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1 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Interações Interpartículas: Interações de van der Waals, Sólidos e Líquidos Prof. Gilson de Freitas Silva Capítulo 5: 5.1 a 5.12 (Atkins et al) Capítulo 6: 6.1, 6.5, 6.12 e 6.13 (Atkins et al) Capítulo 9: 9.8 a 9.13 (Atkins et al) 2 Figure 09.01c Representação de Lewis, Geometria, Arranjo e Polaridade 3 4 = 1,855 D 5 = 0 = 1,633 D = 0 = 0,60 D = 0,235 D 6 Interações Interpartículas – Interações de Van der Waals Interações interpartículas vs ligações químicas Interações interpartículas são muito mais fracas do que as ligações químicas (por exemplo, 16 kJ mol-1 versus 431 kJ mol-1 para o HCl). Sugestão: http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/forcas_intermoleculares.html. 7 Interações interpartículas dependem da distância entre as partículas. 8 Interações íon-dipolo (formação de soluções) 9 Alguns fatores devem ser avaliados: Interações soluto-soluto. Interações solvente-solvente. Interações soluto-solvente. Avaliação da variação de energia do processo. Por que uma solução é formada? 10 Preparando uma Solução de NaCl em H2O As ligações de hidrogênio da água têm que ser rompidas. O NaCl se dissocia em Na+ e Cl‒. Formam-se interações entre os íons e as moléculas de H2O. Como o solvente é a água, os íons ficam hidratados. 11 Entalpia de Dissolução E n ta lp ia Sólido Solução ΔHrede ΔHhidratação E n ta lp ia Sólido Solução ΔHrede Δhhidratação Processo Exotérmico DHsolução = DHrede + DHhidratação Processo Endotérmico 12 Entalpias de hidratação (ΔHhidratação), entalpias de rede (ΔHrede) e entalpias de solução para alguns halogenetos, em kJ mol-1 Composto ΔHrede ΔHhidratação ΔHsolução Solubilidade (g/100 g de H2O) LiCl + 861 - 898 ‒ 37 84,5 NaCl + 787 - 784 + 3 36,0 KCl + 717 - 701 + 16 35,5 LiBr + 818 - 867 ‒ 49 181 NaBr + 751 - 753 ‒ 2 94,6 KBr + 689 - 670 + 19 67,8 KI + 645 - 657 ‒ 12 148 AgCl + 916 - 850 + 66 2,54 10-9 ∆Gsolução = ∆Hsolução – T∆Ssolução 13 Fatores que afetam a solubilidade Interações Soluto-Solvente 14 Temperatura ∆Gsol = ∆Hsol – T∆Ssol 15 Temperatura e Pressão (Gases) 16 Ligação de Hidrogênio 17 Ligação de Hidrogênio 18 Ligação de Hidrogênio 19 Interações dipolo-dipolo Substância Massa Molar (g mol-1) Momento de Dipolo, (D) Temperatura de Ebulição (K) Propano, CH3CH2CH3 44 0,1 231 Éter dimetílico, CH3OCH3 46 1,3 248 Cloreto de metila, CH3Cl 50 1,9 249 Acetaldeído, CH3CHO 44 2,7 294 Acetonitrila, CH3CN 41 3,9 355 Substância T.E. (0C) HF 20 HCl - 85 HBr - 67 HI - 35 20 Interações dipolo instantâneo-dipolo induzido n-pentano T.E. = 309,4 K Neopentano T.E. = 282,7 K 21 Substância Massa Molar (g mol-1) Temperatura de Ebulição (K) F2 38,0 85,1 Cl2 71,0 238,6 Br2 159,8 332,0 I2 253,8 457,6 He 4,0 4,6 Ne 20,2 27,3 Ar 39,9 87,5 Kr 83,8 120,9 Xe 131,3 166,1 Interações dipolo instantâneo-dipolo induzido 22 Interações dipolo-dipolo induzido (soluções) 23 Algumas Propriedades dos Líquidos Viscosidade: Forças de Adesão e Coesão 24 Tensão Superficial A tensão superficial é um efeito físico que ocorre na interface entre duas fases. Esta propriedade é causada pelas forças de coesão entre moléculas, cuja resultante vetorial é diferente na interface. 25 Unidade formadora: íons. São duros, quebradiços, apresentam temperaturas de fusão e ebulição relativamente elevadas e condutividade ruim. Sólidos Iônicos 26 Unidade formadora: átomos. São geralmente muito duros, apresentam temperaturas de fusão e ebulição relativamente muito elevadas e condutividade ruim (grafite). Sólidos Covalentes 27 Sólidos Covalentes 28 Sólidos Covalentes 29 Unidade formadora: moléculas. São normalmente macios, apresentam temperaturas de fusão e ebulição relativamente baixas e condutividade ruim. Sólidos Moleculares 30 Unidade formadora: átomos. Podem ser macios ou duros, apresentam temperaturas de fusão e ebulição relativamente elevadas, boa condutividade elétrica e térmica, são maleáveis e dúcteis. Sólidos Metálicos 31 Ligação Química em Metais Algumas propriedades dos metais: condução eletrônica condução térmica maleabilidade Mobilidade dos elétrons de valência pela estrutura. 32 Ligação Química em Metais Modelo do gás eletrônico (Drude-Lorenz) Retículo de esferas rígidas (cátions) – forma arranjos cristalinos compactos. Elétrons mais externos se encontram muito longe do núcleo. Os metais possuem baixa energia de ionização (tornam-se cátions facilmente). A força de coesão seria resultante da atração entre os “cátions” no reticulado e a nuvem eletrônica deslocalizada. 33 34 Teoria de Bandas A sobreposição de infinitos orbitais atômicos em um sólido, produz infinitos orbitais moleculares com energias muito próximas formando uma banda praticamente contínua de níveis de energia. 35 Considerando orbitais semi-preenchidos: Li(s), Na(s) 36 Nível de Fermi: níveis eletrônicos de maior energia ocupados em um sólido à T > 0 K. 37 Considerando orbitais preenchidos: Be(s) 38 Condutores, Semicondutores e Isolantes Quatro tipos de bandas são possíveis: condutores isolantes semi- condutores 39 Condutores, Semicondutores e Isolantes Classificação Condutividade (S m-1) Condutor 107 – 105 Semicondutor 10-6 – 104 Isolante 10-10 – 10-20 = l / A R = condutividade l = comprimento A = área R = resistência 40 Intrínsecos Não contém impurezas em quantidades suficientes para alterar suas propriedades. Extrínsecos Contém pequenas quantidades de outras substâncias que podem modificar consideravelmente as propriedades do material. Semicondutores 41 Semicondutores do tipo n e p Dopagem com elementos que possuem mais elétrons em relação à matriz (dopagem de Si com As). Dopagem com elementos que possuem menos elétrons em relação à matriz (dopagem de Si com B). 42 Revisando Conceitos... Exercício 1. Classifique cada um dos seguintes sólidos como: iônico, molecular, covalente ou metálico. Indique a unidade formadora em cada caso. a) Quartzo b) Mármore (CaCO3) c) Gelo seco (CO2) d) Sacarose e) Latão f) Pirita de ferro Exercício 02. Explique as seguintes observações experimentais. a) A pressão de vapor do dietil-éter (C2H5OC2H5) é maior do que a da água. b) A viscosidade da glicerina (HOCH2CHOHCH2OH) é superior à viscosidade da água. c) A temperatura de ebulição da água é superior à temperatura de ebulição do etanol.
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