Ligação iônica

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Química Geral
Moléculas;
Compostos moleculares e iônicos;
Fórmulas moleculares e mínima;
Ligações químicas.
Prof. Geraldo Lopes Crossetti
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05/04/2017
1
Moléculas

Moléculas são reuniões de dois ou mais átomos ligados
entre si.

Cada molécula tem uma fórmula química.

A fórmula química indica



quais átomos são encontrados na molécula
em qual proporção eles são encontrados.
Compostos formados a
compostos moleculares.
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partir
de
moléculas
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são
2
Moléculas

As moléculas que contêm dois átomos ligados entre si
são chamadas moléculas diatômicas.
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3
Fórmulas moleculares


Fornecem os números e tipos reais de átomos em uma
molécula.
Exemplos: H2O, CO2, CO, CH4, H2O2, O2, O3 e C2H4.
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4
Fórmulas mínimas

Fornecem os números e tipos relativos de átomos em
uma molécula.

Isto é, elas fornecem os menores números inteiros
proporcionais possíveis dos átomos em uma molécula.

Exemplos: H2O, CO2, CO, CH4, HO, CH2.
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Fórmula estrutural: desenhando as moléculas





As moléculas ocupam um espaço tridimensional.
No entanto, normalmente as representamos em duas
dimensões.
A fórmula estrutural fornece a conectividade entre
átomos individuais na molécula.
A fórmula estrutural pode ou não ser usada para se
mostrar a forma tridimensional da molécula.
Se a fórmula estrutural mostra a forma da molécula,
então usa-se o desenho em perspectiva: o modelo de
bola e palito ou o modelo de preenchimento do espaço.
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6
Fórmula estrutural
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Compostos iônicos

Grande parte da química envolve a transferência de
elétrons entre átomos.

Exemplo:



Para formar o NaCl, o átomo de sódio neutro, Na, deve
perder um elétron para se transformar em um cátion: Na+.
O elétron não pode ser totalmente perdido, dessa forma
ele é transferido para um átomo de cloro, Cl, que então se
transforma em um ânion: o Cl-.
Os íons Na+ e Cl- ligam-se para formar o cloreto de sódio
(NaCl), mais conhecido como sal de cozinha.
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Compostos iônicos

Importante: observe que não existem moléculas de NaCl facilmente
identificáveis na rede iônica. Portanto, não podemos usar formulas
moleculares para descrevermos substâncias iônicas.
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Compostos iônicos

Considere a formação de um composto que contém
Mg2+ e N3- :

O Mg perde dois elétrons para se transformar em um Mg2+;

O nitrogênio ganha três elétrons para se transformar em
N3-;

Para uma substância neutra, o número de elétrons
perdidos e ganhos deve ser igual.

No entanto, o Mg só pode perder elétrons de dois em dois,
e o N só pode receber elétrons de três em três.
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Compostos iônicos


O Mg precisa perder 6 elétrons (2 x 3) e o N precisa
ganhar esses 6 elétrons (3 x 2).

3 átomos de Mg precisam formar 3 íons Mg2+ (totalizando
3 x 2+ cargas), e 2 átomos de N precisam formar 2 íons N3(totalizando 2 x 3- cargas).
Portanto, a fórmula é Mg3N2.
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Definições

Ligação química: é a força atrativa que mantém dois ou
mais átomos unidos.
Unem átomos para formar moléculas ou sólidos

Ligação covalente: resulta do compartilhamento de
elétrons entre dois átomos. Normalmente encontrada entre
elementos não-metálicos.

Ligação iônica: resulta da transferência de elétrons de um
metal para um não-metal.

Ligação metálica: é a força atrativa que mantém metais
puros unidos.
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12
Ligações químicas
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Representação de Lewis

Lewis inventou uma forma simples de mostrar os
elétrons de valência em torno do símbolo do elemento.

O número de elétrons disponíveis para a ligação é
indicado por pontos desemparelhados.

Geralmente colocamos os elétrons nos quatro lados de
um quadrado ao redor do símbolo do elemento.
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Representação de Lewis
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Regra do octeto

Todos os gases nobres, com exceção do He, têm uma
configuração s2p6.

