aquosa de ácido clorídrico
(HCl) foi confinado em um recipiente de 100 mL
à temperatura de 27 oC. Dadas a massa molar do
magnésio = 24,3 gmol-1 e a constante universal
dos gases R = 0,082 atm . L . mol K -1 ,determine
a pressão no recipiente.

15. Referência:
BROWN, T.L., LEMAY, H. E., BURSTEN, B. E. -
Química, A Ciência Central, 9ª Edição; São Paulo
: Pearson Prentice Hall, 2005.