Texto 3 Ligação química Forças intermoleculares e ligação metálica

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Texto 3 – LIGAÇÃO QUÍMICA - Forças intermoleculares e Ligação metálica 
 
1. Forças intermoleculares 
 
As forças que agem entre as moléculas são responsáveis pela existência de 
diferentes fases da matéria. Uma fase é uma forma da matéria que é uniforme em 
composição química e estado físico. 
Forças intermoleculares são atrações e repulsões entre as moléculas. 
As forças atrativas entre as moléculas, chamadas forças intermoleculares, forças 
de van der Waals, são as que asseguram a existência dos estados condensados da 
matéria – líquido e sólido. 
As forças intermoleculares são, em geral, mais fracas do que as forças 
intramoleculares. A evaporação de um líquido requer muito menos energia do que a 
necessária para partir as ligações dentro das moléculas do líquido. Por exemplo, são 
necessárias 41kJ de energia para vaporizar um mol de água a sua temperatura de 
ebulição, mas para partir as duas ligações O-H num mol de moléculas de água são 
necessários 930kJ de energia. Os tipos de forças intermoleculares são: 
 
a) Ligação de hidrogênio: é um tipo especial de interação dipolo-dipolo entre o 
átomo de hidrogênio numa ligação polar, tal como N-H, O-H ou F-H. 
As ligações de hidrogênio são um dos efeitos da polaridade das moléculas. Essas 
ligações surgem quando o polo positivo formado pelo hidrogênio em uma molécula é 
atraído pelo polo negativo de outra molécula também polar. 
No caso da água, os hidrogênios de uma molécula são atraídos pelo oxigênio da 
outra, por causa de suas polaridades elétricas contrárias, como representado na 
figura: 
 
As ligações de hidrogênio se formam na água quando o 
oxigênio negativamente polarizado atrai o polo positivo 
formado pelos hidrogênios de outra molécula de água. 
 
As ligações de hidrogênio afetam a estrutura do H2O e são responsáveis por algumas 
de suas propriedade peculiares, como o fato de a água aumentar de volume quando 
passa do estado líquido para o sólido, ao contrário do que ocorre com a maioria das 
substâncias, que diminuem de volume ao longo dessa mudança de fase. 
Também são as ligações de hidrogênio que conferem à água a capacidade de 
dissolver sais e outras substâncias polares, cujas moléculas ou íons se separam de 
sua formação original para se alinharem seguindo a atração eletrostática dos polos 
negativo e positivo do oxigênio. Por isso, a água é conhecida como solvente universal. 
As ligações de hidrogênio são fortes e podem ocorrer em moléculas que possuem 
hidrogênio ligado a elemento bastante eletronegativo como F, N e O. 
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- As ligações hidrogênio têm papel vital na manutenção de formas de moléculas 
biológicas. A forma de uma molécula de proteína é governada parcialmente por 
ligações de hidrogênio. Quando cozinhamos um ovo, a albumina clara torna-se branca 
leitosa, porque o calor quebra a ligação de hidrogênio entre suas moléculas, que se 
desmancham em um arranjo irregular. As árvores são mantidas eretas por ligações de 
hidrogênio intermoleculares, que existem entre as moléculas de celulose (as quais têm 
muitos grupos OH) e a força da madeira deve-se em grande parte à força das ligações 
hidrogênio entre as moléculas, que formam grande parte do seu volume. 
- O gel para o cabelo funciona quebrando e refazendo ligações de hidrogênio com 
moléculas de proteína no cabelo. 
- O HF tem temperatura de ebulição mais baixa que a água devido a água 
apresentar dois pares ligantes do H-O, o que implica que as moléculas da água 
estejam mais ligadas mais fortemente do que as de HF. 
 
b) Força dipolo-dipolo: são forças que atuam entre moléculas polares. A força 
dipolo-dipolo é força intermolecular atrativa provocada pela tendência de as moléculas 
polares se alinharem de modo que a extremidade positiva de uma delas fique perto da 
extremidade negativa da outra. Exemplo de substâncias orgânicas metanal, acetona. 
 
