INTERAÇÕES INTERMOLECULARES

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Carolina de Carvalho Bonilha
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÂNICA QUÍMICA INORGÂNICA FUNDAMENTAL I INTERAÇÕES INTERMOLECULARES Prof. Fabio da Silva Miranda miranda@vm.uff.br Sala GQI 308, Ramal 2170

2 Uma comparação entre gases, líquidos e sólidos As propriedades físicas das substâncias entendidas em termos de teoria cinética molecular: Os gases são altamente compressíveis, assumem a forma e o volume do recipiente: As moléculas de gás estão separadas e não interagem muito entre si. Os líquidos são quase incompressíveis, assumem a forma, mas não o volume do recipiente: As moléculas de líquidos são mantidas mais próximas do que as moléculas de gases, mas não de maneira tão rígida de tal forma que as moléculas não possam deslizar umas sobre as outras.

3 Os sólidos são incompressíveis e têm forma e volume definidos: As moléculas de sólidos estão mais próximas. As moléculas estão unidas de forma tão rígida que não conseguem deslizar facilmente umas sobre as outras.

4 Uma comparação entre líquidos e sólidos

5 Uma comparação entre líquidos e sólidos A conversão de um gás em um líquido ou sólido requer que as moléculas se aproximem: resfriamento ou compressão. A conversão de um sólido em um líquido ou gás requer que as moléculas se distanciem: aquecimento ou redução da pressão. As forças que mantêm os sólidos e líquidos unidos são denominadas forças intermoleculares.

6 Modelo molecular-cinético para a estrutura da matéria

7 Pressão de vapor

8 Transições entre os estados da matéria

9 Diagramas de fase

10 Diagramas de fase

11 Diagramas de fase da água

12 Diagramas de fase do CO2

13 Diagramas de fase do enxofre

14 Diagramas de fase do gelo a altas pressões

16 Ligação de hidrogênio no gelo

17 Representação das três fases da água Estrutura do gelo Estrutura da água líquida Evaporação a partir superfície da água

18 Diagrama entálpico das mudanças de fase da água Os valores foram ajustados para 0 C e dessa maneira somente mudanças de entalpia associadas com mudanças de fase estão envolvidos.

21 Forças intermoleculares

22 Cristais líquidos Colesterol foi o primeiro composto reportado como cristal líquido

23 Forças entre os átomos Ligações covalentes dentro de uma molécula são muito mais fortes do que a atração entre as moléculas

24 A ligação covalente que mantém uma molécula unida é uma força intramolecular; Forças intermoleculares A atração entre moléculas é uma força intermolecular; Forças intermoleculares são muito mais fracas do que as forças intramoleculares (por exemplo: 16 kj mol -1 versus 431 kj mol -1 para o HCl). Quando uma substância funde ou entra em ebulição, forças intermoleculares são quebradas (não as ligações covalentes).

25 Resumos dos tipos de interação intermolecular

26 Forças intermoleculares

27 Forças intermoleculares

28 Forças íon-dipolo A interação entre um íon e um dipolo (por exemplo, água). A mais forte de todas as forças intermoleculares.

29 Forças dipolo-dipolo As forças dipolo-dipolo existem entre moléculas polares neutras. As moléculas polares necessitam ficar muito unidas. Mais fracas do que as forças íon-dipolo. Há uma mistura de forças dipolo-dipolo atrativas e repulsivas quando as moléculas se viram. Se duas moléculas têm aproximadamente a mesma massa e o mesmo tamanho, as forças dipolo-dipolo aumentam com o aumento da polaridade.

30 Forças dipolo-dipolo

31 Interações dipolo-dipolo

32 Forças dipolo-dipolo

33 Dipolo induzido

34 Dipolo induzido

35 Forças de dispersão de London A mais fraca de todas as forças intermoleculares; É possível que duas moléculas adjacentes neutras se afetem; O núcleo de uma molécula (ou átomo) atrai os elétrons da molécula adjacente (ou átomo); Por um instante, as nuvens eletrônicas ficam distorcidas; Nesse instante, forma-se um dipolo (denominado dipolo instantâneo).

36 Forças de dispersão de London entre os átomos de Ne

37 Forças de dispersão de London Um dipolo instantâneo pode induzir outro dipolo instantâneo em uma molécula (ou átomo) adjacente. As forças entre dipolos instantâneos são chamadas forças de dispersão de London.

