Estrutura da Matéria Profª. Fanny Nascimento Costa (fanny.costa@ufabc.edu.br) Aula 12 Forças intermoleculares
Estrutura da Matéria A pergunta que começou nossa jornada: DO QUE TUDO É FEITO? RESPOSTA: depende do gosto do freguês...
Estrutura da Matéria Do ponto de vista químico, uma resposta adequada seria:
Estrutura da Matéria Do ponto de vista físico, mais fundamental, a resposta mais correta seria:
Estrutura da Matéria Mas esta é só uma pergunta. Outra, tão interessante quanto, é a seguinte: POR QUÊ átomos/partículas elementares se organizam de forma tão complexa e variada? RESPOSTA as diferentes interações entre as partículas elementares
Interações elementares FORÇA INTERAÇÃO A noção de interação está significa basicamente aquilo que conhecemos, na física de Newton, como força, isto é, uma influência exercida por um corpo sobre o outro. Sabemos, pela 3ª lei de Newton, que esta influência sempre é recíproca. interação (s. f.) 1. Influência recíproca de dois ou mais elementos. ( ) 3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre duas partículas. fonte: www.priberam.pt/dlpo
Interações elementares Para os assuntos que estamos discutindo nesta curso, a interação mais fundamental é a eletromagnética. Ela é reponsável por manter a estrutura do átomo, e por provocar ligações químicas. Ou seja, a interação eletromagnética é reponsável por isso:
Interações elementares por isso: A vida depende necessariamente de um conjunto extremamente complexo de reações químicas. Por isto, a existência da interação eletromagnética é também, em última instância, o que propicia a existência da vida.
Forças intermoleculares A interação que mantem átomos unidos numa molécula (ligação química) é chamada interação intramolecular. interação intramolecular LIGAÇÃO QUÍMICA Existem interações mais fracas (por exemplo, 16 kj mol -1 versus 431 kj mol -1 para o HCl), responsáveis por manter as moléculas unidas. São interações intermoleculares. A força destas interações vai definir a forma como um conjunto macroscópico de moléculas vai se organizar: estado físico ESTADOS FÍSICOS interação intermolecular
Forças intermoleculares Os processos em que forças intramoleculares governam correspondem as TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS Quando uma substância funde ou entra em ebulição, forças intermoleculares são vencidas, correspondendo a TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS
Polaridade das Moléculas Eletronegatividade é a capacidade de um átomo em atrair os elétrons que participam de uma ligação covalente. Numa ligação covalente envolvendo dois átomos com diferentes eletronegatividades, a ligação torna-se polar.
Polaridade das Moléculas A medida da polaridade é o momento de dipolo elétrico. Trata-se de uma grandeza vetorial, que aponta no sentido da concentração de cargas positivas para a de cargas negativas. Considere a molécula de dióxido de carbono: CO 2. Qual o formato espacial desta molécula? Estrutura de Lewis: O = C = O Duas ligações, sem pares isolados: formato linear.
Polaridade das Moléculas O oxigênio é mais eletronegativo que o carbono, logo cada ligação C = 0 possui um momento de dipolo apontando para o oxigênio. Devido ao formato da molécula, contudo, os momentos de dipolo se anulam. A molécula como um todo é apolar. Isso embora exista concentração maior de elétrons em torno dos O, e portanto uma maior concentração de carga positiva no centro da molécula.
Polaridade das Moléculas No caso do H 2 O, o oxigênio possui pares solitários, logo a formato da molécula é tetraédrico. Os momentos de dipolo não se cancelam. A molécula de água é polar.
Polaridade das Moléculas Há dois formatos moleculares possíveis para o composto C 2 H 2 Cl 2. Qual deles apresenta maior polaridade? MAIOR POLARIDADE
Polaridade das Moléculas O tetraclorometano é uma molécula polar? NÃO O triclorometano é uma molécula polar? SIM
O conhecimento sobre a polaridade das molécula é crucial para entender porque elas se organizam em diferentes fases: sólidos líquidos gases Polaridade das Moléculas
Forças intermoleculares GASES Como já discutimos, num gás as moléculas interagem muito fracamente, e estão muito longe uma das outras. Assumem a forma do recipiente, são muito compressíveis. LÍQUIDOS Num líquido, as moléculas são mantidas próximas por forças de atração que se tornam importantes. Contudo, as forças não são suficientes para mantê-las em posições fixas. Assumem a forma do recipiente, fluem, são pouco compressíveis. SÓLIDOS As forças de atração são tão grandes que os átomos ficam próximos, fixos em suas posições. Forma fixa, podem ser maleáveis ou quebradiços dependendo do tipo de ligação.
