Forças Intermoleculares e Sólidos

Prévia do material em texto

[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   90	
  	
  
	
  	
  
FORÇAS INTERMOLECULARES 
INTRODUÇÃO 
• Os estados sólido e líquido são mais densos do que o estado gasoso. 
• O estado sólido e líquido apresentam densidades muito próximas 
o geralmente o estado sólido é um pouco mais denso 
§ exceção: o gelo é menos denso do que a água líquida 
• As moléculas no estado sólido e líquido estão em contato próximo uma com as outras, 
enquanto que as moléculas gasosas encontram-se distantes uma das outras. 
• As moléculas gasosas dispõem de total liberdade de movimentos. 
o Sua energia cinética supera as forças atrativas entre as moléculas; 
• As moléculas em um sólido ocupam posições fixas, elas não podem se deslocar. 
o embora vibrem, elas não possuem energia cinética suficiente para superar as 
forças atrativas; 
• As moléculas em um líquido dispõem de liberdade limitada - elas podem se mover um 
pouco dentro da estrutura do líquido 
o as moléculas apresentam energia cinética suficiente para superar algumas das 
forças atrativas, mas não o suficiente para se desligarem umas das outras. 
• As propriedades de sólidos, líquidos e gases pode ser explicada com base na energia 
cinética das moléculas e as forças atrativas que atuam entre elas. 
• A energia cinética tenta fornecer liberdade de movimento às moléculas. 
o Graus de liberdade = translacional, rotacional, vibracional 
• Enquanto as forças atrativas tentam manter as moléculas unidas. 
• A energia cinética das moléculas depende da temperatura de acordo com a equação: 
Ec = 3
2
kT 
onde k é uma constante. 
 
TIPOS DE ATRAÇÕES INTERMOLECULARES 
• Atrações intramoleculares operam dentro de cada molécula, influenciando as 
propriedades das substâncias; 
• Atrações intermoleculares ocorrem devido à forças atrativas entre cargas opostas. 
o íon positivo com íon negativo; 
o polo positivo de uma molécula polar com o polo negativo de outra molécula polar; 
§ A ligação de hidrogênio é especialmente forte; 
o Mesmo moléculas apolares apresentará cargas temporárias; 
• As forças intermoleculares incluem: 
o forças íon-dipolo; 
o forças de van der Waals 
§ forças dipolo-dipolo; 
• ligações de hidrogênio 
§ forças de dispersão de London. 
• Todas as forças intermoleculares são de origem eletrostática e resultam da atração mútua 
de cargas opostas ou da repulsão mútua de carga iguais 
o quanto maior a carga ⇒ mais forte a atração; 
o quanto maior a distância ⇒ mais fraca a atração; 
• As forças atrativas intermoleculares não são tão fortes quanto as intramoleculares, mas 
são fortes o suficiente para responder pela as propriedades 
físicas das substâncias. ligação covalente
(forte)
Atração intermolecular
(fraca)
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   91	
  	
  
	
   	
  
o Quanto mais forte as atrações entre átomos ou moléculas, mais energia será 
necessária para separá-las 
o Quanto maior o ponto de ebulição de um líquido, mais forte são as forças atrativas 
intermoleculares. 
§ Ferver um líquido requer que se forneça energia suficiente para as 
moléculas superarem as forças atrativas entre elas. 
 
ATRAÇÃO ÍON-DIPOLO 
• Em uma mistura, íons de um composto iônico são atraídos para os dipolos de moléculas 
polares; 
• A magnitude da interação depende das cargas do íon (z), da força do dipolo (µ), e do 
inverso da distância r entre o íon e o dipolo: 
E = zµ
r 2
 
• A força da atração íon-dipolo é um dos principais fatores que determinam a solubilidade de 
compostos iônicos em água. 
 
 
FORÇAS ATRATIVAS DIPOLO-DIPOLO 
• Uma molécula polar apresenta um dipolo permanente. 
o devido tanto à polaridade da ligação quanto à geometria (momento de dipolo). 
• O dipolo permanente contribui para as forças de atração entre as moléculas. 
• Forças dipolo-dipolo são atrações entre os dipolos permanentes das moléculas polares. 
o Estas forças podem ser atrativas ou repulsivas, dependendo de como as 
moléculas estão orientadas; 
 
• São relativamente fracas, ~3-4 kJ/mol, e só são significativas quando as moléculas estão 
muito próximas. 
• Quanto maior a polaridade da molécula, mais forte a interação dipolo-dipolo. 
Forças atrativas dipolo-dipolo Forças repulsivas dipolo-dipolo
(a) CH3CN sólido (b) CH3CN líquido
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   92	
  	
