Prática 2 Forças Intermoleculares

Transcrição

1 Universidade Federal do ABC Disciplina: Laboratório de Transformações Químicas Prática 2 Forças Intermoleculares Hueder Paulo M. de Oliveira Santo André - SP

2 Dica Os grupos devem trazeruma moeda

3 Tópicos relativos à aula: Ligações Químicas, Interações Intermoleculares, Reações Químicas. Atividade pré-aula: Preparação da prática. Atividade pós-aula: Responder às questões no relatório. Referência: Rocha, W. R., Interações Intermoleculares, Química Nova na Escola, Cadernos Temáticos, 2001, 4,

4 Ao se explicar a solubilidade de sais em determinado solvente, uma interpretação bastante simples geralmente é apresentada: semelhante dissolve semelhante. Colocando em termos um pouco mais apurados, esta frase significa: Solvente polar dissolve composto polar. Solvente apolar dissolve composto apolar. Esta simplificação sobrevive, em grande parte, pelo fato de que alguns compostos empregados em nosso cotidiano satisfazem tal condição, como por exemplo, quando se dissolve o sal de cozinha em água ou quando se usa uma mistura de hidrocarbonetos como a aguarrás para limpar a mão com graxa. Entretanto, esta interpretação não encontra suporte na teoria atual sobre a estrutura atômica e sobre o modelo de ligação química, e é isto que verificaremos na aula de hoje.

5 Solventes e Reagentes Disponíveis: Água Etanol Glicerol Parafina Hexano Metanol Isopropanol

6 TAREFA: Empregando os solventes e compostos disponibilizados para esta prática, realize uma série de testes de solubilidade que demonstrem que, apesar da interpretação semelhante dissolve semelhante ser válida para alguns casos, ela não explica todos os resultados observáveis e, ainda, pode se mostrar contraditória. Considerações: Para os testes de solubilidade, use aproximadamente 2 ml do solvente que desejar analisar. Não precisa ser um volume exato. Coloque o solvente em um tubo de ensaio. Adicione ao tubo uma pequena quantidade do composto que desejar analisar (somente uma ponta de espátula para os sólidos finos e apenas bolinha no caso do iodo (I 2 )). Se desejar aquecer a mistura, utilize um banho quente disponível durante a aula.

7 Solubilidade e Polaridade

8 Polaridade de Moléculas: MOLÉCULA APOLAR R = 0 Em uma molécula apolar o vetor momento dipolar resultante (R ) é igual a zero. Ex: CO 2 O = C = O O C O r = Zero

9 MOLÉCULA POLAR R 0 Em uma molécula polar, o vetor momento dipolar resultante (R) é diferente de zero. Ex: H 2 O O O r Zero (polar) H H H H

10 Diga se as moléculas abaixo são polares ou apolares: a) Metanol ( CH 3 OH) b) Tetracloreto de carbono ( CCl 4 ) c) Amônia ( NH 3 ) d) Clorofórmio ( CHCl 3 )

11 Princípio Geral da Solubilidade: ( semelhante dissolve semelhante ) Substâncias polares são solúveis em substâncias polares (H 2 O + NH 3 ) e substâncias apolares são solúveis em substâncias apolares (CH 4 + I 2 ).

12 Forças Intermoleculares: I- Interações Dipolo Instantâneo - Dipolo Induzido (Forças de Van Der Waals ou Forças de London): São interações que ocorrem entre moléculas apolares ou gases nobres nos estados sólido e líquido. Exemplos: I 2 (s), C 6 H 6 (l), Ar(s)

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14 II-Interações Dipolo - Dipolo Permanente: São interações que ocorrem entre moléculas polares. Exemplo: molécula do HCl

15 III- Ligação de Hidrogênio:

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19 Intensidades das Forças Intermoleculares: Ligação de Hidrogênio > Dipolo - Dipolo Permanente > Dipolo Induzido

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22 Relação entre as Forças Intermoleculares e os Pontos de Fusão e Ebulição: Dois fatores influenciam os PF e PE das substâncias: O tamanho das moléculas: Quanto maior a superfície, maior o número de interações entre as moléculas vizinhas, o que implica em maiores PF e PE. A intensidade das forças intermoleculares: Quanto mais intensas as atrações intermoleculares, maiores serão os PF e PE.

