UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÂNICA QUÍMICA INORGÂNICA FUNDAMENTAL I INTERAÇÕES INTERMOLECULARES Prof. Fabio da Silva Miranda e-mail: miranda@vm.uff.br Sala GQI 308, Ramal 2170
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.
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.
Uma comparação entre líquidos e sólidos
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.
Modelo molecular-cinético para a estrutura da matéria
Pressão de vapor
Transições entre os estados da matéria
Diagramas de fase
Diagramas de fase
Diagramas de fase da água
Diagramas de fase do CO2
Diagramas de fase do enxofre
Diagramas de fase do gelo a altas pressões
Ligação de hidrogênio no gelo
Representação das três fases da água Estrutura do gelo Estrutura da água líquida Evaporação a partir superfície da água
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.
Forças intermoleculares
Cristais líquidos Colesterol foi o primeiro composto reportado como cristal líquido
Forças entre os átomos Ligações covalentes dentro de uma molécula são muito mais fortes do que a atração entre as moléculas
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).
Resumos dos tipos de interação intermolecular
Forças intermoleculares
Forças intermoleculares
Forças íon-dipolo A interação entre um íon e um dipolo (por exemplo, água). A mais forte de todas as forças intermoleculares.
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.
Forças dipolo-dipolo
Interações dipolo-dipolo
Forças dipolo-dipolo
Dipolo induzido
Dipolo induzido
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).
Forças de dispersão de London entre os átomos de Ne
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.
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.
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.
Forças de dispersão de London
Forças de dispersão de London
Forças de dispersão de London
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.
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.
Ligação de hidrogênio
Ligação de hidrogênio
Ligação de hidrogênio
Ligação de hidrogênio
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.
Ligação de hidrogênio no HF
Hidratação de íons em água
A ligação de hidrogênio e a formação do Snowflake
Estrutura do DNA
Estrutura da b-pleated e a teia de aranha
Interpretação do orbital molecular da ligação de hidrogênio
Ligação de hidrogênio no HF
Ligação de hidrogênio
Claratos
Estrutura do KLEVAR 1965 Stephanie Kwolek (DuPont), USA
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;
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.
Interação total de atração
Interação total de atração
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.