  
	
  	
  
 
LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO 
• Quando um átomo muito eletronegativo interage com o hidrogênio forma-se um caso 
particular da atração dipolo-dipolo, a ligação de hidrogênio; 
o Ocorre em interações do tipo O-H, N-H, ou F-H 
• Quando se forma a ligação de hidrogênio toda a densidade eletrônica é atraída pelo átomo 
mais eletronegativo; 
• Uma vez que o átomo de hidrogênio não tem outros elétrons, quando este perde o elétron 
o núcleo torna-se desprotegido; 
• o próton exposto atua com forte centro de carga positiva, atraindo todas as nuvens 
eletrônicas das moléculas vizinhas; 
• A diferença de eletronegatividade entre O, N, e F vs. H é tão grande que estas ligações 
são especialmente polares, e a atração entre as cargas parciais opostas é 
consideravelmente forte. 
 
 
 
o Ligações de hidrogênio podem apresentar energias de até 40 kJ/mol. 
Ligações de hidrogênio na água 
 
(a) ao redor de uma molécula (b) no sólido (c) no líquido 
Aumento da polaridade
Aumento da força de interação dipolo-dipolo
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   93	
  	
  
	
   	
  
 
 
• Ligações de hidrogênio são responsáveis pela o fato da água sólida adotar uma estrutura 
cristalina aberta, fazendo com que seja menos densa do que a estrutura em estado líquido, 
por isso o gelo flutua sobre a água. 
 
• Ligações de hidrogênio são responsáveis pelos altos pontos de ebulição da água, amônia 
e do fluoreto de hidrogênio. Estes compostos entram em ebulição a temperaturas 
superiores às esperadas para tais moléculas 
 
 
Porque o gelo 
flutua?
Por que está frio. O gelo quer 
se aquecer, assim ele busca 
a superfíciepara ficar mais
perto do calor 
do sol. 
Isso é 
verdade?
Procure 
e descubra!
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   94	
  	
  
	
  	
  
FORÇAS DE DISPERSÃO DE LONDON 
• Não é tão fácil de visualizar como as forças intermoleculares ocorrem entre 
moléculas apolares. 
• O benzeno, C6H6, tem momento de dipolo zero, mas exibe um certo tipo de 
interação entre as moléculas, pois ele funde a 5,5°C e entra em ebulição a 80,1°C. 
 
• Flutuações na distribuição eletrônica de átomos e moléculas resultam em 
um dipolo temporário; 
• As forças de dispersão de London são forças atrativas que se originam de 
dipolos instantâneos criados por movimentos aleatórios dos elétrons. 
o Para moléculas apolares, a distribuição de elétrons pela molécula é simétrica. 
o Para alguns modos vibracionais, a simetria da molécula é quebrada gerando 
modos assimétricos que resultam em momentos 
de dipolo instantâneos. 
§ Este dipolo induz um dipolo temporário 
em seus vizinhos. 
• Como resultado, desenvolvem-se fracas forças atrativase estas moléculas são líquidos a temperatura ambiente 
ao invés de ser gasosos. 
• As forças de dispersão ocorrem entre todas as 
partículas, porém são as únicas forças que existem 
entre moléculas apolares; 
• à medida que um dipolo temporário é estabelecido em 
uma molécula, esta induz um dipolo em todas as 
moléculas vizinhas. 
• Forças de dispersão de London são geralmente fracas, 
com energias na faixa de 1-10 kJ/mol. 
• A magnitude das forças de dispersão em uma molécula depende de sua polarizabilidade, 
ou seja o quão fácil a sua nuvem eletrônica pode ser distorcida. 
 
• Quanto menor a molécula ou mais leve é o átomo, menos polarizável ele é e menor é a 
força de dispersão. 
o existem poucos elétrons e estes encontram-se fortemente ligados. 
• Quanto maior a molécula ou mais pesado o átomo mais polarizável ele é e maior é a 
força de dispersão. 
o existem muitos elétrons, sendo que alguns não estão tão ligados e encontram-se 
distantes do núcleo. 
• A geometria da molécula influencia as forças de dispersão de London. 
o Maior superfície de contato implica em maior dipolo induzido = mais fortes as 
atrações; 
• Quanto mais forte as forças atrativas entre as moléculas, maior será o ponto de ebulição. 
 