23 Por que as propriedades da superfície são diferentes das propriedades do interior do material? As interações entre as moléculas no interior da fase condensada são diferentes das interações existentes entre as moléculas da superfície dessa fase em contato com outra fase (gasosa, líquida ou sólida). Resultante das forças é igual a zero Resultante das forças é diferente de zero Força (F) exercida por unidade de distância (l): F l Interação entre as moléculas de um sistema condensado (líquido ou sólido) = tensão superficial do líquido, devido a esse desbalanceamento da resultante das forças intermoleculares na superfície. A tensão superficial atua como uma força que se opõe ao aumento da área do líquido

24 Observações O sabão não reforça a bolha, mas estabiliza pelo mecanismo chamado de Efeito Marangoni (deslocamento provocado por diferenças de tensão (energia) superficial). Esticando a película de sabão, a concentração de sabão diminui, aumentando a tensão superficial. Assim, o sabão reforça seletivamente partes mais frágeis da bolha e impede a extensão. Da lei de Laplace decorre que, sendo constante a tensão superficial, a pressão manométrica diminui conforme aumenta o raio de curvatura da membrana. Em bolhas de sabão, por exemplo, a tensão superficial da mistura de água com sabão é uma propriedade exclusiva dessa mistura: independe do raio e, portanto, do volume da bolha. Desta forma, quanto maior é o raio da bolha de sabão, tanto menor é a pressão manométrica no seu interior. Logo que duas bolhas de sabão aderem uma na outra, e se interconectam permitindo a passagem de ar entre elas, a bolha menor se esvazia e a grande infla. A soma dos volumes iniciais das duas bolhas é menor do que o volume da bolha única que se forma no final.

25 Para um volume de 1 cm 3, qual sólido apresenta menor área? Esfera V A 4 r 3 4 r 2 3 Cubo V A l 3 6l 2 Paralelepípedo V abc onde : a 1 cm e b 2 cm A 2( ab bc ac)

26 Esfera: possui a menor área para qualquer volume dado Ex.: para um volume de 1,0 cm 3 Esfera: V dv dr 4 r r r 3 3 A 4r 2 r 0,62cm A = 4,8 cm 2 Cubo: V A l 3 6l 2 1 l 3 A 6cm 2 l 1,0 cm Paralelepípedo: V 1 1x2c A A abc onde : a c 2( ab bc ac) 1cm 0,50cm 2(1x 2 2x0,50 1x0,50) Se nenhuma força estiver agindo sobre um líquido, ele assumirá a forma esférica. e b 2cm A 7cm 2

27 Uma bolha é formada por duas lâminas superficiais esféricas muito próximas entre sí. Consideremos a metade da bolha e busquemos as forças que mantém essa porção em equilíbrio. A força que origina a diferença de pressão é F 1 = (p-p 0 ) p R 2 Força originada pela tensão superficial A metade esquerda da bolha (não representada) exerce uma força para a esquerda igual a duas vezes a tensão superficial pelo perímetro (flechas vermelhas na figura) F 2 =2g 2p R No equilíbrio F 1 =F 2 a diferença de pressão é tanto maior quanto menor é o raio R. Esta expressão é um caso particular da denominada lei de Laplace. O fator quatro aparece por que uma bolha de sabão tem dos faces: interna e externa. No caso de uma gota de água, somente há uma face por que a diferença de pressão é reduzida a metade.

28 INTERFACES ENTRE FASES LÍQUIDA E SÓLIDA Molhabilidade Aumentando-se um pouco a área da superfície líquida, a interface sólidolíquido aumenta de da sl : da sl da sv e da da lv sl cos A variação da energia livre de Gibbs da interface sólido-líquido será: dg dg dg sv sv dg da da ( da sv sl sv da ( sl da sl sl lv ) lv sv lv lv da da ( da sl lv sl sl sl cos ) da cos da cos ) sl sl sl sl Considerando a situação de equilíbrio, dg = 0, então: sl sv lv cos 0 Equação de Young-Dupré

29 Tensão Superficial, um efeito no interior da camada superficial de um líquido que faz com que a camada se comporte como uma folha elástica

30 Tensão Superficial como uma Força causada pela atração entre as moléculas do líquido por várias forças intermoleculares

31 Tensão Superficial Depende Diretamente das forças intermoleculares na solução Depende Inversamente da temperatura de líquido metálico > líquido iônico > líquido covalente

32 CONSEQUÊNCIA DA TENSÃO SUPERFICIAL (DAS FORÇAS DE ADESÃO E COESÃO) Formação de gotas Uma gota de um líquido no ar tende a ser esférica para minimizar a sua superfície. Por isso as gotas de um líquido têm a forma esférica na ausência da gravidade. Uma esfera é a forma geométrica com menor superfície por unidade de volume S V S V 4 R 2 4 R 3 3 R 3

33 FORMAÇÃO DE GOTAS Formação de gotas Enquanto a gota NÃO for suficientemente grande, a tensão superficial é suficiente para contrabalançar a força gravítica, impedindo a separação da gota do resto do líquido A gota separa-se quando o seu peso igualar a força de tensão superficial que a segura No equilíbrio Peso da gota tensão superficial

34 Fatores que afetam a solubilidade Interações soluto-solvente Os líquidos polares tendem a se disssolver em solventes polares. Líquidos miscíveis: misturam-se em quaisquer proporções. Líquidos imiscíveis: não se misturam. As forças intermoleculares são importantes: água e etanol são miscíveis porque as ligações de hidrogênio quebradas em ambos os líquidos puros são reestabelecidas na mistura. O número de átomos de carbono em uma cadeia afeta a solubilidade: quanto mais átomos de C, menos solúvel em água.

