Átomos, íons, moléculas e compostos iônicos e forças intermoleculares

QUÍMICA BÁSICA: TRANSFORMAÇÕES

Prof. Ary MaiaUFPB/CCEN/DQ

Átomos, íons, moléculas e compostos iônicos e

Forças Intermoleculares

Uma molécula é um agregado de dois ou mais átomos em um arranjo definido, mantidos juntos através de ligações químicas

H2 H2O NH3 CH4

Uma molécula diatômica contém somente dois átomos

H2, N2, O2, Br2, HCl, CO

Uma molécula poliatômica contém mais de dois átomos

O3, H2O, NH3, CH4

Um íon é um átomo, ou grupo de átomos, que apresentam uma carga final positiva ou negativa

cátion – íon com uma carga positivase um átomo neutro perde um ou mais elétronsse transforma em um cátion.

ânion – íon com uma carga negativase um átomo neutro ganha um ou mais elétronsse transforma em um ânion.

Na 11 prótons11 elétrons

Na+ 11 prótons10 elétrons

Cl 17 prótons17 elétrons

Cl-17 prótons18 elétrons

Um íon monoatômico contém apenas um átomo

Um íon poliatômico contém mais de um átomo

Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3-

OH-, CN-, NH4+, NO3

-

13 prótons, 10 (13 – 3) elétrons

34 prótons, 36 (34 + 2) elétrons

Você compreendeu íons?

Quantos prótons e elétrons existem em Al2713

?3+

Quantos prótons e elétrons existem em Se7834

2- ?

2.5

Uma fórmula molecular mostra o número exato de átomos de cada elemento na menor unidade da uma substância

Uma fórmula empírica (também conhecida como fórmula mínima)mostra a razão mais simples entre os átomos em uma substância

H2OH2O

molecular empírica

C6H12O6 CH2O

O3 O

N2H4 NH2

Uma composição percentual mostra a massa relativa de cada elemento na massa total do composto, na forma de uma relação percentual.

Ex: Para a amônia (NH3):

Massa percentual do N na amônia

Massa percentual do H na amônia

Logo a NH3 tem uma composição centesimal aproximada de:82,27% de Nitrogênio e 17,76% de Hidrogênio

3

3

NH de mol 1 de massaNH de mol 1 em N de massa %27,82100*

3NH de 17,030gN de 14,01g

3

3

NH de mol 1 de massaNH de mol 1 em H de massa %76,17100*

3NH de 17,030gH de 3,024g

A partir da composição percentual de uma amostra é possível determinar-se a fórmula empírica e a fórmula molecular.

Ex: Para a hidrazina, sua composição percentual é 87,42% de N e 12,58% de H. Determine sua fórmula empírica e fórmula

molecular:

A partir desta composição percentual pode-se afirmar que em 100g de hidrazina existem 87,42 g de N e 12,58 g de H. Logo:

Observando-se a relação entre estes números de moles:

Sabendo-se que a massa molar da hidrazina é 32,0 g/mol determina-se que a fórmula molecular da hidrazina é

N2H4.

N de moles 241,6*N de g 42,87 N de 14,007gN de mol 1

H de moles 48,12*H de g 2,581 H de 1,0079gH de mol 1

2N de moles 00,1H de moles 00,2

N de mol 6,241H de mol 12,48 NH

Compostos iônicos consistem de um cátion e um ânion

• a fórmula é sempre a mesma da fórmula empírica

• a soma das cargas dos cátions e ânions em cada unidade de fórmula tem que ser zero

O composto iônico NaCl

Fórmula de Compostos Iônicos

Al2O3

2 x +3 = +6 3 x -2 = -6

Al3+ O2-

CaBr2

1 x +2 = +2 2 x -1 = -2

Ca2+ Br-

Na2CO3

1 x +2 = +2 1 x -2 = -2

Na+ CO32-

Alguns íons poliatômicos

NH4+ amônio SO4

2- sulfato

CO32- carbonato SO3

2- sulfito

HCO3- bicarbonato NO3

- nitrato

ClO3- clorato NO2

- nitrito

Cr2O72-

dicromato SCN- tiocianato

CrO42- cromato OH- hydróxido

Por que a agulha flutua?

Forças Intermoleculares: (inter = entre) entre molecules

O que determina se uma substância é sólida, líquida ou gasosa?

e a temperatura (energia cinética) das moléculas.

Gases: A energia cinética média das moléculas gasosas é muito maior que a energia média das atrações entre elas.

Líquidos: As forças atrativas intermoleculares são fortes o suficiente para manter as moléculas próximas, mas sem muita ordem.

Sólidos: As forças atrativas intermoleculares são fortes o suficiente para bloquear as moléculas em um local (elevada ordenação).

Eles são dependentes da tempratura?

A intensidade das forças intermoleculares são geralmente menores que as ligações iônicas e covalentes.

16 kJ/mol (para separar as moléculas)

431 kJ/mol (para quebrar a ligação)

++-

-

Tipos de Forças Intermoleculares (entre moléculas neutras):

Forças Dipolo-dipolo : (moléculas polares)

SO O..::

....

:+

--

SO O..::

....

:+

--

Atração dipolo-dipolo

Que tipo de efeito esta atração tem sobre o ponto de ebulição?

Moléculas polares têm atraçãodipolo-dipolo entre elas.