A regra do octeto: os átomos tendem a ganhar, perder
ou compartilhar elétrons até que eles estejam rodeados
por 8 elétrons de valência (4 pares de elétrons).

Cuidado: existem várias exceções à regra do octeto.

Elementos
de
transição
e
alguns
elementos
representativos usam os elétrons (n-1)d em ligações.
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Desenhando as estruturas de Lewis

Moléculas

Some os elétrons de valência de todos os átomos.

Escreva os símbolos para os átomos a fim de mostrar
quais átomos estão ligados entre si e una-os com uma
ligação simples.



Complete o octeto dos átomos ligados ao átomo central.
Coloque os elétrons que sobrarem no átomo central.
Se não existem elétrons suficientes para dar ao átomo central
um octeto, tente ligações múltiplas.
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Desenhando as estruturas de Lewis

É possível desenhar mais de uma estrutura de Lewis
obedecendo-se a regra do octeto para todos os átomos.

Para determinar qual estrutura é mais razoável, usamos
a carga formal.

A carga formal é a carga que um átomo teria em uma
molécula se todos os outros átomos tivessem a mesma
eletronegatividade.
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Desenhando as estruturas de Lewis

Para calcular a carga formal:


Todos os elétrons não compartilhados (não-ligantes) são
atribuídos ao átomo no qual estão localizados.
Metade dos elétrons ligantes é atribuída a cada átomo em
uma ligação.
Carga formal= V- (L + ½S)
V= número de elétrons de
valência no átomo livre
L= número de elétrons nos
pares isolados
S= número de elétrons
compartilhados
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Desenhando as estruturas de Lewis

Quando há mais de uma possibilidade, a estrutura mais
estável tem:

a carga formal mais baixa em cada átomo,

a carga formal
eletronegativos.
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mais
negativa
nos
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átomos
mais
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Ligações químicas
Força atrativa: depende do tipo de
ligação;
Força repulsiva: sobreposição das
nuvens eletrônicas
Estado de equilíbrio: quando as
duas forças se anulam.
A formação de uma ligação química
diminui a energia potencial do
sistema.
A energia de ligação (E0) é a energia
mínima necessária para separar
esses dois átomos até uma
distância de separação infinita.
Em um material, cada átomo terá uma
energia (E0) associada a ele.
Materiais com alta (E0) têm alto ponto
de fusão.
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Ligações químicas

Ligações primárias ou intramoleculares




ligação iônica
ligação covalente
ligação metálica
Ligações secundárias ou intermoleculares




Íon - dipolo
dipolo - dipolo
London (dipolo induzido - dipolo induzido)
Ligação de hidrogênio
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Ligação iônica
Força eletrostática: atração entre íons de cargas opostas.

Considere a reação entre o sódio e o cloro:
Na(s) + ½Cl2(g) → NaCl(s)
ΔHºf = -410,9 kJ
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Ligação iônica

De forma geral:

Metais- Baixa energia de ionização- perdem elétrons para
formar cátions.

Não-metais- valor de afinidade eletrônica negativo- ganham
elétrons para formar ânions.

Cátions e ânions- cargas opostas- atração eletrostática

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Ex: Na+(g) + Cl-(g) → NaCl(g)
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Ligação iônica

A reação é violentamente exotérmica. Por isto inferimos
que o NaCl é mais estável do que os elementos que o
constituem. Por quê?

O Na perdeu um elétron para se transformar em Na+ e o
cloro ganhou o elétron para se transformar em Cl-.



Eletronegatividade
Observe: Na+ tem a configuração eletrônica do Ne e o Cl- tem
a configuração do Ar.
Isto é, tanto o Na+ como o Clocteto de elétrons circundando o íon central.
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têm
um
25
Ligação iônica

O NaCl forma uma estrutura muito regular na qual cada
íon Na+ é circundado por 6 íons Cl-.

Similarmente, cada íon Cl- é circundado por seis íons
Na+.

Há um arranjo regular de Na+ e Cl- em 3D.

Os íons são empacotados o mais próximo possível.

