Forças intermoleculares Sólidos e Líquidos

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1 Forças intermoleculares Sólidos e Líquidos
Felix Velotto Notario 14397 Marion Yudi Arai Ohira 14416

2 Algumas propriedades dos líquidos
Viscosidade A resistência de um líquido para fluir é chamada viscosidade. Quanto maior a viscosidade de um líquido, mais lentamente ele flui. A viscosidade aumenta com a massa molecular e diminui com o aumento da temperatura. Unidade: poise que é 1 g/cm.s (cP)

3 Algumas propriedades dos líquidos
Tensão superficial Tensão superficial é a energia necessária para aumentar a área superficial de um líquido em quantidade unitária. Ex: 7,29.10ֿ² J/m² significa que é necessário fornecer essa energia para aumentar a área do líquido em 1 m². Ex: Inseto flutuando na água. Força coesiva X Força adesiva Força coesiva: força intermolecular que une moléculas similares. Forças adesivas: força intermolecular que une uma substância a uma superfície. Nada relacionado com os adesivos das meninas super-poderosas. Ex.: Menisco no tubo de ensaio quando se tem água ou mercúrio.

4 Algumas propriedades dos líquidos
Viscosidade e tensão superficial.

5 Forças intermoleculares
Ex.: HCl é uma molécula polar porque as eletronegatividades dos átomos são diferentes.

6 Forças dipolo-dipolo Geralmente mais fracas que as forças íon-dipolo.
Nas moléculas de tamanho e massa aproximadamente iguais, a força das atrações intermoleculares aumenta com o aumento da polaridade. Moléculas de polaridades comparáveis: as com menores volumes moleculares geralmente sofrem maiores forças atrativas.

7 Forças dipolo-dipolo

8 Forças de dispersão de London
Em 1930 Fritz London, um físico germano-americano identificou que um átomo ou molécula pode criar um momento de dipolo instantâneo. Ex.: coleção de átomos de hélio. As forças de dispersão ocorrem entre todas as moléculas, não importa se elas são polares ou apolares. Estima-se que a força de dispersão seja responsável por 80٪ da atração total entre as moléculas.

9 Forças de dispersão de London
A força de dispersão de London é uma interação atrativa que ocorre quando o dipolo temporário de um átomo pode induzir um dipolo similar em um átomo adjacente, fazendo com que os átomos sejam atraídos entre si. Pode ser chamada meramente de força de dispersão. Tal força é significativa tão somente quando as moléculas estão próximas, como as dipolo-dipolo. Polarizabilidade: facilidade com que a distribuição de cargas em uma molécula pode ser distorcida por um campo elétrico externo. Ex.: os pontos de ebulição dos halogênios e dos gases nobres aumentam com o aumento da massa molecular.

10 Ligação de Hidrogênio Poder ser considerada atração dipolo-dipolo ímpar. Como F, O e N são bastante eletronegativos, uma ligação com hidrogênio e qualquer um desses elementos é bastante polar, com o hidrogênio no lado positivo. Geralmente mais fortes que as forças dipolo-dipolo e de dispersão. Quando a água congela, as moléculas assumem o arranjo aberto e ordenado. Esse arranjo otimiza as ligações de hidrogênio entre as moléculas, mas ele cria uma estrutura menos densa para o gelo se comparada com a água. Já no estado líquido, cada molécula de água sofre variações contínuas de interação com seu vizinhos.

11 Ligação de hidrogênio Ligação de hidrogênio na água.
Ligação de hidrogênio na amônia.

12 Ligação de hidrogênio Estrutura do gelo.

13 Tendências na ligação de hidrogênio
Seja Y um átomo que possui um par de elétrons não compartilhado e X-H um dipolo. O átomo Y deve possuir um par de elétrons não compartilhado que atraia o lado positivo do dipolo da ligação X-H para que ocorra a ligação de hidrogênio. Esse par de elétrons não deve ser muito difuso no espaço; se os elétrons ocupam um volume muito grande, o dipolo da ligação X-H não sofrerá atração direta muito forte, a não ser que Y seja um átomo muito pequeno e altamente eletronegativo, especificamente N, O ou F.