c) Forças dipolo induzido-dipolo induzido: (moléculas apolares e gases 
nobres). São forças de natureza elétrica de intensidade fraca. É a que ocorre entre 
moléculas apolares. São interações originadas quando a aproximação entre moléculas 
apolares ou átomos provoca uma repulsão entre suas nuvens eletrônicas. Essa 
repulsão provoca o movimento dos elétrons que vão se acumular em determinada 
região da molécula, deixando a região oposta com deficiência de elétrons (+). Cria-se 
um dipolo que orienta as moléculas no espaço com atração das regiões da molécula. 
São forças de natureza eletrostática e provém de alterações que envolvem dipolos 
induzidos. São forças atrativas fracas, provocadas pelos dipolos elétricos pequenos e 
instantâneos que ocorrem em virtude das posições variáveis dos elétrons nos 
respectivos momentos em torno do núcleo. 
No quadro 1 são apresentados alguns tipos de interações intermoleculares e as 
espécies envolvidas. 
 
Quadro 1 - Forças intermoleculares e espécies envolvidas 
Tipo de interação Força relativa Espécies envolvidas 
Íon-dipolo Forte Íons e moléculas polares 
Dipolo-dipolo Moderadamente forte Moléculas polares 
Dipolo-dipolo induzido Muito fraca Molécula polar e outra apolar 
Dipolo instantâneo-dipolo 
induzido 
Muito fraca Qualquer tipo de molécula, incluindo as apolares 
Ligação de hidrogênio Forte Moléculas que possuem hidrogênio ligado a 
elemento bastante eletronegativo como F, N e O 
 
 
Propriedade físicas e forças intermoleculares 
A natureza e a intensidade dessas forças intermoleculares têm grande influência 
sobre várias propriedades dos compostos, como temperatura de ebulição, temperatura 
de fusão e solubilidade em determinado solvente. 
 
- O oxigênio se dissolve na água, devido ao processo de indução de dipolo que é a 
polarização. 
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- A viscosidade (uma medida da resistência que um fluído oferece escoamento) e 
tensão superficial (um líquido é a quantidade de energia necessária para esticar ou 
aumentar a área dessa superfície de uma unidade) surgem de forças intermoleculares. 
- O fato de o gelo ser menos denso que a água tem um significado ecológico. Em 
um lago com a água a temperaturas diferentes ocorre movimento de convenção que 
se processa até que a temperatura da água seja homogênea e igual a 4ºC. Abaixo 
desta temperatura, a densidade da água começa a diminuir quando a temperatura 
diminui, de modo que a água já não desce. Arrefecendo mais, a água começa a 
congelar na superfície e a camada de gelo formada não se afunda porque é menos 
densa do que o líquido. 
- Não permitindo o contato com as camadas inferiores da água líquida com o ar 
frio (isolante térmico) garantindo a sobrevivência dos peixes e animais aquáticos. 
- A polaridade ou não da molécula, geometria e a diferença da eletronegatividade 
irá determinar o tipo de ligação intermolecular. 
- A ligação intermolecular juntamente com a massa molecular pode determinar as 
propriedades físicas e químicas das substâncias. 
- Para os álcoois, à medida que aumenta o tamanho da cadeia, diminui a 
solubilidade em água e aumenta o caráter apolar. 
Metanol solubilidade em água a 25ºC = infinita 
Etanol = infinita, propan 1 ol = infinita 
Butan 1 ol = 7,9g/100g de água 
Pentan 1 ol = 2,4g/100mg de água 
 
- Quanto mais fortes forem as forças de atração entre as moléculas no estado 
sólido ou líquido, maiores serão as temperaturas de ebulição e fusão. 
Composto Mm PFoC PEoC 
metoxi metano 46 -140 -24 
etanol 46 -115 78,3 
 
- Quanto mais intensas forem as forças intermoleculares, maior será a energia 
necessária para separar as moléculas e realizar a mudança de fase de agregação e 
consequentemente maior será o PF e PE. 
- Em substâncias apolares, à medida que aumenta a cadeia, ocorre o aumento das 
forças intermoleculares, aumentando também as temperaturas de ebulição e fusão. 
 PF(oC) PE(oC) 
Metano -183,3 -161,5etano -172 -88,6 
butano -138 0 
- Quanto maior a massa molar, maior serão os pontos de fusão e de 
ebulição. 
 
