Foras Intermoleculares

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Resumo da aula referente : Foras intermoleculares

Lembrete: este resumo simplesmente abrange o assunto para melhor entendimento necessrio consultar a bibliografia citada:

- Princpios de Qumica. Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente

Peter Atkins e Loretta Jones (Captulo 1)

Foras Intermoleculares

As foras intermoleculares so responsveis pela existncia das vrias diferentes fases da matria. Uma fase uma forma de matria que tem composio qumica e estado fsico uniforme. As fases da matria incluem os trs estados fsicos comuns: slido, lquido e gasoso (ou vapor). Muitas substncias tm mais de uma fase slida, com arranjos diferentes dos tomos ou das molculas. Por exemplo, o carbono tem vrias fases slidas sendo umas delas o diamante e outra a grafita. Uma fase condensada significa simplesmente uma fase slida ou lquida.

A temperatura na qual um gs se condensa para formar um lquido ou um slido depende da presso e da intensidade das foras atrativas entre as molculas. A Tabela 1, a seguir apresenta as diferentes interaes e compara as suas energias de ligao.

Tabela 1 Foras inter-inicas e intermoleculares*

Tipo de interao

Energia tpica (kJ/mol)

Espcies que interagem

on-on

250

Somente ons

on-dipolo

15

ons e molculas polares

Dipolo-dipolo

2

Molculas polares estacionrias

0,3

Molculas polares em rotao

Dipolo-dipolo induzido

2

Pelo menos uma molcula deve ser polar

London (disperso)**

2

Todos os tipos de molculas

Ligao de hidrognio

20

Molculas que contem N, O, F; a ligao um tomo H compartilhado

* a interao total experimentada por uma espcie a soma de todas as interaes das quais participa;

** tambm conhecido como interao dipolo induzido-dipolo induzido;

Quando as foras atrativas juntam as molculas, formam-se fases condensadas.

1. Foras ion-dipolo, as interaes on-dipolo so fortes para ons pequenos com carga elevada. Em conseqncia, os ctions pequenos com carga elevada formam frequentemente, compostos hidratados. Um exemplo de hidratao a ligao de um on em gua tem certo nmero de molculas de gua a elas ligadas. A hidratao devida ao carter polar da molcula H2O. A carga parcial negativa do tomo O atrada pelo ction e as cargas parciais positivas dos tomos H so repelidas. Espera-se, por isso, que molculas de gua se aglomeram ao redor do ction, com os tomos de O apontando para o interior e os tomos H apontando para o exterior. Espera-se um arranjo inverso no caso de um nion: os tomos H tm cargas parciais positivas; logo, eles so atrados pela carga negativa do nion. Como a hidratao o resultado da interao entre o on e as cargas parciais da molcula polar de gua, e chamada de interao on-dipolo. Essa interao caracterstica de ons dissolvidos em solventes polares, como a gua e a amnia lquida.

2. Foras dipolo-dipolo, as molculas polares participam de interaes dipolo-dipolo, que decorrem da atrao entre as cargas parciais de suas molculas. As interaes dipolo-dipolo so mais fracas do que as foras entre os ons e caem rapidamente com a distancia, especialmente nas fases lquida e gs, em que as molculas esto em rotao. Um exemplo de molcula polar o cloro metano, CH3Cl, com carga parcial negativa do tomo Cl e carga parcial positiva espalhada pelos tomos H. Quando as molculas esto no slido, a carga parcial negativa de um tomo Cl de uma molcula e atrada pela carga parcial positiva dos tomos de H de uma molcula vizinha e repelida pela carga parcial negativa. Em conseqncia, se fossemos vizualizar, as molculas estariam alinhadas o mximo possvel com, mas cargas parciais opostas de molculas vizinhas ficando o mais perto possvel.

3. Foras de London, as interaes de London surgem da atrao entre os dipolos eltricos instantneos de molculas vizinhas e agem em todos os tipos de molculas. Sua energia aumenta com o numero de eltrons da molcula. Elas se sobrepem s interaes dipolo-dipolo. Molculas polares tambm atraem molculas no-polares atravs de interaes fracas dipolo-dipolo induzido.

Em um determinado instante, as nuvens de eltrons dos tomos e molculas no so uniformes. Os eltrons podem se concentrar em algum ponto da molcula, deixando o ncleo parcialmente exposto. Como resultado uma regio da molcula adquire uma carga parcialmente negativa instantnea e, a outra regio, uma carga parcial positiva instantnea. At mesmo uma molcula no-polar pode ter um momento de dipolo instantneo.

