Forças Intermoleculares

1. Forças Intermoleculares Professor Valentim Nunes, Departamento de Engenharia Química e do Ambiente email: valentim@ipt.pt Gabinete: J207 – Campus de Tomar Web: http://www.docentes.ipt.pt/valentim/ensino/ Novembro de 2010

2. Forças Intermoleculares A teoria cinética de gases permite explicar o comportamento dos gases (moléculas em movimento caótico e constante..). Nos líquidos e sólidos as moléculas estão mais próximas e sujeitas a forças atractivas mais fortes. As forças atractivas entre moléculas são designadas por forças intermoleculares. São estas forças que asseguram a existência de estados condensados da matéria: os líquidos e sólidos.

3. Transições de Fase As temperaturas de ebulição e temperaturas de fusão reflectem geralmente a intensidade das forças intermoleculares. A intensidade das forças intermoleculares em diferentes substâncias varia numa larga faixa, mas elas são muito mais fracas que ligações iónicas ou covalentes Consideremos uma dada porção de gelo (água no estado sólido) que é aquecido. À temperatura de 0 °C o gelo vai fundir, a temperatura constante, até toda a água passar ao estado líquido. Se continuarmos a aquecer a água, a temperatura vai subir gradualmente, até atingir 100 °C, temperatura à qual a água entra em ebulição. Em todo este processo apenas ocorrem transformações físicas, pois a identidade das moléculas não foi alterada, isto é, não foram quebradas ligações químicas.

4. van der Waals

5. Forças dipolo-dipolo As ligações dipolo-dipolo ocorrem entre moléculas polares, e têm origem na atracção entre pólos opostos de moléculas adjacentes. Quanto maior o momento dipolar ( ) e menor o tamanho das moléculas maior é a força de ligação. + - + - X Y ......... X Y Ligação dipolo-dipolo

6. Forças dipolo-dipolo induzido As forças dipolo-dipolo induzido são devidas à acção de uma molécula polar sobre uma molécula apolar. A distribuição electrónica desta última vai ser distorcida por acção da força exercida pela molécula polar, induzindo-lhe um dipolo instantâneo. Quanto maior o número de electrões numa molécula maior a polarizabilidade, e mais facilmente é induzido um dipolo. A polarizabilidade é uma medida da facilidade com que a distribuição electrónica de um átomo neutro ou molécula pode ser distorcida. - + - + Molécula apolar Dipolo 1 Dipolo induzido Dipolo 1 + -

7. Forças de dispersão de London O metano, CH4, e o azoto, N2, são exemplos de moléculas apolares, que são gases à temperatura e pressão ambiente. Contudo estes gases podem ser liquefeitos. O tipo de ligação que ocorre entre as moléculas apolares é designado por ligações de London. + - + - + Molécula apolar - Dipolo instantâneo Dipolo induzido As ligações de London têm origem em assimetrias momentâneas nas nuvens electrónicas das moléculas, que actuam como dipolos fracos instantâneos.

8. Forças de London e massa molar As forças de London podem ser mais fortes do que as dipolo-dipolo em moléculas com grandes nuvens electrónicas. Com efeito, as forças de London são tanto mais fortes quanto maior a nuvem electrónica, ou seja, quanto maior a polarizabilidade.

9. Ligação de hidrogénio A ligação de hidrogénio é um tipo especial de ligação dipolo-dipolo e ocorre entre um átomo de hidrogénio e átomos bastante electronegativos, como o O, N ou F.

10. Estrutura da água Este tipo de ligação ocorre por exemplo entre as moléculas de água unidas entre si no estado sólido ou líquido. A ligação de hidrogénio é a mais forte de todas as interacções intermoleculares. Os compostos que apresentam ligações deste tipo têm pontos de fusão e ebulição mais elevados do que seria de esperar, com base no tamanho das moléculas.

11. Pontos de ebulição

12. Densidade da água

13. Propriedades dos Líquidos – Tensão superficial A tensão superficial de um líquido, , é a quantidade de energia necessária para aumentar a área de superfície de um líquido, de uma unidade. As unidades de  são o N m-1. Forças intermoleculares fortes originam tensão superficial elevada.

14. Propriedades dos Líquidos – viscosidade A viscosidade de um fluido, , é uma medida da resistência que esse fluido oferece ao escoamento. As unidades S.I. de  são o Pa.s. Forças intermoleculares fortes originam viscosidade elevada.

15. Propriedades dos Líquidos – Pressão de vapor Clausius-Clapeyron:

16. Variação com a temperatura

17. Ponto de ebulição normal O ponto de ebulição é a temperatura à qual a pressão de vapor (equilíbrio) de um líquido iguala a pressão exterior. O ponto de ebulição normal é a temperatura a que um líquido ferve quando a pressão exterior é igual a 1 atm.