14 Tendências na ligação de hidrogênio
Entre esses três elementos, a ligação de hidrogênio é mais forte quando o par de elétrons não é atraído também fortemente por seu próprio núcleo. Para determinada ligação X-H, a ligação de hidrogênio aumenta na ordem: X-H···F < X-H···O < X-H···N Quando X e Y são os mesmos, a energia de ligação de hidrogênio aumenta na ordem: H-F···F > H-O···O > H-N···N A ligação de hidrogênio no íon F-H···F está entre as mais fortes conhecidas.

15 Comparando as forças intermoleculares
As forças de dispersão são encontradas em todas as substâncias. A intensidade dessas forças aumenta com o aumento da massa molecular e dependem das formas moleculares. As forças dipolo-dipolo adicionam-se ao efeito das forças de dispersão e são encontradas em moléculas polares. As ligações de hidrogênio, que necessitam de átomos de H ligados a F, O ou N também se adicionam aos efeitos das forças de dispersão. As ligações de hidrogênio tendem a ser o tipo mais forte de força intermolecular. Entretanto, nenhuma dessas forças intermoleculares é tão forte quanto as ligações covalentes e iônicas ordinárias.

16 Mudanças de fases Toda mudança de fases é acompanhada por uma variação na energia do sistema. Processo chamado fusão é medido pelo calor de fusão, ou entalpia de fusão, representado por ∆Hfus. Por exemplo, o calor de fusão do gelo é de 6,01 kJ/mol. Processo chamado vaporização é medido pelo calor de vaporização ou entalpia de vaporização, representado por ∆Hvap. O calor de vaporização da água é de 40,7 kJ/mol. O processo chamado sublimação é medido pelo calor de sublimação, representado por ∆Hsub. ∆Hsub é a soma de ∆Hvap + ∆Hfus. Portanto a água tem aproximadamente 47 kJ/mol de ∆Hsub. O super-resfriamento.

17 Mudanças de fases A temperatura mais alta na qual uma fase líquida distinta pode se formar é chamada temperatura crítica. A pressão crítica é a pressão necessária para levar a liquefação a essa temperatura crítica. As temperaturas e pressões críticas são geralmente de considerável importância para o trabalho de certos profissionais que trabalham com gases, porque elas fornecem informações sob as condições nas quais os gases se liquefazem. Ex.: o gás oxigênio tem temperatura crítica de 154,4 K, enquanto a amônia tem TC de 405,6 K.

18 Mudanças de fases Mistura azeotrópica. Mistura eutética.

19 Pressão de vapor Simplificando, pressão de vapor de um líquido é a pressão exercida por seu vapor quando os estados líquidos e de vapor estão em equilíbrio dinâmico. Um líquido entra em ebulição quando sua pressão de vapor for igual à pressão externa agindo na superfície do líquido. Nesse ponto, bolhas de vapor são capazes de se formar no interior do líquido. A temperatura de ebulição aumenta com o aumento da pressão externa. É característica de um líquido a uma dada temperatura.

20 Pressão de vapor

21 Diagrama de fases O diagrama de fases é um gráfico bidimensional com pressão e temperatura como eixos, que resume as condições de equilíbrio existentes entre os diferentes estados da matéria, além de permitir determinar a fase de uma substância estável em qualquer temperatura e pressão. A única substância presente no sistema é aquela cujo diagrama de fase é examinado.

