Disciplina:

Laboratório de Transformações Químicas

Universidade Federal do ABC

Prática 2 – Forças Intermoleculares

Hueder Paulo M. de Oliveira

Santo André - SP

2018.1

Dica

• Os grupos devem trazeruma moeda

Tópicos relativos à aula: Ligações Químicas, Interações Intermoleculares, Reações

Químicas.

Atividade pré-aula: Preparação da prática.

Atividade pós-aula: Responder às questões no relatório.

Referência: Rocha, W. R., Interações Intermoleculares, Química Nova na Escola, Cadernos Temáticos, 2001, 4, 31-36.

• Ao se explicar a solubilidade de sais em determinado solvente, uma interpretação bastante simples geralmente é apresentada: “semelhante dissolve semelhante”. Colocando em termos um pouco mais apurados, esta frase significa: “Solvente polar dissolve composto polar. Solvente apolar dissolve composto apolar”.

• Esta simplificação “sobrevive”, em grande parte, pelo fato de que alguns compostos empregados em nosso cotidiano satisfazem tal condição, como por exemplo, quando se dissolve o sal de cozinha em água ou quando se usa uma mistura de hidrocarbonetos como a “aguarrás” para limpar a mão com graxa.

• Entretanto, esta interpretação não encontra suporte na teoria atual sobre a estrutura atômica e sobre o modelo de ligação química, e é isto que verificaremos na aula de hoje.

Água Etanol

Glicerol Parafina Hexano Metanol

Isopropanol

Solventes e Reagentes Disponíveis:

TAREFA: Empregando os solventes e compostos disponibilizados para esta prática, realize

uma série de testes de solubilidade que demonstrem que, apesar da interpretação

“semelhante dissolve semelhante” ser válida para alguns casos, ela não explica todos os

resultados observáveis e, ainda, pode se mostrar contraditória.

Considerações: Para os testes de solubilidade, use aproximadamente 2 mL do solvente

que desejar analisar. Não precisa ser um volume exato. Coloque o solvente em um tubo

de ensaio. Adicione ao tubo uma pequena quantidade do composto que desejar analisar

(somente uma “ponta de espátula” para os sólidos finos e apenas “bolinha” no caso do

iodo (I2)). Se desejar aquecer a mistura, utilize um banho quente disponível durante a

aula.

Solubilidade e Polaridade

•Polaridade de Moléculas:

MOLÉCULA APOLAR R = 0

Em uma molécula apolar o vetor momento dipolar resultante (R ) é igual a zero. Ex: CO2

O = C = O O C O r = Zero

MOLÉCULA POLAR R 0

Em uma molécula polar, o vetor momento dipolar resultante (R) é diferente de zero. Ex: H2O

O

H H

O r Zero (polar)

H H

Diga se as moléculas abaixo são polares ou apolares:

a) Metanol ( CH3OH)

b) Tetracloreto de carbono ( CCl4)

c) Amônia ( NH3)

d) Clorofórmio ( CHCl3)

• Princípio Geral da Solubilidade: (“semelhante dissolve semelhante”)

Substâncias polares são solúveis em substâncias polares (H2O + NH3)

e substâncias apolares são solúveis em substâncias

apolares (CH4 + I2).

• Forças Intermoleculares: I- Interações Dipolo Instantâneo - Dipolo Induzido (Forças de Van Der Waals ou Forças de London): São interações que ocorrem entre moléculas apolares ou gases nobres nos estados sólido e líquido.

Exemplos: I2(s), C6H6(l), Ar(s)

II-Interações Dipolo - Dipolo Permanente:

São interações que ocorrem entre moléculas polares. Exemplo: molécula do HCl

III- Ligação de Hidrogênio:

Intensidades das Forças Intermoleculares:

Ligação de

Hidrogênio >

Dipolo - Dipolo

Permanente > Dipolo Induzido

•Relação entre as Forças Intermoleculares e os Pontos de Fusão e Ebulição:

Dois fatores influenciam os PF e PE das substâncias:

O tamanho das moléculas: Quanto maior a superfície, maior o número de interações entre as moléculas

vizinhas, o que implica em maiores PF e PE. A intensidade das forças intermoleculares: Quanto mais intensas as atrações intermoleculares, maiores serão os PF e PE.

Interação entre as moléculas de um sistema

condensado (líquido ou sólido)

As interações entre as moléculas no interior da fase condensada são diferentes das

interações existentes entre as moléculas da superfície dessa fase em contato com outra

fase (gasosa, líquida ou sólida).

