Sólidos, Líquidos e Forças intermoleculares

Universidade de Brasília
Instituto de Química
Prof. João Batista
Introdução à química de estado sólido
Sólidos, Líquidos e Forças intermoleculares
#Fases da matéria
Fase é qualquer forma na qual a matéria pode existir, sólido, líquido, gás, plasma,
dependendo da temperatura e da pressão. É a parte homogênea de um sistema.
A compressibilidade de líquidos e sólidos, a mudança do volume devido a mudança
da pressão é muito pequena, comparada com gases.
Se a amostra acima de N2 for evaporada, 25oC e 1atm, então irá ocupar um
recipiente de volume maior que 200L. A condensação das moléculas de N2 é devida as
forças intermoleculares.
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#Momento dipolar
Moléculas polares experimentam uma força com relação a um campo elétrico, o
qual tende a alinhar de acordo com o campo. Numa molécula polar a densidade eletrônica
é distorcida. Quando um campo elétrico é criado por um par de terminais carregados, o
lado negativo da molécula será atraído pelo terminal positivo e o lado positivo da molécula
pelo terminal negativo.
A extensão com que as moléculas se alinham com o campo depende do chamado
momento dipolar, µ, o qual é definido com o produto da magnitude das cargas parciais
(δ+ e δ-) e a distância que separa as cargas. A unidade SI do momento dipolar é o
Coulomb-metro, e a unidade mais utilizada é o Debye (D), onde 1D=3,34x10-30C.m).
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#interações entre íons e moléculas com momento dipolar permanente
-
A força da atração íon-dipolo irá depender de alguns fatores:
A distância entre o íon e o dipolo, quanto mais próximo maior a atração
A carga do íon, quanto maior a carga do íon maior será a atração
A magnitude do dipolo permanente, quanto maior o momento dipolar maior a atração.
Exemplo: A água é uma molécula polar. Então se a molécula de água encontra um íon
haverá uma força de atração.
Quando cargas positivas e negativas são atraídas, energia é liberada na formação
do produto da ligação iônica.
Íons metálicos ligados a moléculas de água são ditos hidratados. A energia para
este processo é chamada de calor ou entalpia de hidratação. Para o caso de um
solvente genérico, temos a entalpia de solvatação.
No caso da interação íon-dipolo a energia depende da distância e da carga do íon,
variando com 1/d2.
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H+
-1090 (H3O)+, íon hidrônio
Mg2+
86pm
-1922kJ/mol
- tamanho da carga iônica.
Mg2+ tem maior carga e menor raio iônico, portanto a
energia de hidratação será muito mais negativa.
Íon sódio envolvido por moléculas de água, devido a
interação íon-dipolo.
#Interações entre moléculas de momento dipolar permanente
Quando moléculas polares encontram outras moléculas polares, pode ocorrer
interação, o lado positivo atrai o negativo e vice-versa. Em geral, energia é liberada nesta
interação.
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Condensação do HCl, uma molécula polar,
com o abaixamento da temperatura (-85oC) as
interações dipolo-dipolo superam as forças
repulsivas.
#Ligação de Hidrogênio
Quando temos um átomo de
hidrogênio ligado a um átomo X
eletronegativo, a interação entre o dipolo
da ligação H-X e as moléculas polares é
maior que o esperado para atrações
comuns de dipolo-dipolo. Essa forte
atração é denominada de Ligação de
Hidrogênio.
Vejamos as eletronegatividades:
N(3,0) O(3,5) e F(4,0), essas são as
maiores eletronegatividades, enquanto
que H é 2,1. Portanto, as ligações
covalentes H-N, HF, e HO são as mais
polares.
As moléculas de dimetil éter e etanol
têm a mesma massa molecular e
momentos
dipolares
próximos.
Entretanto, os seus pontos de fusão e
ebulição são bastante diferentes, como
mostra a tabela abaixo.