Não há uma fórmula molecular para descrever a rede
iônica.
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Ligação iônica
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27
Ligação iônica

A formação de uma rede cristalina a partir dos íons na
fase gasosa é exotérmica:
Na+(g) + Cl-(g) → NaCl(s) ΔH = -788 kJ/mol

Energia de rede: é a energia necessária para separar
completamente um mol de um composto sólido iônico
em íons gasosos.
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Ligação iônica

A energia de rede depende das cargas nos íons e dos
tamanhos dos íons:
Q1Q2
El  
d


F k
Q1.Q2
e E  F .d
2
d
k é uma constante (8,99 x 109 J m/C2), Q1 e Q2 são as cargas
nas partículas e d é a distância entre seus centros.
A energia de rede aumenta à medida que:


As cargas nos íons aumentam
A distância entre os íons diminui
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Ligação iônica
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30
Ligação iônica

Em geral, os elétrons são removidos dos orbitais em
ordem decrescente de n (i.e. os elétrons são removidos
do 4s antes do 3d).

As energias de rede compensam a perda de até três
elétrons.

Os íons poliatômicos são formados quando há uma
carga global em um composto contendo ligações
covalentes. Por exemplo, SO42-, NO3-.
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Ligação covalente

Quando dois átomos similares se ligam, nenhum deles
quer perder ou ganhar um elétron para formar um octeto.

Átomos compartilham pares de elétrons para que cada
um atinja o octeto.

Cada par de elétrons compartilhado constitui uma
ligação química.

Por exemplo: H + H → H2 tem elétrons em uma linha
conectando os dois núcleos de H.
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Ligação covalente
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33
Ligação covalente

Estruturas de Lewis

As ligações covalentes podem ser representadas pelos
símbolos de Lewis dos elementos:
Cl

Cl
+
Cl
Cl Cl
Nas estruturas de Lewis, cada par de elétrons em uma
ligação é representado por uma única linha:
Cl
H F
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H O
H
H N H
H
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H
H C H
H
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Ligação covalente

É possível que mais de um par de elétrons seja
compartilhado entre dois átomos (ligações múltiplas):



Um par de elétrons compartilhado = ligação simples (H2);
Dois pares de elétrons compartilhados = ligação dupla (O2);
Três pares de elétrons compartilhados = ligação tripla (N2).
H H

O O
N N
Em geral, a distância entre os átomos ligados diminui à
medida que o número de pares de elétrons
compartilhados aumenta.
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Ligação covalente coordenada
Uma ligação covalente onde cada átomo ligado contribui
com um elétron do par compartilhado, é denominada ligação
covalente normal
Ex: NH3
No íon amônio (NH4+) um dos átomos de H está ligado ao
N por um par de elétrons proveniente do átomo de N- Ligação
covalente coordenada
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Ligação covalente

Polaridade da ligação

O compartilhamento de elétrons para formar uma ligação
covalente não significa compartilhamento igual daqueles
elétrons.

Existem algumas ligações covalentes nas quais os elétrons
estão localizados mais próximos a um átomo do que a
outro.

O compartilhamento desigual de elétrons resulta em
ligações polares.
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Ligação covalente

Eletronegatividade e polaridade de ligação

A diferença na eletronegatividade entre dois átomos é
uma medida da polaridade de ligação:



as diferenças de eletronegatividade próximas a 0 resultam
em ligações covalentes apolares (compartilhamento de
elétrons igual ou quase igual);
as diferenças de eletronegatividade próximas a 2 resultam
em ligações covalentes polares (compartilhamento de
elétrons desigual);
as diferenças de eletronegatividade próximas a 3 resultam
em ligações iônicas (transferência de elétrons).
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Ligação covalente

Eletronegatividade e polaridade de ligação

Não há distinção acentuada entre os tipos de ligação.
A extremidade positiva (ou polo) em uma ligação polar é
representada por δ+ e o polo negativo por δ-.