Composto Polarizabilidade,10-25 cm3
Massa molar,
u.m.a.
Ponto de ebulição,
K
• Não é tão fácil de visualizar como as forças 
intermoleculares ocorrem entre moléculas apolares.
• O benzeno, C6H6, tem momento de dipolo zero, mas exibe 
um certo tipo de interação entre as moléculas, pois ele 
funde a 5,5°C e entra em ebulição a 80,1°C.
Forças de dispersão de London
• As forças de dipersão de London são forças atrativas que 
se originam de dipolos instantâneos criados por 
movimentos aleatórios dos elétrons.
• Para a molécula apolar C6H6, a distribuição de elétrons 
pela molécula é simétrica.
• Para alguns modos vibracionais, a simetria da molécula é 
quebrada gerando modos assimétricos que resultam em 
momentos de dipolo instantâneos. Este dipolo induz um 
dipolo temporário em seus vizinhos.
• Como resultado, desenvolvem-se fracas forças atrativas e 
o benzeno é líquido a temperatura ambiente ao invés de 
ser gasosos.
Forças de dispersão de London
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   95	
  	
  
	
   	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ATRAÇÃO DIPOLO INDUZIDO 
1. Forças íon – dipolo induzido são forças atrativas 
que existem entre íons e moléculas não polares. 
2. Ao se aproximar de um íon isto induz um dipolo em 
uma molécula apolar, atraíndo-a para o íon. 
a. Estas forças são responsáveis pela atração entre as 
moléculas de Fe2+ e O2 na corrente sanguínea, e 
contribui para a solvatação dos íons em água. 
3. Forças dipolo – dipolo induzido são forças 
atrativas que existem entra moléculas polares e 
moléculas apolares. 
a. Estas forças são responsáveis pela solvatação de 
gases (não polares) na água (polar). 
 
CONSEQUÊNCIAS DAS FORÇAS INTERMOLECULARES 
O ESTADO LÍQUIDO 
Forças coesivas 
• As moléculas do estado líquido experimentam fortes forças atrativas intermoleculares; 
• Quando estas forças são entre moléculas do mesmo tipo, elas são chamadas de forças 
coesivas; 
• As moléculas de uma gota de água são mantidas juntas por forças coesivas, e as forças 
coesivas são especialmente fortes na superfície constituindo a tensão superficial (γ). 
• As moléculas situadas no interior do líquido são atraídas em todas as direções pelas 
moléculas vizinhas (a resultante das forças que atuam sobre cada molécula é praticamente 
nula). 
• As moléculas da superfície do líquido, sofrem apenas atração lateral e inferior. 
• Esta força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície, que faz a mesma 
comportar-se como uma película elástica, tensão superficial (γ). 
Maior área
de interação
Menor área
de interação
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   96	
  	
  
	
  	
  
 
• A tensão superficial (γ) de um líquido é definida como a energia requerida para aumentar 
a área de uma superfície a um dado valor. 
• A tensão superficial (γ) é tipicamente medida em J/m2, a força em joules requerida para 
romper um filme de área 1 m. 
Você sabia??? 
1. Usa-se água quente para lavar por que sua tensão superficial é mais baixa e ela é um 
melhor agente de umedecimento; 
2. Barracas comuns são relativamente à prova d'água pois a tensão superficial faz uma ponte 
para os poros no material. Ao tocar o material da tenda com seus dedos, rompe-se o filme 
de água e a chuva irá atravessá-lo. 
3. A urina normal tem uma tensão superficial de cerca de 66 dinas/cm mas se a bílis está 
presente, ela cai para abaixo de 55 dinas/cm. No teste Hay (um teste para icterícia), 
enxofre em pó é espalhado na superfície da urina. Ele flutuará na urina normal, mas 
afundará se a tensão superficial é abaixada pela bílis. 
 
• Os tensoativos, também conhecidos como surfactantes (detergentes e sabões), são 
usualmente soluções de tensão superficial baixas. 
• Atuam rompendo as ligações de hidrogênio na superfície da água aumentando a sua 
habilidade de molhar outras substâncias (molhabilidade). 
 