Forças intermoleculares Como explicar as Forças Intermoleculares? Forças eletromagnéticas, resultantes de interações coulombianas Forças relativamente mais fracas em comparação com as forças envolvidas na ligação iônica, para a qual E p q 1q 2 r (íon íon) Agem entre as moléculas ou entre regiões distantes da mesma molécula Responsáveis pela formação de líquidos e sólidos e por suas propriedades físicas
Forças intermoleculares Atração ion-ion é a mais forte, é responsável pelas ligações iônicas. Justamente por isso, compostos iônicos são tipicamente sólidos, com elevados pontos de fusão. Todas as demais interações são mais fracas.
Interação íon-dipolo Um íon mergulhado numa substância polar como a água atrai os dipolos com uma interação bastante forte: íon-dipolo. E p 1 r 2 A interação íon-dipolo faz com que um íon esteja sempre rodeado por várias moléculas ao seu redor.
alcance mais curto que numa interação íon-íon age a distâncias menores. energia envolvida é menor que numa interação íon-íon cargas parciais pequenas atração e repulsão ocorrem ao mesmo tempo (cargas parciais de sinais opostos em partes diferentes) solvatação: cátions e ânions num sólido interagem com vizinhos mais próximos (atração e repulsão ao mesmo tempo) devido a isto, embora menores, as forças íon-dipolo conseguem separar os íons interações íon-dipolo mais intensas quanto menor o íon e maior a carga íons menores e de carga maior freqüentemente formam compostos hidratados íons menores Interação íon-dipolo possibilidade de maior aproximação interação íon-dipolo mais intensa maior carga >>>> interação íon-dipolo mais intensa E p 1 r 2
Forças de van der Waals Forças de van der Waals são forças de caráter mais fraco do que as interações íon-dipolo. Forças de van der Waals Dipolo-dipolo Ligações Hidrogênio Forças de London 0,3 a 20 kj mol -1 (Forças de Interação Fracas)
Interação dipolo-dipolo (sólidos) moléculas com momento de dipolo permanente se atraem interação entre as cargas parciais de seus momentos de dipolo: maior polaridade >>>> maior interação ambas as orientações ao lado conduzem a estado de menor energia. E p μ 1μ 2 r 3 Num sólido, dois dipolos tendem a se alinhar lado-a-lado, ou em fileira, aproximando sempre as concentrações de cargas positivas com as de cargas negativas. Energia ~ 2 kj / mol São dominantes para moléculas polares (exceto no caso de pontes de Hidrogênio!)
Interação dipolo-dipolo (líquidos e gases) No caso de gases ou líquidos, os dipolos estão em constante movimento relativo incluindo rotação. Isso faz com que durante boa parte do tempo, os pólos dos dipolos não estejam alinhados de forma atrativa. Ainda assim, o dipolo permanece um pouco mais de tempo nas posições acinzentadas, e uma força dipolo-dipolo bem mais fraca aparece: Energia ~ 0.3 kj/mol E p 1 r 6 significante apenas a distâncias muito curtas (gás ideal boa aproximação a baixas pressões)
Interação dipolo-dipolo (líquidos e gases) A intensidade da interação dipolo-dipolo explica o ponto de fusão de diferentes substâncias. Quando em estado líquido, estas forças de atração mantém as moléculas próximas umas das outras, embora livres para se movimentar. Lembre-se: temperatura está associada ao movimento contínuo das moléculas. A ebulição (passagem do estado líquido para o gasoso) acontece quando a temperatura é tal que a energia cinética das moléculas sobrepuja a energia da ligação. As moléculas passavam a voar livremente. Quanto mais polares forem as moléculas envolvidas, maior será o ponto de fusão, pois mais forte é a interação dipolo-dipolo.
Interação dipolo-dipolo (líquidos e gases) Qual destas substâncias tem maior ponto de ebulição? 174ºC 180ºC
Interação intermoleculares
Forças de dispersão de London Observa-se que há interações entre moléculas apolares compostos apolares podem ser liquefeitos e solidificados: gases nobres e hidrocarbonetos (gasolina) I 2 é sólido a temperaturas normais N 2 é líquido a baixas temperaturas dipolo transiente: flutuações na distribuição eletrônica resulta em momentos de dipolo instantâneos que se atraem mutuamente (força atrativa)
Forças de dispersão de London E p α 1α 2 r 6 intensidade da interação dada pela polarizabilidade (α): medida da facilidade com que a nuvem eletrônica pode ser distorcida dipolo instantâneo numa molécula induz dipolo instantâneo em outra molécula interações presentes em todas as moléculas: moléculas polares: além de interações dipolo-dipolo, soma-se a contribuição das forças de London moléculas apolares: interagem exclusivamente através das forças de London quanto mais intensas as forças intermoleculares, mais altos os pontos de fusão e ebulição
Forças de dispersão de London E p α 1α 2 r 6 dependem também da forma da molécula C 5 H 12 moléculas mais esféricas resultam em uma menor região disponível para interação
Forças de dispersão de London Temperatura ambiente: Pentano (C 5 H 12 ): é um líquido pouco viscoso. Pentadecano (C 15 H 32 ) é um líquido bastante viscoso. Octadecano (C 18 H 38 ) é um sólido. C 5 H 12 C 15 H 32 C 18 H 38 As intensidades das forças de London aumentam com a massa molar.