Resultante das forças é

igual a zero

Resultante das forças é

diferente de zero

Por que as propriedades da superfície são diferentes das propriedades do interior do

material?

Força (F) exercida por unidade de distância (l):

l

F = tensão superficial do líquido, devido a esse

desbalanceamento da resultante das forças

intermoleculares na superfície.

A tensão superficial atua como uma força que se opõe ao

aumento da área do líquido

Observações • O sabão não reforça a bolha, mas estabiliza pelo mecanismo chamado de Efeito

Marangoni (deslocamento provocado por diferenças de tensão (energia) superficial). Esticando a película de sabão, a concentração de sabão diminui, aumentando a tensão superficial. Assim, o sabão reforça seletivamente partes mais frágeis da bolha e impede a extensão.

• Da lei de Laplace decorre que, sendo constante a tensão superficial, a pressão manométrica diminui conforme aumenta o raio de curvatura da membrana. Em bolhas de sabão, por exemplo, a tensão superficial da mistura de água com sabão é uma propriedade exclusiva dessa mistura: independe do raio e, portanto, do volume da bolha. Desta forma, quanto maior é o raio da bolha de sabão, tanto menor é a pressão manométrica no seu interior. Logo que duas bolhas de sabão aderem uma na outra, e se interconectam permitindo a passagem de ar entre elas, a bolha menor se esvazia e a grande infla. A soma dos volumes iniciais das duas bolhas é menor do que o volume da bolha única que se forma no final.

3

2

4

3

4

V r

A r

3

26

V l

A l

: 1 2

2( )

V abc onde a cm e b cm

A ab bc ac

Para um volume de 1 cm3, qual sólido apresenta menor área?

Esfera

Cubo

Paralelepípedo

Esfera: possui a menor área para qualquer volume dado

Ex.: para um volume de 1,0 cm3

22

33

433

4

62,03

41

3

4

rArdr

dV

cmrrrV

A = 4,8 cm2

Esfera:

Cubo:

Paralelepípedo:

Se nenhuma força estiver agindo sobre um líquido, ele assumirá a

forma esférica.

22

33

66

0,11

cmAlA

cmlllV

27)50,0150,0221(2

)(2

50,0211

21:

cmAxxxA

acbcabA

cmccx

cmbecmaondeabcV

• Uma bolha é formada por duas lâminas superficiais esféricas muito próximas entre sí. Consideremos a metade da bolha e busquemos as forças que mantém essa porção em equilíbrio. A força que origina a diferença de pressão é F1= (p-p0) p R2

• Força originada pela tensão superficial

• A metade esquerda da bolha (não representada) exerce uma força para a esquerda igual a duas vezes a tensão superficial pelo perímetro (flechas vermelhas na figura) F2=2g ·2p R

• No equilíbrio F1=F2

• a diferença de pressão é tanto maior quanto menor é o raio R. Esta expressão é um caso particular da denominada lei de Laplace.

• O fator quatro aparece por que uma bolha de sabão tem dos faces: interna e externa. No caso de uma gota de água, somente há uma face por que a diferença de pressão é reduzida a metade.

INTERFACES ENTRE FASES LÍQUIDA E SÓLIDA

Molhabilidade Aumentando-se um pouco a área da

superfície líquida, a interface sólido-

líquido aumenta de dAsl:

)cos(

cos

)cos()(

lvsvslsl

slslsllvslsv

slslsllvslsv

slsllvlvsvsv

dAdG

dAdAdAdG

dAdAdAdG

dAdAdAdG

cossl

lvsvsl

dA

dAedAdA

Considerando a situação de equilíbrio,

dG = 0, então:

0cos lvsvsl

Equação de Young-Dupré

A variação da energia livre de Gibbs da interface sólido-líquido será:

Tensão Superficial,

um efeito no interior da camada superficial de um

líquido que faz com que a camada se comporte como uma folha elástica

Tensão Superficial como uma Força

causada pela atração entre as moléculas do líquido por várias forças intermoleculares

Tensão Superficial

Depende Diretamente das forças

intermoleculares na solução

Depende Inversamente da temperatura

de líquido metálico > líquido iônico >

líquido covalente

CONSEQUÊNCIA DA TENSÃO SUPERFICIAL (DAS FORÇAS DE ADESÃO E COESÃO)

• Formação de gotas

• Uma gota de um líquido no ar tende a ser esférica para minimizar a sua superfície. Por isso as

gotas de um líquido têm a forma esférica na ausência da gravidade.