18. Exemplo de cálculo A pressão de vapor do etilenoglicol é 14.9 mmHg a 373 K e 49.1 mmHg a 398 K. Calcular o calor molar de vaporização do etilenoglicol. Aplicando a equação de Clausius – Clapeyron às duas temperaturas e subtraindo termo a termo obtemos:

19. Sólidos Os sólidos podem ser divididos em duas categorias: sólidos cristalinos e sólidos amorfos. Um sólido cristalino tem uma ordenação molecular rígida que se estende a longa distância. Num sólido cristalino, os átomos, as moléculas ou os iões ocupam posições específicas. Um sólido amorfo não possuí um arranjo molecular bem definido nem uma ordem molecular a longa distância.

20. Células unitárias Ponto de rede: átomos, moléculas ou iões.

21. Redes de Bravais

22. Células cúbicas

23. Relações geométricas Relação entre o raio atómico e o comprimento de aresta em três células unitárias diferentes:

24. Exemplo de cálculo Quando a prata cristaliza, forma células cúbica de face centrada. O comprimento de aresta é 409 pm. Calcular a densidade da prata. Existem quatro átomos por célula unitária numa célula cúbica de faces centradas.

25. Tipos de cristais

26. Cristais iónicos • Pontos de rede ocupados por catiões e aniões • Forças electrostáticas mantêm o cristal coeso • Duros, brilhantes, e com elevado ponto de fusão • Maus condutores de calor e electricidade ZnS CaF2 CsCl

27. Cristais covalentes • Pontos de rede ocupados por átomos • Ligações covalentes mantêm o cristal coeso • Duros e com elevado ponto de fusão • Maus condutores de calor e electricidade

28. Cristais moleculares • Pontos de rede ocupados por moléculas • Forças intermoleculares mantêm o cristal coeso • Macios e com baixo ponto de fusão • Maus condutores de calor e electricidade Certas substâncias, numa faixa de temperatura imediatamente acima dos seus pontos de fusão, exibem propriedades de líquido (movimento, escoamento, sem padrão de ordenamento) e sólido (elevada ordenação, rigidez), simultaneamente. São denominadas cristais líquidos.

29. Cristais metálicos • Pontos de rede ocupados por átomos metálicos • Ligações metálicas mantêm o cristal coeso • Macios ou duros e com pontos de fusão altos e baixo • Bons condutores de calor e electricidade Núcleo e camadas internas Electrões livres (móveis)

30. Sólidos amorfos Os sólidos amorfos não possuem um arranjo tridimensional regular, contrariamente aos cristais. Alguns exemplos deste tipo de sólidos são os vidros e os polímeros. Enquanto nos cristais as propriedades físicas apresentam descontinuidades na temperatura de fusão, para os sólidos amorfos não existe uma temperatura de fusão, mas sim uma sucessão de estados de fluidez variável, e que depende da temperatura e da ‘história térmica’ da substância, isto é, da forma como os aquecimentos e arrefecimentos foram feitos. A temperatura à qual o material se torna rígido designa-se por temperatura de transição vítrea, Tg

31. Vidros Um vidro é um produto transparente resultante da fusão de materiais inorgânicos que arrefeceu até atingir um estado rígido mas sem cristalização.

32. Quartzo quartzo cristalino (SiO2) vidro de quartzo não cristalino

33. Polímeros Dá-se o nome de polímeros a substâncias com cadeias moleculares extremamente longas. Estas podem ter até centenas de milhar de unidades de massa molecular, e são por isso designadas por macromoléculas. Os polímeros podem ser divididos em duas classes: naturais ou sintéticos. Alguns exemplos de polímeros naturais são as proteínas, ácidos nucleicos, polisacarídeos, como a celulose, e borracha natural.

34. Polímeros sintéticos

35. Controlo estereoquímico Um desenvolvimento importante na utilização dos polímeros é o controlo estereoquímico. O propileno, por exemplo, pode polimerizar em qualquer dos três arranjos seguintes: isotáctico, em que todos os grupos metilo, CH3, apresentam a mesma orientação relativa; sindiotáctico em que os grupos metilo se orientam alternadamente para trás e para diante do perfil da cadeia, e atáctico, em que os grupos se distribuem ao acaso.

36. Elastómeros Alguns polímeros exibem elasticidade, ou seja, a capacidade de se alongarem sob acção de uma força, regressando à forma inicial quando cessa a acção dessa força. São designados por elastómeros. Um exemplo é a borracha vulcanizada.

37. Diagramas de fases da água A mesma substância pode existir nos diferentes estados de agregação, sólido, líquido ou gasoso, consoante as condições de pressão e temperatura Um diagrama de fases sumaria as condições às quais uma substância ocorre como um sólido, líquido ou gás.

38. Diagrama de fases do CO2

39. Análise térmica As temperaturas de fusão e ebulição de uma substância podem ser obtidas através de uma técnica designada por análise térmica

40. Mudanças de fase evaporação condensação sublimação sublimação fusão solidificação