Ligações de hidrogênio Forças de London não explicam comportamento anômalo de NH 3, HF e H 2 O no gráfico abaixo. Pontos de ebulição de compostos X H n No caso de compostos da forma XH n, percebe-se uma anomalia quando o H está ligado a átomos muito eletronegativos.
Ligações de hidrogênio Caso especial de forças dipolo-dipolo. Energia envolvida: muito intensa, quando ocorrem, dominam todos os outros tipos de interação intermolecular Momento de dipolo de compostos com ligações H-F, H-O e H-N são anomalamente altos : forças intermoleculares são anomalamente fortes. Ocorre entre moléculas que têm H ligado a um elemento muito eletronegativo (mais importante para compostos de F, O e N). Os elétrons na H-X (X = elemento muito 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. Como o átomo de H é pequeno, consegue se aproximar muito da parte negativa das moléculas. Conseqüentemente, as ligações de H são fortes.
Ligações de hidrogênio
Ligações de hidrogênio: H 2 O Oxigênio: fortemente eletronegativo próton quase desprovido de elétron; Hidrogênio: carga parcial positiva atraído por um dos pares isolados no oxigênio da outra molécula Hidrogênio, muito pequeno, pode ficar bem próximo do par isolado interação forte que leva ao estabelecimento de uma ligação ligação de hidrogênio é indicada por seqüência de pontos ( ) d(o H) < d(o H) Exemplo: no gelo: d(o H) 101 pm d(o H) 175 pm
Água líquida: mais densa que gelo Ligações de hidrogênio: H 2 O
Tipos de Interações Formação de Fases Condensadas Tipo de Interação Energia (kj/mol) Espécies que interagem Íon-íon 250 Somente íons Íon-dipolo 15 Íons e moléculas polares Dipolo-dipolo 2 0,3 Moléculas polares Forças de van der Waals Dispersão de London (dipolos instantâneos) Ligação de Hidrogênio 2 4 25 Todos os tipos de moléculas N, O, F, ligados a um átomo de H compartilhado
Intensidade das forças intermoleculares Ligações Iônicas Forças íon-dipolo Forças de van der Waals Ligação Hidrogênio Forças dipolo-dipolo Forças de London
Interações intermoleculares
Exercícios Recomendados 1. Em uma tabela de propriedades físicas dos compostos orgânicos, foram encontrados os dados abaixo para compostos de cadeia linear. Estes compostos são etanol, heptano, hexano e 1-propanol, não necessariamente nesta ordem. Dados: Etanol: H 3 C H 2 C OH Heptano: H 3 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C CH 3 Hexano: H 3 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C CH 3 1-propanol: H 3 C H 2 C H 2 C OH Quais são os compostos I, II, III e IV?
2. Que tipo de ligações/interações são rompidas quando as seguintes substâncias passam do estado líquido para o estado gasoso? a) Gás hidrogênio? b) Água? c) Amônia? d) Metano? Exercícios Recomendados 3. Ordene as seguintes substâncias em ordem crescente de ponto de ebulição: a) CH 4 b) CH 3 CH 2 OH c) CH 3 CH 2 CH 2 OH d) CH 3 CH 3 e) HO CH 2 CH 2 OH
Exercícios Recomendados 4. Considere o gráfico abaixo. Por que a água tem maior ponto de ebulição? 5. Explique como é formada um aligação de hidrogênio. 6. Qual o tipo de ligação responsável pelas atrações intermoleculares nos líquidos e sólidos constituídos de moléculas apolares? 7. A geometria molecular e a polaridade das moléculas são conceitos importantes para predizer o tipo de força de interação entre elas. Dentre os compostos moleculares nitrogênio, dióxido de enxofre, amônia, sulfeto de hidrogênio e água, quais aqueles que apresentam o menor e o maior ponto de ebulição.
Bibliografia Princípios de Química, Questionando a vida moderna e o meio ambiente, Peter Atkins e Loretta Jones - Capítulo 5.