38 Forças de dispersão de London Polarizabilidade é a facilidade com que a distribuição de cargas em uma molécula pode ser distorcida por um campo elétrico externo. Quanto maior é a molécula (quanto maior o número de elétrons) mais polarizável ela é. As forças de dispersão de London aumentam à medida que a massa molecular aumenta. Existem forças de dispersão de London entre todas as moléculas. As forças de dispersão de London dependem da forma da molécula.

39 Forças de dispersão de London Quanto maior for a área de superfície disponível para contato, maiores são as forças de dispersão. As forças de dispersão de London entre moléculas esféricas são menores do que entre as moléculas com formato de linguiça.

40 Forças de dispersão de London

41 Forças de dispersão de London

42 Forças de dispersão de London

43 Ligação de hidrogênio Caso especial de forças dipolo-dipolo. A partir de experimentos: os pontos de ebulição de compostos com ligações H-F, H-O e H-N são anomalamente altos. Forças intermoleculares são anomalamente fortes.

44 Ligação de hidrogênio A ligação de H necessita do H ligado a um elemento eletronegativo (mais importante para compostos de F, O e N). Os elétrons na H-X (X = elemento eletronegativo) encontram-se muito mais próximos do X do que do H. O H tem apenas um elétron, dessa forma, na ligação H-X, o H + apresenta um próton quase descoberto. Conseqüentemente, as ligações de H são fortes.

45 Ligação de hidrogênio

46 Ligação de hidrogênio

47 Ligação de hidrogênio

48 Ligação de hidrogênio

49 Ligação de hidrogênio As ligações de hidrogênio são responsáveis pela: Flutuação do gelo Os sólidos são normalmente mais unidos do que os líquidos; Portanto, os sólidos são mais densos do que os líquidos. O gelo é ordenado com uma estrutura aberta para otimizar a ligação H. Conseqüentemente, o gelo é menos denso do que a água. Na água, o comprimento da ligaçao H-O é 1,0 Å. O comprimento da ligação de hidrogênio O H é 1,8 Å. O gelo tem águas ordenadas em um hexágono regular aberto. Cada + H aponta no sentido de um par solitário no O.

50 Ligação de hidrogênio no HF

51 Hidratação de íons em água

52 A ligação de hidrogênio e a formação do Snowflake

53 Estrutura do DNA

54 Estrutura da b-pleated e a teia de aranha

55 Interpretação do orbital molecular da ligação de hidrogênio

56 Ligação de hidrogênio no HF

57 Ligação de hidrogênio

58 Claratos

59 Estrutura do KLEVAR 1965 Stephanie Kwolek (DuPont), USA

60 Estrutura do KLEVAR O polímero KLEVAR foi preparado pela primeira vez em 1965 por Stephanies Kwolek trabalhando nos laboratórios da DuPont no USA; Aplicação variada e inclui: coletes a prova de balas, raquetes de tênis, equipamentos esportivos e trem de pouso das espaço-naves enviadas a Marte; O polímero é leve, flexível, resistente ao calor, fogo e ataque químico; Cordas e cabos feitos de KLEVAR são 5 vezes mais resistentes do que similar feito de aço em proporção de peso igual;

61 A resposta para todas as propriedades do KLEVAR é baseada na estrutura cristalina altamente ordenada; Estrutura do KLEVAR Os anéis benzênicos vizinhos ao grupo amido são responsáveis pela rigidez da cadeia por limitarem a rotação da cadeia; As ligações de hidrogênio entre as cadeias poliméricas mantém as cadeias fixas e impede que as cadeias escorreguem; Quando as fibras do KLEVAR são enroladas, as cadeias dos polímeros orientam-se ao longo do eixo da fibra com as ligações de hidrogênio ligando as cadeias adjacentes; As folhas planas das cadeias ligadas por ligações de hidrogênio estão empilhadas ao longo do eixo resultando em uma estrutura cristalina altamente ordenada.

62 Interação total de atração

63 Interação total de atração

64 Interação total de atração Forma geral de uma curva de energia potencial intermolecular. Na faixa de longa distância a interação é atrativa, mas na faixa próxima a repulsão é dominante.

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