4,0 – 4,0 = 0,0
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4,0 – 2,1 = 1,9
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4,0 – 1,0 = 3,0
39
Ligação covalente


Momento de dipolo - μ
Considere HF:




A diferença de eletronegatividade leva a uma ligação polar.
Há mais densidade eletrônica no F do que no H.
Uma vez que há duas ‘extremidades’ diferentes da
molécula, chamamos o HF de um dipolo.
O momento de dipolo, μ, é a ordem de grandeza do
dipolo:
  Qr


onde Q é a grandeza das cargas e r a distância entre elas.
Os momentos de dipolo são medidos em debyes (D).
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Estruturas de ressonância



Algumas moléculas não são bem representadas pelas
estruturas de Lewis.
Normalmente, as estruturas com ligações múltiplas
podem ter estruturas similares às ligações múltiplas
entre diferentes pares de átomos.
Exemplo: experimentalmente, o ozônio tem duas
ligações idênticas, ao passo que a estrutura de Lewis
requer uma simples (mais longa) e uma ligação dupla
(mais curta).
O
O
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O
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Estruturas de ressonância
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42
Estruturas de ressonância

As estruturas de ressonância são tentativas de
representar uma estrutura real, que é uma mistura entre
várias possibilidades extremas.
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43
Estruturas de ressonância




O benzeno consiste de seis átomos de carbono em um
anel hexagonal. Cada átomo de C está ligado a dois
outros átomos de C e um átomo de hidrogênio.
Existem ligações simples e duplas alternadas entre os
átomos de C.
A estrutura experimental do benzeno mostra que todas
as ligações C-C têm o mesmo comprimento.
Da mesma forma, sua estrutura mostra que o benzeno é
plano.
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Estruturas de ressonância

Escrevemos as estruturas de ressonância para o
benzeno de tal forma que haja ligações simples entre
cada par de átomos de C e os seis elétrons adicionais
estejam deslocalizados por todo o anel:

O benzeno pertence a uma categoria de moléculas
orgânicas chamada de compostos aromáticos (devido ao
seu cheiro).
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45
Exceções à regra do octeto

Existem três classes de exceções à regra do octeto:

moléculas com número ímpar de elétrons;

moléculas nas quais um átomo tem menos de um octeto,
ou seja, moléculas deficientes em elétrons;

moléculas nas quais um átomo tem mais do que um
octeto, ou seja, moléculas com expansão de octeto.
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Exceções à regra do octeto

Número ímpar de elétrons

Poucos exemplos. Geralmente, moléculas como ClO2, NO
e NO2 têm um número ímpar de elétrons.
N O

N O
Deficiência em elétrons



Relativamente raro.
As moléculas com menos de um octeto são típicas para
compostos de Be e B. O exemplo típico é o BF3.
As estruturas de Lewis nas quais existe uma ligação dupla
B—F são menos importantes que aquela na qual existe
deficiência de elétrons.
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Exceções à regra do octeto

Expansão do octeto

Esta é a maior classe de exceções.

Os átomos do 3º período em diante podem acomodar mais
que um octeto.

Além do terceiro período, os orbitais d são baixos o
suficiente em energia para participarem de ligações e
receberem a densidade eletrônica extra.
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Configuração eletrônica
Diagrama Aufbau
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Ligação metálica

Propriedades físicas dos metais

Importantes propriedades físicas dos metais puros:
maleáveis, dúcteis, bons condutores e frios ao tato.

A maioria dos metais é sólido com átomos em um
empacotamento denso.

No Cobre, cada átomo está rodeado por 12 vizinhos.

Não existem elétrons suficientes para que os átomos
metálicos estejam ligados covalentemente entre si.
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Ligação metálica

Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica
 Os elétrons de valência não se encontram ligados a qualquer átomo em
particular no sólido, pertencem ao metal como um todo, e estão mais ou
menos livres para se movimentar por todo o material.
 Formam um "mar de elétrons" ou "nuvem de elétrons".
 Os outros elétrons (não de valência), juntamente com os núcleos, formam os
núcleos iônicos que possuem carga líquida positiva que neutralizam os
elétrons livres.
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51
Ligação metálica

Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica

Como os elétrons livres e o núcleos iônicos se neutralizam,
mutuamente, as forças de repulsão não ocorrem;