 
 
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2 Sólidos 
Um sólido é cristalino quando os íons, moléculas encontram-se em um arranjo 
ordenado chamado de retículo. 
Um sólido é amorfo e quando os átomos, íons ou moléculas encontram-se em uma 
mistura desordenada, como a manteiga, a borracha ou vidro. 
Cada elemento puro forma um sólido cristalino quando congelado. Os átomos 
desses elementos estão empilhados em arranjos regulares formando um padrão 
característico do elemento em particular. Compostos moleculares como o dióxido de 
carbono, água e glicose e ligas metálicas também são cristalinos. 
- Sólidos iônicos: são construídos pela atração mútua de cátions e ânions. Ex.: 
NaCl; KNO3; duro, rígido, quebradiço, PF e PE altos. 
- Sólidos reticulares: consistem de átomos ligados aos seus vizinhos 
covalentemente através da extensão do sólido. Ex.: B, C, P, SiO2; duro, rígido, 
quebradiço, PF e PE muito altos. 
- Sólidos moleculares: conjuntos de moléculas discretas mantidas por força 
intermoleculares; S8, I2, gelo, PE e PF relativamente baixos, quebradiços se puro. 
- Sólidos metálicos: metais, consistem em cátions e ânions unidos por um mar de 
elétrons. Elementos dos blocos s e d. 
Maleável, dúctil, lustroso, condutores térmicos e elétricos. 
No estado sólido, os átomos de metais se agrupam de forma geometricamente 
ordenada, dando origem às células ou grades ou reticulados cristalinos. 
 