22 Diagrama de fases

23 Estrutura dos sólidos A unidade de um sólido que se repete é conhecida como célula unitária. Rede cristalina é uma rede tridimensional de pontos, cada um dos quais representa uma vizinhança idêntica no cristal. Pode-se imaginar a formação da estrutura cristalina como um todo arranjando os conteúdos da célula unitária repetidamente em uma rede cristalina. Empacotamento denso de esferas, é possível porque muitas vezes as partículas que constituem os sólidos são esféricas ou aproximadamente esféricas. Empacotamento denso hexagonal: ABAB. Empacotamento denso cúbico: ABCA, a célula unitária é a cúbica de face centrada. Número de coordenação é o número de partículas vizinhas mais próximas de certa partícula em uma estrutura cristalina.

24 Célula cúbica de corpo centrado

25 Célula cúbica simples

26 Célula cúbica de faces centradas

27 Estrutura cristalina do cloreto de sódio
Na+ Cl-

28 Ligações nos sólidos Sólidos moleculares: Átomos e moléculas.
Força de dispersão de London, forças dipolo-dipolo, ligações de hidrogênio. Razoavelmente macio, ponto de fusão de baixo a moderado, condução térmica e elétrica ruim. Ex.: argônio, metano, sacarose, gelo seco. Sólidos metálicos: Átomos. Ligações metálicas. De macios a muito duros, de baixos a altos pontos de fusão, excelentes condutores térmicos e elétricos, maleáveis e dúcteis. Mar de elétrons. EX.: todos os elementos metálicos, Cu, Fe, Al, Pt.

29 Ligações nos sólidos Sólidos covalentes:
Átomos ligados em uma rede de ligações covalentes. Muito duro, pontos de fusão muito altos, geralmente condutores térmicos e elétricos ruins. Ex.: diamante e quartzo. Sólidos iônicos: Íons positivos e negativos. Atrações eletrostáticas. Duros, quebradiços, alto ponto de fusão, pobres condutores térmicos e elétricos. Ex.: sais típicos, NaCl.

30 Estrutura dos sólidos Ametista Fluorita Minério de pirita

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32 Buckybola Amostra de grafite vaporizado com um pulso intenso de luz laser, o vapor de carbono foi carregado para dentro de um espectrômetro de massa usando um jato de gás hélio. Molécula de carbono, composta de 60 átomos de carbono (12 pentágonos, 20 hexágonos). Outras moléculas relacionadas têm sido descobertas. São agora conhecidas como fulerenos.

33 Buckybola Nano-tubos ou "bucky-tubos" (buckytubes), um dos primeiros produtos industriais da nanotecnologia. Há estudos que pretendem utilizar esses materiais em aviões, automóveis e outros meios de locomoção, o que levaria à diminuição de peso e aumento da resistência mecânica. Buckybola: 60 átomos de carbono, 12 pentágonos e 20 hexágonos.

34 Cristalografia Técnica conhecida como cristalografia de raio X, na qual um feixe de raio X é difratado por um cristal. O padrão de difração pode ser gravado como pontos onde os raios X chocam-se com um detector, que grava as posições e as intensidades dos pontos. Hoje a cristalografia de raio X é usada extensivamente para determinar as estruturas de moléculas em cristais. Ex.: molécula cristalina de DNA, a forma de dupla hélice foi deduzida a partir de tal técnica. A difração de raio X também provocou surpresa ao demonstrar a estrutura amorfa do vidro, que é na realidade um líquido super-resfriado com viscosidade tendendo ao infinito.

35 Cristalografia Raio X incidindo em um sólido cristalino e fazendo a projeção. Padrão de difração de raio X do DNA.

36 Equação de Clausius-Clapeyron
A entalpia de vaporização pode ser determinada experimentalmente, sendo a relação quantitativa entre a pressão de vapor (p) e a temperatura absoluta (T) dada pela equação de Clausius-Clapeyron (Chang, 1994): ln (p/p°) = -∆Hvap/R (1/T - 1/T°) ln é o logaritmo neperiano. R é a constante dos gases.

37 Referências bibliográficas
Brown, Lemay, Bursten: QUÍMICA: a ciência central, nona edição.