Sólidos, Líquidos e Forças intermoleculares

Transcrição

1 Sólidos, Líquidos e Forças intermoleculares #Fases da matéria Fase é qualquer forma na qual a matéria pode existir, sólido, líquido, gás, plasma, dependendo da temperatura e da pressão. É a parte homogênea de um sistema. A compressibilidade de líquidos e sólidos, a mudança do volume devido a mudança da pressão é muito pequena, comparada com gases. Se a amostra acima de N 2 for evaporada, 25 o C e 1atm, então irá ocupar um recipiente de volume maior que 200L. A condensação das moléculas de N 2 é devida as forças intermoleculares. 1

2 #Momento dipolar Moléculas polares experimentam uma força com relação a um campo elétrico, o qual tende a alinhar de acordo com o campo. Numa molécula polar a densidade eletrônica é distorcida. Quando um campo elétrico é criado por um par de terminais carregados, o lado negativo da molécula será atraído pelo terminal positivo e o lado positivo da molécula pelo terminal negativo. A extensão com que as moléculas se alinham com o campo depende do chamado momento dipolar, m, o qual é definido com o produto da magnitude das cargas parciais (δ+ e δ-) e a distância que separa as cargas. A unidade SI do momento dipolar é o Coulomb-metro, e a unidade mais utilizada é o Debye (D), onde 1D=3,34x10-30 C.m). 2

3 #interações entre íons e moléculas com momento dipolar permanente A força da atração íon-dipolo irá depender de alguns fatores: - A distância entre o íon e o dipolo, quanto mais próximo maior a atração - A carga do íon, quanto maior a carga do íon maior será a atração - A magnitude do dipolo permanente, quanto maior o momento dipolar maior a atração. Exemplo: A água é uma molécula polar. Então se a molécula de água encontra um íon haverá uma força de atração. Quando cargas positivas e negativas são atraídas, energia é liberada na formação do produto da ligação iônica. Íons metálicos ligados a moléculas de água são ditos hidratados. A energia para este processo é chamada de calor ou entalpia de hidratação. Para o caso de um solvente genérico, temos a entalpia de solvatação. No caso da interação íon-dipolo a energia depende da distância e da carga do íon, variando com 1/d 2. 3

4 -1090 (H 3 O) +, íon hidrônio Mg 2+ 86pm -1922kJ/mol - tamanho da carga iônica. H + Mg 2+ tem maior carga e menor raio iônico, portanto a energia de hidratação será muito mais negativa. Íon sódio envolvido por moléculas de água, devido a interação íon-dipolo. #Interações entre moléculas de momento dipolar permanente Quando moléculas polares encontram outras moléculas polares, pode ocorrer interação, o lado positivo atrai o negativo e vice-versa. Em geral, energia é liberada nesta interação. 4

5 Condensação do HCl, uma molécula polar, com o abaixamento da temperatura (-85 o C) as interações dipolo-dipolo superam as forças repulsivas. #Ligação de Hidrogênio Quando temos um átomo de hidrogênio ligado a um átomo X eletronegativo, a interação entre o dipolo da ligação H-X e as moléculas polares é maior que o esperado para atrações comuns de dipolo-dipolo. Essa forte atração é denominada de Ligação de Hidrogênio. Vejamos as eletronegatividades: N(3,0) O(3,5) e F(4,0), essas são as maiores eletronegatividades, enquanto que H é 2,1. Portanto, as ligações covalentes H-N, HF, e HO são as mais polares. As moléculas de dimetil éter e etanol têm a mesma massa molecular e momentos dipolares próximos. Entretanto, os seus pontos de fusão e ebulição são bastante diferentes, como mostra a tabela abaixo. Momento dipolar (D) Ponto de fusão ( o C) Ponto de ebulição ( o C) Etanol, 1,69-114,1 78,29 C 2 H 5 -OH Dimetil éter, CH 3 -O-CH 3 1,30-141,5-24,8 Esta variedade de temperaturas de fusão e ebulição pode ser entendida da seguinte forma. Quando líquidos entram em ebulição, forças intermoleculares têm que ser 5

6 rompidas para que as moléculas se separem. Portanto, podemos concluir do fato de que as temperaturas de fusão e ebulição são maiores no etanol do que no éter, significa que as forças intermoleculares no etanol são maiores que no dimetil éter. O etanol tem ligações O-H portanto podemos encontras ligações de hidrogênio em etanol. Se extrapolarmos a linha que passa po H 2 S, H 2 Se e H 2 Te, o ponto de ebulição da água seria de 90 o C, ou seja 200 o C abaixo do valor. #Água Propriedade Comparação com outras substâncias Calor A maior dos líquidos e sólidos, específico com exceção do NH 3 4,181J/g.K Calor de fusão 333J/g Importância Previne mudanças bruscas de temperatura; troca de calor por movimento da água é bastante grande; mantém a temperatura do corpo. O maior, com exceção do NH 3 Efeito termoestático no ponto de congelamento devido a absorção ou perda de calor Calor de vaporização 2250J/g Tensão Maior de todos os líquidos superficial 7,2x10 9 N/m Condução de Maior de todos os líquidos calor Viscosidade Menor que outros líquidos a 10-3 N.s/m 2 mesma temperatura Constante A maior de todos os líquidos dielétrica 80 exceto H 2 O 2 e HCN a 20 0 C Maior de todos as substâncias Importante na troca de calor e água com a atmosfera Importante na fisiologia das células; controla certos fenômenos de superfície e o comportamento e formação de gotas Flui facilmente para igualar a pressão Capacidade de manter íons separados em uma solução 6

7 As densidades da água líquida e sólida são diferentes, assim como em outras substâncias. Entretanto a densidade da água varia com a temperatura de uma maneira diferente das outras substâncias. Quando a água funde a 0 o C ocorre um aumento da densidade, e a densidade do líquido aumenta ainda mais até chegar a 4 o C onde atinge o máximo. Aumentando ainda mais a temperatura a densidade irá cair, com a ruptura das ligações de hidrogênio. Nos lagos, quando se aproxima o inverno, a água resfria, a densidade aumenta a água gelada vai para baixo e a água quente para cima. Ao atingir 4 o C, a densidade máxima é atingida. Abaixando ainda mais a temperatura, como a água mais gelada que 4 o C, é menos densa que a água a 4 o C, a água mais gelada permanece no topo. Com mais perda de calor o gelo se forma na superfície, flutuando protegendo a água mais inferior de ser congelada. As ligações de hidrogênio são responsáveis da alta capacidade térmica da água, e em parte essa é a razão dos lagos e oceanos terem um enorme efeito no clima. Forças de Dispersão São as forças intermoleculares mais comuns encontradas em todas as substâncias moleculares, tais forças são de natureza eletrostática (cargas), envolvendo dipolos 7

8 induzidos. Um exemplo é o iodo, I 2, o qual é não polar e no entanto se solidifica em condições normais, além de ser solúvel na água. #Interação entre moléculas polares e não polares. dipolo permanente dipolo induzido dipolo/dipolo induzido. O processo de induzir um dipolo é chamado de polarização. O grau em que a nuvem eletrônica de uma espécie pode ser distorcida e o dipolo induzido é chamado de polarizabilidade. #Interação entre moléculas não polares. 8

9 As forças de dispersão geralmente tornam-se mais fortes com o aumento do tamanho e da massa. Forças intermoleculares fortes significam que será necessária uma maior temperatura para romper estas forças e, assim permitir que moléculas deixem o líquido e passem para a fase vapor. 9

10 10