Química Aplicada e Bioquímica,

Transcrição

1 Química Analítica Cristina Costa Química Aplicada e Bioquímica,

2 Introdução A Água 2

3 A maior parte das reacções químicas que vamos estudar ocorrem em solução aquosa. 3

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5 Estrutura da água A molécula da água isolada (estado gasoso) é angular -O- 104 o 27' - O 0.97 angstrom 5

6 Estado de ibridação sp 3 8 O 1s 2 (sp 3 ) 2 (sp 3 ) 2 (sp 3 ) 1 (sp 3 ) 1 As ligações O- são asseguradas por coalescência directa de dois híbridos (sp 3 ) do oxigénio com os orbitais 1s do hidrogénio. Teoricamente os ângulos deveriam ser de 109 o 28' 6

7 Pontes de idrogénio Cada molécula de água estabelece quatro ligações de hidrogénio com as moléculas vizinhas, sendo, portanto, muito intensas as forças que as mantêm unidas. 7

8 Propriedades Físicas e Químicas da Água Estado Físico Quanto maior for o peso molecular dum composto, maior é a probabilidade de ser um sólido ou um líquido a uma temperatura de 20 ºC. Metano (MM=16), o etano (MM=30) e o propano (MM=44), a amónia (MM=17), e o dióxido de carbono (MM=44) são todos gases a 20 o C. No entanto, a água (MM=18) a esta temperatura é um líquido. Explicação - as pontes de hidrogénio constituem uma força de atracção particularmente elevada entre as moléculas de água, inibindo a sua separação e fuga na forma de vapor. 8

9 Momento dipolar - μ A água possue um elevado momento dipolar devido à distribuição assimétrica das cargas na molécula. μ=q.d μ =1.87 D (debye) x unidades electrostáticas Constante dieléctrica ε Constante dieléctrica da água (T=298 K) 78.5 A maior parte dos solventes vulgares têm constantes dieléctricas mais baixas: álcool metílico 32 álcool etílico 25 Os líquidos não polares têm constantes dieléctricas 2 (ex: CCl 4 2.2). Só alguns líquidos relativamente pouco correntes como solventes apresentam valores de constante dieléctrica da ordem do valor encontrado para a água: ácido cianídrico ácido sulfúrico 101 formamida

10 A constante dielétrica intervém na expressão de Coulomb para o potencial de interacção entre duas partículas carregadas (q 1 e q 2 ) F 1 q q = ε r ε - constante dieléctrica r - distância entre as cargas Assim, a força exercida entre duas cargas ou o trabalho para separá-las, num dado solvente, varia inversamente com ε. ε alcool etílico ε água wágua = = w alcool etílico

11 A polaridade da água muda completamente a altas temperaturas e pressão. O mesmo não ocorre com o etanol. P=218 atm; T> 374 o C (temperatura crítica): a água torna-se um fluido supercrítico. Nestas condições, a água reúne propriedades de gás (tal como a densidade) e de líquido (capacidade de dissolução). Além de dissolver substâncias polares e iónicas, a água supercrítica é capaz de dissolver praticamente todos os compostos apolares. 11

12 Densidade A água líquida é a única substância comum que se expande quando congela. No gelo, cada molécula de água está rodeada por outras quatro, formando uma rede cristalina característica. A rede cristalina apresenta grandes espaços hexagonais, que explicam a baixa densidade do gelo. água sólida água líquida 12

13 Aquecendo a água acima do seu ponto de fusão, a referida rede cristalina começa a ser destruída, sendo os espaços anteriormente vazios ocupados por algumas moléculas. Por isso se verifica a contracção de volume, que atinge um ponto máximo para a temperatura de 4 o C. 13

14 Tensão Superficial Tensão superficial da água 7.2 x 10 9 N (Newtons).m -1 A água líquida tem uma tensão superficial extremamente elevada, explicada pelas ligações por pontes de hidrogénio que mantêm as moléculas fortemente unidas. A tensão superficial de um líquido é a quantidade de energia requerida para reduzir ao mínimo a sua área superficial 14

15 A tensão superficial explica vários fenómenos: As gotas de água que se observam nas folhas ilustram bem a tensão superficial. As mais pequenas de todas constituem esferas perfeitas. As maiores são ovais, achatadas e as maiores de todas demasiado pesadas para serem sustentadas pela tensão superficial e, por isso, espalhamse. Alguns insectos como o alfaiate passeiam sobre a água devido à sua tensão superficial. 15

16 O fenómeno da capilaridade está relacionado com a tensão superficial: quando se introduz um tubo capilar em água, esta sobe espontaneamente pela parede do tubo, formando um filme fino e aderente. A explicação da capilaridade baseia-se na existência de dois tipos de forças que competem entre si forças intermoleculares de coesão entre moléculas iguais do líquido e forças intermoleculares de adesão entre moléculas do líquido e dipolos, como por exemplo o dipolo Si-O existente na superfície do vidro. 16

17 Calor Específico Calor específico - quantidade de energia necessária para aumentar de 1 ºC, uma unidade de massa duma substância. Calor específico da água J Valor mais alto de todas as substâncias conhecidas, com excepção da amónia líquida. Este valor tão elevado é devido ao arranjo molecular da água, que permite que os átomos de hidrogénio e oxigénio vibrem livremente, quase como se fossem iões livres. Assim, podem absorver grandes quantidades de energia sem que haja grandes aumentos de temperatura. Tende a manter a temperatura do organismo constante. Esta propriedade tem importantes consequências para o clima, visto que os oceanos podem acumular grandes quantidades de de energia solar e voltar a libertá-las sem que a sua tempratuar varie de modo apreciável, constituindo um regulador térmico em vastas superfícies do globo terrestre. 17

18 Calor de Vaporização Calor de Vaporização da água 2.25 kj.g-1 São necessários J para converter 1 g de água a 20 ºC, a 1 g de vapor de água a 20 ºC. O mais alto de todas as substâncias permite ser utilizada como um optimo meio para transferência de calor, como o suor, por exemplo. Uma consequência deste elevado calor latente de vaporização é que as folhas arrefecem sempre que perdem água por transpiração. 18

19 Ionização da água Condutividade da água = 0.04x10-6 ohm -1 cm -1 + O O O O O O + O O 19

20 Solubilidade Uma das características principais da água é a sua capacidade de dissolver quase todas as substâncias em quantidades superiores à maioria dos líquidos. A acção dissolvente da água depende de três tipos de interacções entre as moléculas de água e as moléculas de solutos: 20

21 Substâncias não ionizáveis, mas polares São substâncias que contêm oxigénio ou azoto na forma de grupos O, N 2, a sua solubilização é devida à formação de pontes de hidrogénio entre as suas moléculas e as da água. etanol 21

22 Substâncias ionizáveis A sua solubilidade deve-se ao carácter dipolar da água que lhe confere uma constante dieléctrica, isto é, a capacidade de neutralizar a atracção entre cargas electricas, muito elevada. Cada ião em solução tem como que uma concha de moléculas à sua volta. Esta concha actua como um campo de isolamento eléctrico que diminui a força de atracção entre iões com cargas opostas, mantendo-os afastados na solução. 22

23 Substâncias não polares Como por exemplo a alanina e outros amino ácidos neutros. Estes compostos dissolvem-se na água devido às forças de Van der Waals. 23

24 Conclusões Propriedades Particulares da Água como Solvente: Elevado momento dipolar Ligações intermoleculares (pontes de hidrogénio) Ionização (O -, 3 O + ) Estrutura compacta P. E. e P. F. elevados Efeito nivelador de solvente 24