Momento
dipolar
(D)
Etanol,
1,69
C2H5-OH
Dimetil éter, 1,30
CH3-O-CH3
Ponto
Ponto
de fusão de
(oC)
ebulição
(oC)
-114,1
78,29
-141,5
-24,8
Esta variedade de temperaturas de fusão e ebulição pode ser entendida da seguinte
forma. Quando líquidos entram em ebulição, forças intermoleculares têm que ser
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rompidas para que as moléculas se separem. Portanto, podemos concluir do fato de que
as temperaturas de fusão e ebulição são maiores no etanol do que no éter, significa que
as forças intermoleculares no etanol são maiores que no dimetil éter. O etanol tem
ligações O-H portanto podemos encontras ligações de hidrogênio em etanol.
Se extrapolarmos a linha que
passa po H2S, H2Se e H2Te, o ponto
de ebulição da água seria de –90oC,
ou seja 200oC abaixo do valor.
#Água
Propriedade
Comparação
com
outras
Importância
substâncias
Calor
A maior dos líquidos e sólidos, Previne
mudanças
bruscas
de
específico
com exceção do NH3
temperatura; troca de calor por
movimento da água é bastante grande;
à4,181J/g.K
mantém a temperatura do corpo.
Calor de fusão O maior, com exceção do NH3 Efeito termoestático no ponto de
congelamento devido a absorção ou
à 333J/g
perda de calor
Calor
de Maior de todos as substâncias Importante na troca de calor e água com
a atmosfera
vaporização à
2250J/g
Tensão
Maior de todos os líquidos
Importante na fisiologia das células;
controla certos fenômenos de superfície e
superficial à
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7,2x10 N/m
o comportamento e formação de gotas
Condução de Maior de todos os líquidos
calor
Viscosidade à Menor que outros líquidos a Flui facilmente para igualar a pressão
10-3N.s/m2
mesma temperatura
Constante
A maior de todos os líquidos Capacidade de manter íons separados em
uma solução
dielétrica à 80 exceto H2O2 e HCN
a 200C
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As densidades da água líquida e sólida são diferentes, assim como em outras
substâncias. Entretanto a densidade da água varia com a temperatura de uma maneira
diferente das outras substâncias. Quando a água funde a 0oC ocorre um aumento da
densidade, e a densidade do líquido aumenta ainda mais até chegar a 4oC onde atinge o
máximo. Aumentando ainda mais a temperatura a densidade irá cair, com a ruptura das
ligações de hidrogênio.
Nos lagos, quando se aproxima o inverno, a água resfria, a densidade aumenta a água
gelada vai para baixo e a água quente para cima. Ao atingir 4oC, a densidade máxima é
atingida. Abaixando ainda mais a temperatura, como a água mais gelada que 4oC, é
menos densa que a água a 4oC, a água mais gelada permanece no topo. Com mais perda
de calor o gelo se forma na superfície, flutuando protegendo a água mais inferior de ser
congelada.
As ligações de hidrogênio são responsáveis da alta capacidade térmica da água, e
em parte essa é a razão dos lagos e oceanos terem um enorme efeito no clima.
Forças de Dispersão
São as forças intermoleculares mais comuns encontradas em todas as substâncias
moleculares, tais forças são de natureza eletrostática (cargas), envolvendo dipolos
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induzidos. Um exemplo é o iodo, I2, o qual é não polar e no entanto se solidifica em
condições normais, além de ser solúvel na água.
#Interação entre moléculas polares e não polares.
dipolo permanente – dipolo induzido
dipolo/dipolo induzido.
O processo de induzir um dipolo é chamado de polarização. O grau em que a
nuvem eletrônica de uma espécie pode ser distorcida e o dipolo induzido é chamado de
polarizabilidade.
#Interação entre moléculas não polares.
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As forças de dispersão geralmente tornam-se mais fortes com o aumento do
tamanho e da massa. Forças intermoleculares fortes significam que será necessária uma
maior temperatura para romper estas forças e, assim permitir que moléculas deixem o
líquido e passem para a fase vapor.
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