35 Fatores que afetam a solubilidade Interações soluto-solvente O número de grupos -OH dentro de uma molécula aumenta a solubilidade em água. Generalização: semelhante dissolve semelhante. Quanto mais ligações polares na molécula, mais facilmente ela se dissolve em um solvente polar. Quanto menos polar for a molécula, mais dificilmente ela se dissolve em um solvente polar e melhor ela se dissolve em um solvente apolar.

36 Fatores que afetam a solubilidade Interação soluto-solvente

37 Fatores que afetam a solubilidade Interações soluto-solvente Efeitos da pressão A solubilidade de um gás em um líquido é uma função da pressão do gás.

38 Fatores que afetam a solubilidade Efeitos da pressão

39 Fatores que afetam a solubilidade Efeitos da pressão Quanto maior a pressão, mais próximas as moléculas de gás estarão do solvente e maior a chance da molécula de gás atingir a superfície e entrar na solução. Conseqüentemente, quanto maior for a pressão, maior a solubilidade. Quanto menor a pressão, menor a quantidade de moléculas de gás próximas ao solvente e menor a solubilidade. Se S g é a solubilidade de um gás, k é uma constante e P g é a pressão parcial de um gás, então, a Lei de Henry nos fornece: S g = kp g

40 Fatores que afetam a solubilidade Efeitos da pressão As bebidas carbonadas são engarrafadas com uma pressão parcial de CO 2 > 1 atm. Ao abrirmos a garrafa, a pressão parcial de CO 2 diminui e a solubilidade do CO 2 também diminui. Conseqüentemente, bolhas de CO 2 escapam da solução.

41 Fatores que afetam a solubilidade Efeitos de temperatura A experiência nos mostra que o açúcar se dissolve melhor em água quente do que em água fria. Geralmente, à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade dos sólidos aumenta. Algumas vezes, a solubilidade diminui quando a temperatura aumenta (por exemplo Ce 2 (SO 4 ) 3 ).

42 Fatores que afetam a solubilidade Efeitos de temperatura A experiência nos mostra que as bebidas carbonadas ficam insípidas ao serem aquecidas. Conseqüentemente, os gases se tornam menos solúveis à medida que a temperatura aumenta. A poluição térmica: se os lagos se aquecem muito, o CO 2 e o O 2 tornamse menos solúveis e ficam indisponíveis para as plantas ou animais.

43 Algumas propriedades dos líquidos Viscosidade Viscosidade é a resistência de um líquido em fluir. Um líquido flui através do deslizamento das moléculas sobre outras. Quanto mais fortes são as forças intermoleculares, maior é a viscosidade. Tensão superficial As moléculas volumosas (aquelas no líquido) são igualmente atraídas pelas suas vizinhas.

44 Pressão do vapor Explicando a pressão de vapor no nível molecular Equilíbrio termodinâmico: o ponto em que tantas moléculas escapam da superfície quanto as que atingem. A pressão de vapor é a pressão exercida quando o líquido e o vapor estão em equilíbrio dinâmico. Volatilidade, pressão de vapor e temperatura Se o equilíbrio nunca é estabelecido, então o líquido evapora. As substâncias voláteis evaporam rapidamente.

45 Pressão do vapor Volatilidade, pressão de vapor e temperatura Quanto mais alta for a temperatura, mais alta a energia cinética média, mais rapidamente o líquido evaporará.

46 Sugestão de leitura 1) Cláudia Rocha Martins*, Wilson Araújo Lopes e Jailson Bittencourt de Andrade, SOLUBILIDADE DAS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS, Quim. Nova, 2013, 36, ) Luciana Almeida Silva, Cláudia Rocha Martins e Jailson Bittencourt de Andrade, POR QUE TODOS OS NITRATOS SÃO SOLÚVEIS? Quim. Nova, Vol. 27, No. 6, , ) Cláudia Rocha Martins, Luciana Almeida Silva e Jailson Bittencourt de Andrade, SULFETOS: POR QUE NEM TODOS SÃO INSOLÚVEIS?, Quim. Nova, Vol. 33, No. 10, , ) Willian R. Rocha, Interações intermoleculares, Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola N 4 Maio ) OLIVEIRA, S.R., GOUVEIA, V.P., QUADROS, A.L. Uma Reflexão sobre aprendizagem escolar e o uso do conceito de solubilidade/miscibilidade em situações do cotidiano: concepções dos estudantes, Química Nova na Escola, v.31, n.1, p.23-30, 2009.