Apresenta caráter não direcional, assim como a ligação
iônica;

Propriedades como a condutividade térmica e elétrica e a
fratura dúctil podem ser explicadas por este modelo de
ligação.
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52
Ligação metálica

Problemas com o modelo do mar de elétrons:

À medida que o número de elétrons aumenta, a força da
ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria
aumentar.
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53
Ligação metálica

Modelo do orbital molecular para os metais




A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em
um átomo interajam com orbitais atômicos em átomos
vizinhos.
Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre
um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons
deslocalizados sobre um anel.
Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual ao
número de orbitais atômicos.
Nos metais há um número muito grande de orbitais.
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54
Ligação metálica

Modelo do orbital molecular para os metais

À medida que o número de orbitais aumenta, seu
espaçamento de energia diminui e eles se ligam.

O número de elétrons não preenche completamente a
banda de orbitais. Consequentemente, os elétrons podem
ser promovidos para bandas de energia desocupadas.

Uma vez que as diferenças de energia entre os orbitais
são pequenas, a promoção de elétrons ocorre com um
pequeno gasto de energia.
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55
Ligação metálica

Modelo do orbital molecular para os metais
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56
Ligação metálica

Modelo do orbital molecular para os metais

Ao movermos ao longo da série de metais de transição, a
banda antiligante começa a ficar preenchida.

Desta forma, a primeira metade da série de metais de
transição tem apenas interações ligante-ligante, a segunda
metade tem interações ligante-antiligante.

Espera-se que o meio da série de metais de transição
tenha os pontos de fusão mais altos.
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Ligações intermoleculares




A ligação covalente que mantém uma molécula unida é
uma força intramolecular.
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).
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58
Ligações intermoleculares
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59
Ligações intermoleculares

Também chamadas de forças de van der Waals.

Essas ligações, embora fracas, alteram propriedades
como ponto de fusão e de ebulição em materiais onde
atuam.

Elétrons não são doados nem compartilhados.

A ligação é gerada por assimetrias na distribuição de
cargas no átomo que criam dipolos.
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60
Ligações intermoleculares

Forças Íon - Dipolo

A interação entre um íon e um dipolo (por exemplo, solução
de sal em água).

A mais forte de todas as forças intermoleculares.
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61
Ligações intermoleculares

Forças Dipolo - Dipolo

As forças dipolo-dipolo existem entre moléculas polares
neutras.

Mais fracas do que as forças íon-dipolo.

Há uma mistura de forças dipolo-dipolo atrativas e repulsivas
quando as moléculas se movimentam.

Se duas moléculas têm aproximadamente a mesma massa e
o mesmo tamanho, as forças dipolo-dipolo aumentam com o
aumento da polaridade.
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62
Ligações intermoleculares

Forças Dipolo - Dipolo
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63
Ligações intermoleculares

Forças Dipolo - Dipolo
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64
Ligações intermoleculares

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 ou induzido).
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Ligações intermoleculares

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.
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Ligações intermoleculares
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Forças de dispersão de London
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Polarizabilidade: 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.
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Ligações intermoleculares

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 cilíndricas.
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Ligações intermoleculares
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Ligação de hidrogênio
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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.
H ligado a um elemento eletronegativo (mais importante
para compostos de F, O e N).



Os elétrons na H-X (X = elemento eletronegativo) encontramse muito mais próximos do X do que do H.
H tem apenas um elétron, dessa forma, na ligação H-X, o H
δ+ apresenta um próton quase descoberto.
Consequentemente, as ligações de H são fortes.
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Ligações intermoleculares
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Ligação de hidrogênio
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Ligações intermoleculares

Ligação de hidrogênio
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Flutuação do gelo
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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, consequentemente, o gelo é menos denso do que a
água.

Na água, o comprimento da ligação H-O é 1,0 Å. O comprimento
da ligação de hidrogênio O…H é 1,8 Å.
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O gelo tem águas ordenadas em um hexágono regular aberto.
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Cada + H aponta no sentido de um par solitário no O.
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Ligações intermoleculares
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Ligação de hidrogênio
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Ligações intermoleculares
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Ligações secundárias
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