+HCl----- +HCl-

Atração dipolo-dipolo

Tipos de forças intermoleculares (entre moléculas neutras):

Ligação de Hidrogênio: casos de interações dipolo-dipolo muito fortes (ligações envolvendo H-F, H-O, e H-N são os casos mais importantes).

+H-F- --- +H-F-

Ligação de Hidrogênio

Ligação de Hidrogênio é uma força de interação atrativa que ocorre entre um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a um um átomo muito pequeno e altamente eletronegativo e um par isolado de um outro átomo pequeno e eletronegativo (F, O, or N).

Prediga uma tendência para: NH3, PH3, AsH3, e SbH3

Ponto de Ebulição vs massa molecular

100

0

-100

Prediga uma tendência para : NH3, PH3, AsH3, e SbH3

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 50 100 150

Molecular Weight (g/mol)

Boi

ling

Pt (

Cel

cius

)

NH3

PH3

AsH3

SbH3

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 50 100 150

Molecular Weight (g/mol)

Boi

ling

Pt (

Cel

cius

)

NH3

PH3

AsH3

SbH3

Observando agora para HF, HCl, HBr, e HI

HF

HClHBr

HI

Tipos de forças intermoleculares (entre moléculas neutras):

“elétrons são deslocados para o lado de sobrecarga de um átomo ou molécula”.

Forças de dispersão de London: (momento dipolo instantâneo)( também chamadas de forças de van der Waal’s)

+ +- -

atração

polarizabilidade: a facilidade com que um átomo ou molécula pode ser distorcida para ter um dipolo instantâneo.

Em geral moléculas grandes são mais

facilmente polarizáveis que as pequenas.

pequenaGrande e“mole”

Outros tipos de forças mantendo os sólidos unidos:

Ligaçõão iônica: “íons permanecem ligados por suas cargas”

Não existem moléculas individuais neste caso.

Ligação Metálica: “mar de elétrons”

Fio de Cobre: O que mantêm os átomos juntos?

Átomos de Cu

Um elétron da camada externa

A que núcleo este elétron pertence?

Ligção Metálica: “Mar de elétrons”

Rede covalente: (diamante, quartz) muito forte.

1.54 Å

3.35 Å

1.42 Å

Que tipo de hibridização é esperada em cada espécie?

Nome Tipo de sólido Força Ponto de Fusão

(oC) Ponto de ebulição

(oC)

Ne

molecular

-249

-246

H2S

molecular

-86

-61

H2O

molecular

0

100

Mercury

metálico

-39

357

W

metálico

3410

5660

CsCl

iônico

645

1290

MgO

iônico

2800

3600

Quartz (SiO2)

Rede covalente

1610

2230

Diamond (C)

Rede covalente

3550

4827

Isomeros do Pentano: C5H12

iso-pentanon-pentano neo-pentano

Hvap=25.8 kJ/mol Hvap=24.7 kJ/mol Hvap=22.8 kJ/mol

Todos os três têm a mesma fórmula molecular C5H12

Por que eles têm diferentes energias de vaporização?

As Forças de London e as ramificações

n-pentano

C-C-C-C C

iso-pentano

CC-C-C C

neo-pentano

As Forças de London e as ramificações

Hvap=25.8 kJ/mol

Hvap=24.7 kJ/mol

Hvap=22.8 kJ/mol

Efeito das estruturas no ponto de ebulição

Interação íon-dipolo: assim como um sal dissolvido na água

Molécula polar

cátion

ânion

Mudanças de fase:

sólido líquido (fusão cristalização)

líquido gás (vaporização condensação)

sólido gás (sublimação resublimação)

Mudanças de Energia que acompanham as mudanças de fase

Curva de aquecimento para 1 g de água

Hfus=334 J/g

Calor específico do gelo= 2.09 J/g•K

Calor específico da água= 4.184 J/g•K

Hvap=2260 J/g

Calor específico do vapor= 1.84 J/g•K

Curva de aquecimento para 1 g de água

Calcule a mudança de entalpia necessária para converter 1 mol de água do gelo a -12oC até vapor a 115oC.

sólido-12oC

sólido0oC

líquido0oC

líquido100oC

gás100oC

gás115oC

H1 + H2 + H3 + H4 + H5 = Htotal

Sp. Ht. + Hfusão + Sp. Ht. + HVaporização + Sp. Ht. = Htotal

Calor específico do gelo = 2.09 J/g•K

Hfus=334 J/g

Calor específico da água = 4.184 J/g•K

Calor específico do vapor = 1.84 J/g•K

Hvap=2260 J/g

Presão de vapor

Curvas de Pressão de Vapor

Um líquido evapora quando sua pressão de vapor se iguala a presão externa.

Ponto de Ebulição normal é a temperatura na qualUm líquido evapora sob uma atmosfera de pressão.

líquido

pressão = 1 atm

Presão de vapor = 1 atm

Vaporização

Diagram de Fases: (Temperatura vs. Pressão)

(Todas as três fases coexistem aqui)

gás e líquido sãoindistinguiveis.

Temperatura criticaE Pressão critica

H2O CO2

Observar a inclinação com a pressão Observar a inclinação

com a pressão

Estruturas Cristalinas:

Células Unitárias:contém 1 átomo contém 2 átomos

contém 4 átomos