• As moléculas de surfatantes apresentam um cabeça hidrofílica (polar/iônica) e uma cauda 
hidrofóbica (apolar); 
o Uma parte da molécula é atraída pela água, mas a maior parte dela não é; 
• A cauda apolar tende a coagular para formar um estrutura esférica chamada de micela; 
• A maioria das sujeiras e graxas são moléculas apolares – difíceis de se remover com água; 
• As moléculas do surfatante formam micelas ao redor das partículas de óleo com a parte 
polar apontada para fora; 
Superfície
Interior
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
sarahquimica
Highlight
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   97	
  	
  
	
   	
  
 
• Deste modo a micela é atraída pela água e permanece suspensa; 
 
• Já a viscosidade representa uma medida da resistência de um líquido ao 
escoamento; 
• Está relacionada com a facilidade com que as moléculas movem-se em 
um líquido ou seja, com as forças intermoleculares presentes. 
o Quanto mais fortes as forças intermoleculares de atração, a maior 
viscosidade. 
• Quando um líquido escoa, uma porção do líquido se move com relação às 
porções vizinhas. 
o As forças coesivas dentro do líquido criam um atrito interno, o que 
reduz a velocidade de escoamento. 
• Substâncias compostas de moléculas pequenas e não polares tais como o 
pentano e benzeno, têm baixa viscosidade (forças atrativas fracas); 
 
• Substâncias compostas de moléculas polares tais como o glicerol, tem alta viscosidade 
(altas forças atrativas); 
o A viscosidade de um líquido varia inversamente com a temperatura. 
 
 
 
caudas apolares
cabeça 
iônica
água
Viscosidade de uma série de hidrocarbonetos a 20 oC
Substância Fórmula Viscosidade (kg/m-s)
cabeça 
polar/iônica
Estearato de sódio
cauda apolar
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   98	
  	
  
	
  	
  
Forças adesivas 
• Quando as forças atrativas são entre moléculas diferentes, elas são chamadas de forças 
adesivas. 
• As forças adesivas entre as moléculas de água e as paredes de um tubo de vidro são mais 
fortes que as forças coesivas levandoa um menisco curvado para cima nas paredes do 
vaso e contribui para a ação capilar. 
• Ação capilar é a habilidade de um líquido em subir um tubo fino contra a influência da 
gravidade; 
o Quanto mais estreito for o tubo, mais alto o líquido sobre; 
 
 
 
 
• A ação capilar é o resultado de forças coesivas e adesivas trabalhando em conjunto; 
Ex: 
A elevação da água em um tubo capilar é uma prova da tensão superficial. A força que atua para 
cima sobre a água que molha a superfície do capilar é dada por 2γπr onde γ é a tensão superficial. 
A força que atua pra baixo sobre a água é dada por m.g, em que m é a massa e kg é a aceleração 
da gravidade. A massa m é dada por πr2hρ, onde h é a altura da elevação capilar e ρ é a 
densidade da água. No equilíbrio, estas duas forças são iguais. Sabendo disso calcule a elevação 
capilar da água quando se eleva em um tubo capilar com 0,02 cm de diâmetro. 
(Dados: γágua = 7,29 x10-2 N/m; g = 9,8 m/s2; ρágua = 0,999 g/cm3) 
 
O menisco no mercúrio tem forma de 
domo pois as forças coesivas entre 
os átomos de mercúrio são mais 
fortes do que as forças adesivas 
entre o mercúrio e o vidro.
O menisco na água tem forma de U 
pois as forças adesivas entre a água e 
o vidro são mais fortes do que as 
forças coesivas entre as moléculas de 
água.
[IC	
  –	
  348	
  –	
  QUÍMICA	
  GERAL	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PROF.	
  ANTONIO	
  GERSON	
  BERNARDO	
  DA	
  CRUZ]	
   99	
  	
  
	
   	
  
Resolução: 
 
A altura h a qual a ação capilar erguerá a água depende do peso de água 
que a tensão superficial erguerá: 
2γπr = πr 2ρgh 
A altura para qual o líquido pode ser erguido é dada por: 
 h = 2γ
ρrg
⇔ h = 2(7,29.10
−2(kg.m.s−2). m)
(999kg. m−3)(10−4m)(9,8m.s−2)
= 1,458.10
−1kg.s−2
9,8.10−1kg.m−1.s−2
= 1,48.10−1m 
 
LÓGICA UTILIZADA NA DETERMINAÇÃO DAS FORÇAS INTERMOLECULARES 
 
 	
  	
  	
  	
  
Existem
íon
presentes?
Existem moléculas 
polares presentes?
Existem moléculas 
polares presentes?
existem átomos de H
 ligados a átomos 
de N, O e F?
Forças 
de dispersão 
de London
Forças 
dipolo-dipolo
Ligações de 
hidrogênio
Forças
íon-dipolo
Ligações
iônicas
Sim
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Não
Não
Forças de Van der Waals
Aumento da força de interação