Um momento de dipolo instantneo em uma molcula distorce a nuvem de eltrons de uma molcula vizinha e da origem a um momento de dipolo na segunda molcula: os dois dipolos se atraem. No momento seguinte, a nuvem de eltrons da primeira molcula se altera e da origem a um momento de dipolo em uma direo diferente que, por sua vez, induz um momento de dipolo na segunda molcula, e as molculas ainda se atraem. Isso significa que, embora o momento dipolo instantneo de uma molcula pode variar de uma orientao a outra, o momento de dipolo induzido na segunda molcula o segue fielmente e, em decorrncia, existe atrao permanente entre as duas molculas. Essa interao chamada de interao de London. Ela age entre todas as molculas e a nica fora que age entre as molculas no-polares.

A energia das interaes de London depende da polarizabilidade das molculas, isto , da facilidade de deformao das nuvens de eltrons. Como o ncleo das molculas muito polarizveis tem pouco controle sobre os eltrons circundantes, a densidade de eltrons pode flutuar muito e, portanto, cargas parciais instantneas elevadas se produzem.

4. Ligao de hidrognio, ocorre quando tomos de hidrognio esto ligados a tomos de oxignio, nitrognio e flor o tipo mais forte da fora intermolecular. Pontos de ebulio excepcionalmente muito altos sugerem que existem foras atrativas muito fortes entre as molculas. A interao forte responsvel pelos altos pontos de ebulio chamada ligao de hidrognio. Apesar do nome, a ligao de hidrognio no uma ligao covalente. Ela uma atrao intermolecular, na qual um tomo de hidrognio fica entre dois tomos pequenos, fortemente eletronegativos, que tem pares isolados de eltrons, principalmente N, O ou F. Comumente, uma das molculas deve ter um grupo O-H, N-H, ou H-F, que cede o tomo H, e, a outra, um tomo O, N ou F que cede o par isolado de eltrons.

5. Ordem nos lquidos. Os lquidos existem em conseqncia das foras intermoleculares. Essas foras tambm determinam as propriedades fsicas dos lquidos. As molculas de um lquido esto em contato com as molculas vizinhas, mas podem movimentar-se, eventualmente colidindo umas com as outras.

Um slido cristalino tem ordem de longo alcance, ou seja, seus tomos ou molculas esto em um arranjo ordenado que se repete at distancias muito grandes. Quando o cristal funde-se, a ordem de longo alcance se perde. No lquido, a energia cintica das molculas supera, eventualmente, as foras intermoleculares e as molculas se movimentam. Elas, no entanto, ainda experimentam fortes atraes umas m relao as outras. Em um determinado instante, a vizinhana imediata de uma molcula no lquido muito semelhante do slido, mas a ordem no se estende muito alm dos vizinhos mais prximos. Essa ordem local chamada de ordem de curto alcance.

6. Viscosidade e Tenso superficial. A viscosidade e a tenso superficial de um lquido permitem avaliar a energia das foras intermoleculares. A viscosidade a resistncia ao escoamento. Quanto maior for viscosidade do lquido, mais lento o escoamento. Os lquidos de alta viscosidade so chamados de viscosos. A tenso superficial a medida da resistncia do filme que parece cobrir a superfcie de um lquido. Ou seja, a tenso superficial a tendncia das molculas da superfcie de serem puxadas para o corpo do lquido: quanto maior for a tenso superficial, mais resistente o filme da superfcie parece ser.

A viscosidade de um lquido surge das foras entre as molculas: quando as interaes intermoleculares so fortes, elas mantm as molculas unidas e restringem seus movimentos. A viscosidade usualmente diminui quando a temperatura aumenta. As molculas tm mais energia em temperaturas mais altas e podem mover-se mais facilmente.

Outra propriedade dos lquidos que decorre das foras intermoleculares a tenso superficial. A superfcie de um lquido lisa porque as foras intermoleculares tendem a manter juntas as molculas, puxando-as para o corpo do lquido. Espera-se que os lquidos formados por molculas em que as interaes intermoleculares so fortes tenham tenso superficial elevada, porque o empuxo para o corpo do lquido, na superfcie, deve ser forte.

A ao capilar, a elevao de lquidos em tubos estreitos, ocorre quando existem atraes favorveis entre as molculas do lquido e a superfcie interna do tubo. Essas atraes so as foras de adeso, foras que mantm juntas uma substncia e uma superfcie. Elas so distintas das foras de coeso, as foras que unem as molculas de uma substncia para formar um material.

Quanto maior a viscosidade de um lquido, mais lentamente ele escoa. A viscosidade usualmente diminui com o aumento da temperatura. A tenso superficial uma conseqncia do desequilbrio de foras intermoleculares na superfcie de um lquido. A ao capilar uma conseqncia do desequilbrio das foras adesivas e coesivas.

Exerccios

1. Identifique os tipos de foras intermoleculares que podem agir entre as molculas das seguintes substncias:

a. NO2b. N2H4c. HF

2. Quais das seguintes molculas provavelmente formam ligaes hidrognio:

a. H2Sb. CH4c. H2SO3d. PH3