Slide - Interações Intermoleculares - Química Geral 2020-1

Disciplina: Química Geral 2020 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Interações intermoleculares Estado físico e propriedades das substâncias ▪ Interações intermoleculares → Propriedades das substâncias (Ponto de fusão, ponto de ebulição, solubilidade,...) Gases, líquidos e sólidos (Brown, 2016) 2 Cloro, CI2 Bromo, Br2 Iodo, I2 (Kotz, 2016) (Chang, 2007) (Brown, 2016) ➢ Substâncias com ligações covalentes 3 ▪ Moleculares (ex: O2, N2, H2O, CH3Cl, … ) ▪ Retículos (ex: grafite, diamante … ) ▪ Compostos iônicos (ex: NaCl) Interações intermoleculares (Brown, 2016) (Chang, 2007) Ligação Força Magnitude (kJ mol-1) química Iônica Covalente  100-1000  100-800 Intermolecular Íon-dipolo Dipolo-dipolo Dispersão Ligação-H  10-100  0,1-15  0,1-4  5-40 4 Interações intermoleculares e intramoleculares Acetonitrila ➢ Inter-molecular (Brown, 2016) (Atkins, 2018) ➢ Intra-molecular Ligação Força Magnitude (kJ mol-1) química Iônica Covalente  100-1000  100-800 Intermolecular Íon-dipolo Dipolo-dipolo Dispersão Ligação-H  10-100  0,1-15  0,1-4  5-40 Dipolos moleculares ▪ Dipolo permanente (m  0) 5 H2O H H O clorometano (CH3Cl) Cl H H H C ✓ Polaridade molecular Momento de dipolo, notação da seta pela convenção moderna (Brown, 2016) (Atkins, 2018) Carga parcial negativa Carga parcial positiva ▪ Força fundamental eletromagnética 6 Interações intermoleculares 𝐹 = 𝑘 𝑞1𝑞2 𝑟2 Força de Coulomb 1) Interação íon-dipolo (Brown, 2016) Forças de Van der Waals 2) Interação dipolo - dipolo 3) Interação de dipolo - dipolo induzido 4) Interação de dipolo instantâneo - dipolo induzido (Força de dispersão de London) 5) Ligações de hidrogênio (polar) (apolar = não polar) (polar) (polar) 1) As Forças íon-dipolo 7 ▪ Interação entre íons e dipolo permanente (Brown, 2016) (Brown, 2016) ✓ Hidratação 1) As Forças íon-dipolo 8 ▪ Interação entre íons e dipolo permanente (Kotz, 2016) 𝐸𝑝 ≈ − |𝑧|𝜇 𝑟2 Intensidade do dipolo carga do íon distância Entalpia de Hidratação (Kotz, 2016) 2) As forças dipolo-dipolo 9 ▪ Interação entre dipolo permanente e dipolo permanente 𝐸𝑝 ≈ − 𝜇1𝜇2 𝑟3 (Brown, 2016) A interação dipolo-dipolo é mais fraca que a íon-íon e íon-dipolo! CH3CN sólido CH3CN líquido (Brown, 2016) 𝜇 - momento de dipolo 2) As forças dipolo-dipolo 10 ▪ Para moléculas de tamanho e massa semelhantes, a força das interações intermoleculares aumenta com o aumento da polaridade das moléculas! 𝐸𝑝 ≈ − 𝜇1𝜇2 𝑟3 (Brown,2016) gás líquido 3) As forças dipolo – dipolo induzido 11 ▪ Interação entre dipolo permanente - dipolo induzido H2O Polar Dipolo Dipolo induzido O2 Apolar Presente quando uma molécula polar induz um dipolo instantâneo em uma molécula apolar. (Kotz, 2016) ✓ Intensidade depende do dipolo (m) e da polarizabilidade (a) das moléculas. 𝐸𝑝 ≈ − 𝜇1 2𝛼2 𝑟6 (polar) (não polar) 3) As forças dipolo – dipolo induzido 12 ▪ Interação entre dipolo permanente - dipolo induzido Dipolo Dipolo induzido Presente quando uma molécula polar induz um dipolo instantâneo em uma molécula apolar. (Kotz, 2016) (Kotz, 2016) ✓ Intensidade depende do dipolo (m) e da polarizabilidade (a) das moléculas. 𝐸𝑝 ≈ − 𝜇1 2𝛼2 𝑟6 4) A força de dispersão de London 13 ▪ Interação entre dipolo instantâneo - dipolo induzido Ex: Gases nobres (He, Ne, Ar,...) ✓ Interação depende da Polarizabilidade (a) 𝐸𝑝 ≈ − 𝛼1𝛼2 𝑟6 Como átomos ou moléculas apolares (m = 0) podem interagir? Nuvem de elétrons em cada instante. (Atkins, 2018) (não polar) (não polar) A flutuação rápida da distribuição eletrônica em duas moléculas vizinhas. (Atkins, 2018) 14 ▪ Interação entre dipolo instantâneo - dipolo induzido A polarizabilidade (a) tende a aumentar com o aumento do número de elétrons/tamanho do átomo ou molécula. (Brown,2016) 4) A força de dispersão de London Gases nobres (Ne, Xe, Ar...) 15 ▪ Interação entre dipolo instantâneo - dipolo induzido ➢ As formas espaciais também influenciam nas magnitudes das forças de dispersão de London. (Brown, 2016) 4) A força de dispersão de London n-pentano Tebul. = 309,4 K n-pentano e neopentano : fórmula molecular C5H12 : Massa molar = 72 g mol-1 2,2-Dimetilpropano (neopentano) Tebul. = 282,7 K (Atkins, 2018) 5) A ligação de hidrogênio ▪ A ligação de hidrogênio ocorre quando um átomo de hidrogênio está ligado a um átomo pequeno e fortemente eletronegativo (ex: N, O, F). Esse átomo de hidrogênio terá um polo positivo significativamente grande e irá interagir fortemente com elétrons disponíveis em outro átomo. 16 Ligação de hidrogênio (Adaptada de Atkins, 2018) ➢ Dentre as interações intermoleculares a ligação de hidrogênio é a mais forte, podendo chegar a ter 10% da energia de uma ligação covalente; ➢ Em algumas moléculas ela predomina, mesmo no estado gasoso; ➢ A ligação de hidrogênio possui caráter direcional. Ela é mais forte quanto mais próximo o ângulo O-H-O for próximo de 180°; 5) A ligação de hidrogênio Herbst, M.H.; Filho, A.R.M.; Um olhar sobre as ligações de hidrogênio, Quím. nova esc., v. 41, n° 1, p. 10-16, 2019. 17 ➢ A ligação de hidrogênio pode ser ainda mais complexa, por exemplo, a interação de uma molécula de água com um benzeno. ➢ Imagem Microscopia de Força Atômica de ligações de hidrogênio visualizadas em Quinonas. Zhang, J. et al., Science 2013. 5) A ligação de hidrogênio ▪ Os pontos de ebulição da maior parte dos hidretos moleculares dos elementos do bloco p mostram um aumento brando com a massa molar em cada grupo. Para a amônia, água e fluoreto de hidrogênio temos um comportamento anormal → Ligação de Hidrogênio! 18 (Atkins, 2018) 19 Relembrando 1) Interação íon-dipolo 2) Interação dipolo - dipolo 3) Interação de dipolo - dipolo induzido 4) Interação de dipolo instantâneo - dipolo induzido (Força de dispersão de London) 5) Ligações de hidrogênio ▪ Propriedades e aplicações relacionadas às interações intermoleculares Forças de Van der Waals Referências ▪ ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. 1094 p. ▪ BROWN , T. L. ET AL. Química. A Ciência Central. 13. ed. São Paulo: Pearson, 2016. 1216 p. ▪ CHANG, R. Química Geral. Conceitos Essenciais. 4° Ed. Porto Alegre: McGrawHill, 2007. 778 p. ▪ KOTZ, J.C.; ET AL. Química Geral e Reações Químicas. 9° ed. São Paulo: Cengage, 2016 p. 20 Disciplina: Química Geral 2020 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Interações intermoleculares Propriedades e aplicações 2 Interações intermoleculares 1) Interação íon-dipolo 2) Interação dipolo - dipolo 3) Interação de dipolo - dipolo induzido 4) Interação de dipolo instantâneo - dipolo induzido (Força de dispersão de London) 5) Ligações de hidrogênio ▪ Propriedades e aplicações relacionadas as interações intermoleculares Forças de Van der Waals Propriedades relacionadas as interações intermoleculares ▪ Formação de soluções; 3 ▪ Propriedades do líquidos: viscosidade, capilaridade, tensão superficial; ▪ Classificação de sólidos conforme o tipo de ligação/interação; Formação de soluções Alguns fatores devem ser avaliados na formação de uma solução: ➢ Interações soluto-soluto; ➢ Interações solvente-solvente; ➢ Interações soluto-solvente; 4 Mistura espontânea de dois gases formando uma mistura homogênea (solução) (Brown, 2016) Sais hidratados (Kotz, 2016) ✓ Entalpia: variação de energia do processo, que será endotérmico (H > 0) ou exotérmico (H < 0). Entalpia de dissolução: Hdissol ✓ Entropia: S (grau de desordem) Formação de soluções ▪ Interações intermoleculares 5 (Brown, 2016) Mistura homogênea (solução) (Brown, 2016) Formação de soluções ➢ Interações soluto-soluto; ➢ Interações solvente-solvente; ➢ Interações soluto-solvente; Processo de dissolução em três etapas. (Chang, 2007) 6 Hdissol = H1 + H2 + H3 ✓ Entalpia de dissolução: Hdissol ✓ Entropia: S (grau de desordem) Processo endotérmico (H > 0) ou exotérmico (H < 0). Dissolução de um sólido (Atkins, 2018) Dissolução de um sal ▪ As ligações de hidrogênio da água têm que ser quebradas; ▪ O NaCl se dissocia em Na+ e Cl- ; ▪ Formam-se interações: Na+ ... -OH2 e Cl- ... +H2O; ▪ Os íons ficam solvatados pela água. 7 (Brown, 2016) Sais hidratados (Kotz, 2016) Dissolução de um sal (Brown, 2016) 8 Formação de soluções ▪ MgSO4 em água Hdissol = -91,2 kJ mol-1 (Exotérmica H < 0) ▪ NaOH em água Hdissol = -44,48 kJ mol-1 (Exotérmica H < 0) ▪ NH4NO3 em água Hdissol = +26,4 kJ mol-1 (Endotérmica H > 0) 9 Dissolução de um sólido (Atkins, 2018) ▪ Solubilidade do NaCl em água a 0 °C é de 35,7 g por 100 mL de água. A regra ”igual dissolve igual” 10 (Kotz, 2016) Hidrocarboneto ▪ Água e Etanol → mistura homogênea; Água e Gasolina → não se misturam; (polar) (polar) (polar) (não polar) (Brown, 2016) Propriedades dos líquidos ▪ Viscosidade: propriedade que caracteriza a resistência de um líquido ao escoamento. 11 Glicerol (alta viscosidade) (Chang, 2007) (Brown, 2016) Propriedades dos líquidos 12 ▪ Capilaridade: a tendência que os líquidos apresentam de subir em tubos finos (capilares) devido a interações intermoleculares entre o tubo e o líquido; Formatos de meniscos de água e mercúrio em tubos de vidro. (Brown, 2016) Propriedades dos líquidos ▪ Tensão superficial: Efeito físico que faz com a que a camada superficial de um líquido venha se comportar como uma membrana elástica. 13 Superfície hidrofóbica (Atkins, 2018) (Atkins, 2018) (Chang, 2007) 14 Temperatura (°C) Densidade (g/mL) ▪ Densidade da água: Comportamento anômalo da água (Kotz, 2016) (Brown, 2016) A ligação de hidrogênio no gelo (Brown, 2016) Expansão da água durante o congelamento. (Brown, 2016) Ligações de hidrogênio e a densidade da água Bioquímica 15 ▪ Ligações de hidrogênio no DNA (Kotz, 2016) Ligações de hidrogênio entre adenina e timina. adenina timina (Kotz, 2016) As forças intermoleculares e os estados da matéria 16 (Brown, 2016) A classificação dos sólidos 17 Cristalinos Amorfos (Brown, 2016) (Brown, 2016) A classificação dos sólidos 18 ▪ Classificação de sólidos conforme o tipo de ligação/interação (Brown, 2016) Sólidos moleculares 19 (Brown, 2016) ▪ Átomos ou moléculas unidos por forças intermoleculares ➢ Forças dipolo-dipolo ➢ Forças de dispersão de London ➢ Ligações de hidrogênio Os sólidos moleculares geralmente são macios e fundem em temperaturas baixas (<200 °C) Dióxido de enxofre (SO2) (Chang, 2007) (Brown, 2016) Iodo (I2) Sólidos covalentes 20 ▪ Átomos unidos em grandes redes ou cadeias por ligações covalentes (Brown, 2016) Grafita (Atkins, 2018) Diamante (Chang, 2007) Os sólidos covalentes normalmente são duros e rígidos por conta das ligações covalentes que os unem. Esses materiais têm pontos de fusão e de ebulição elevados. Sólidos iônicos 21 ▪ Íons mantidos juntos por ligações iônicas (Brown, 2016) NaCl (Kotz, 2016) Os sólidos iônicos apresentam pontos de fusão elevados. A estrutura dos sólidos iônicos depende da razão entre os raios do cátion e do ânion. Sólidos metálicos 22 ▪ Átomos metálicos (Brown, 2016) Condutividade, maleabilidade e brilho – deslocalização dos elétrons pela rede cristalina do metal devido à baixa energia de ionização dos mesmos. (Brown, 2016) Difração de raios X por um cristal 23 ▪ Cristalografia de Raios X (Brown, 2016) 24 Relembrando ▪ Formação de soluções; ▪ Propriedades do líquidos; ▪ Classificação de sólidos conforme o tipo de ligação/interação; Referências ▪ ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. 1094 p. ▪ BROWN , T. L. ET AL. Química. A Ciência Central. 13. ed. São Paulo: Pearson, 2016. 1216 p. ▪ CHANG, R. Química Geral. Conceitos Essenciais. 4° Ed. Porto Alegre: McGrawHill, 2007. 778 p. ▪ KOTZ, J.C.; ET AL. Química Geral e Reações Químicas. 9° ed. São Paulo: Cengage, 2016 p. 25