3 Ligação Metálica 
Denomina-se ligação metálica aquela que ocorre pela atração elétrica entre os 
íons positivos, os elétrons. Ocorre quando se encontram juntos átomos de metal com 
a liberação parcial dos elétrons mais externos com a formação de íons positivos. 
Esses íons positivos se agrupam numa estrutura cristalina denominada célula 
unitária. A amostra de metal é constituída por um número imenso de células unitárias 
formadas por cátions do metal, e os elétrons ficam envolvendo a estrutura como uma 
nuvem eletrônica (elétrons – livres). 
O metal seria um aglomerado de átomos neutros e cátions mergulhados numa 
nuvem ou mar de elétrons. A nuvem ou mar de elétrons estaria funcionando como 
ligação metálica. 
Os elétrons se deslocam pelo metal e quando sobre o metal atuar uma pressão 
qualquer não há ruptura, pois a medida que a força obrigue os átomos a se 
deslocarem outros irão substituí-los conservando constantemente a força do metal. 
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Isso explica a maleabilidade e ductilidade. Os elétrons mais externos são os que 
afetam a maior parte das propriedades, determinam as propriedades químicas, 
estabelecem a natureza da ligação interatômica, as características mecânicas e de 
resistência e afetam a condutividade elétrica dos metais e influenciam nas 
características ópticas. 
Os elétrons livres num metal são responsáveis por suas características 
condutividades elétrica e térmica. Condutividade elétrica: cobre -95, alumínio -60, 
silício 2,5.10-9, enxofre 10-23, carbono (grafita) 0,11, isolante diamante. 
Com a adição de calor os elétrons livres transmitem energia rapidamente de uma 
extremidade do metal a outra – alta condutividade térmica dos metais. 
O aspecto característico do metal, sua alta reflectividade e seu brilho metálico, 
também é explicado pela presença de elétrons livres. Os elétrons, deslocalizados 
numa superfície metálica, absorvem e reirradiam a luz que incide na superfície. 
Muitos metais de transição são extremamente duros, como por exemplo crômio e 
tungstênio. Os íons destes elementos têm os subníveis (n – l)d parcialmente 
preenchidos e podem, portanto, compartilhar pares de elétrons (ligações covalentes) 
com íons adjacentes no retículo. Estas ligações covalentes tendem a manter estes 
íons presos no lugar, prevenindo assim deformação do retículo. O ponto de fusão de 
metais varia consideravelmente devido às diferenças no grau de ligação covalente 
complementar. PF do Na e do W são respectivamente 98 e 3410ºC. 
Ligas metálicas 
Quando misturamos um metal a um ou mais elementos que podem ser ou não 
outros metais, com aquisição de novas propriedades para uma determinada aplicação, 
forma-se a liga metálica. Uma liga metálica consiste numa mistura de células unitárias 
cristalinas, formadas por mais de um elemento, distribuídos ao acaso nas posições 
que ocupam em cada célula unitária. 
Um material pode ser resultado da combinação de diferentes componentes para 
formação de soluções. 
Liga total de miscibilidade é de Ni e Cu, quando um componente dissolve outro em 
quantidade ilimitada. Total imiscibilidade: Pb e Cu. 
Miscibilidade limitada Sn e Pb. 
A solubilidade de um elemento em outro é definida pela regra de Hume-Rothery. 
São condições necessárias, mas não suficientes para que dois metais apresentem 
solubilidade total: 
a) Tamanho: diferença entre os raios < 15% 
b) Estrutura cristalina: deve ser a mesma 
c) Eletronegatividade: deve ser semelhante 
d) Valências: devem ser iguais 
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Características dos elementos de liga 
Fe – elemento básico do aço 
C – principal elemento de liga do aço, determinante da dureza 
Mn – evita a fragilidade dos aços 
Ni – aumenta a tenacidade e a resistência nos aços 
Cr – aumenta a dureza, a aderência e a resistência a altas temperaturas 
Mo – aumenta a resistência a tração e elasticidade dos aços 
Si – controla o teor de oxigênio e aumenta a elasticidade 
Aço 6150 – aço mola – boa tenacidade – elevada resistência 
(0,48 a 0,53% C) (0,7 a 0,9% Mn’) (0,2 a 1,11%Cr)Ligas 
Aço – composição Fe 98,5%, C 0,5 a 1,7%, Si, S e P traços. 
Empregado na fabricação das mais diversas ligas destinadas a diferentes 
aplicações. 
Invar – aço 64% e Ni 36% (baixo coeficiente de dilatação) 
Aplicação: pêndulos, cronômetros, tubos de televisor. 
Duralumínio – Al 95,5%, Cu 3%, Mn 1% e Mg 0,5% 
Baixa fusibilidade, ponto de fusão em torno de 68ºC. Usado em peças de aviões e 
automóveis. 
Hidroaviões são adicionados, Ce e o Zr que protegem contra a corrosão da água 
do mar. 
Níquel-crômio – Ni 60% e Cr 40% 
Ponto de fusão elevado, baixa condutividade elétrica. Fios de resistência elétrica. 
Compostos de Semimetais 
A principal aplicação dos semimetais (Si e Ge) está na fabricação de componentes 
eletrônicos, como diodos, transistores e microprocessadores de chips, que funcionam 
com base na propriedade de semicondução da corrente elétrica. 
O Si e Ge, na forma de substância simples, os átomos do cristal ficam em vibração 
constante e não uniforme. Ao receber uma variação de pressão e/ou temperatura 
alguns elétrons podem ganhar energia suficiente para se libertar e ficar vagando pelo 
cristal. As lacunas deixadas pelos elétrons podem ser preenchidas por quaisquer 
elétrons vizinhos criando uma nova lacuna. 
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Para que ocorra a semicondução faz-se dopagem: é a formação de cristais de Si 
ou Ge misturados com boro, com P ou As. 
Os chips são feitos de Si ou Ge dopados e são eficientes e rápidos porque a 
corrente elétrica precisa percorrer apenas pequenas distâncias ao longo dos circuitos. 
Outra aplicação é a utilização em baterias solares. 
Bateria solar de silício é composta de uma bolacha de silício dopada com arsênio 
sobre a qual é colocada uma camada uma fina camada de silício dopado com boro.