Uma esfera é a forma geométrica

com menor superfície por

unidade de volume

2

3

4

4

3

3

S R

V R

S

V R

FORMAÇÃO DE GOTAS

Formação de gotas

• Enquanto a gota NÃO for suficientemente grande, a tensão superficial é suficiente para

contrabalançar a força gravítica, impedindo a separação da gota do resto do líquido

• A gota separa-se quando o seu peso igualar a força de tensão superficial que a segura

• No equilíbrio

Peso da gota tensão superficial

Interações soluto-solvente • Os líquidos polares tendem a se disssolver em solventes polares.

• Líquidos miscíveis: misturam-se em quaisquer proporções.

• Líquidos imiscíveis: não se misturam.

• As forças intermoleculares são importantes: água e etanol são miscíveis porque as ligações de hidrogênio quebradas em ambos os líquidos puros são reestabelecidas na mistura.

• O número de átomos de carbono em uma cadeia afeta a solubilidade: quanto mais átomos de C, menos solúvel em água.

Fatores que afetam a solubilidade

Interações soluto-solvente

• O número de grupos -OH dentro de uma molécula aumenta a

solubilidade em água.

• Generalização: “semelhante dissolve semelhante”.

• Quanto mais ligações polares na molécula, mais facilmente ela se

dissolve em um solvente polar.

• Quanto menos polar for a molécula, mais dificilmente ela se dissolve em

um solvente polar e melhor ela se dissolve em um solvente apolar.

Fatores que afetam a solubilidade

Interação soluto-solvente

Fatores que afetam a solubilidade

Interações soluto-solvente

Efeitos da pressão

• A solubilidade de um gás em um líquido é uma função da pressão do gás.

Fatores que afetam a solubilidade

Efeitos da pressão

Fatores que afetam a solubilidade

Efeitos da pressão

• Quanto maior a pressão, mais próximas as moléculas de gás estarão do

solvente e maior a chance da molécula de gás atingir a superfície e entrar

na solução.

– Conseqüentemente, quanto maior for a pressão, maior a solubilidade.

– Quanto menor a pressão, menor a quantidade de moléculas de gás

próximas ao solvente e menor a solubilidade.

• Se Sg é a solubilidade de um gás, k é uma constante e Pg é a pressão

parcial de um gás, então, a Lei de Henry nos fornece:

gg kPS =

Fatores que afetam a solubilidade

Efeitos da pressão

• As bebidas carbonadas são engarrafadas com uma pressão parcial de CO2

> 1 atm.

• Ao abrirmos a garrafa, a pressão parcial de CO2 diminui e a solubilidade

do CO2 também diminui.

• Conseqüentemente, bolhas de CO2 escapam da solução.

Fatores que afetam a solubilidade

Efeitos de temperatura

• A experiência nos mostra que o açúcar se dissolve melhor em água

quente do que em água fria.

• Geralmente, à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade dos

sólidos aumenta.

• Algumas vezes, a solubilidade diminui quando a temperatura aumenta

(por exemplo Ce2(SO4)3).

Fatores que afetam a solubilidade

Efeitos de temperatura

• A experiência nos mostra que as bebidas carbonadas ficam insípidas ao

serem aquecidas.

• Conseqüentemente, os gases se tornam menos solúveis à medida que a

temperatura aumenta.

• A poluição térmica: se os lagos se aquecem muito, o CO2 e o O2 tornam-

se menos solúveis e ficam indisponíveis para as plantas ou animais.

Fatores que afetam a solubilidade

Viscosidade

Viscosidade é a resistência de um líquido em fluir.

Um líquido flui através do deslizamento das moléculas sobre outras.

Quanto mais fortes são as forças intermoleculares, maior é a viscosidade.

Tensão superficial

As moléculas volumosas (aquelas no líquido) são igualmente atraídas pelas

suas vizinhas.

Algumas propriedades dos líquidos

Explicando a pressão de vapor

no nível molecular

Equilíbrio termodinâmico: o ponto em que tantas moléculas escapam da

superfície quanto as que atingem.

A pressão de vapor é a pressão exercida quando o líquido e o vapor estão

em equilíbrio dinâmico.

Volatilidade, pressão de vapor e temperatura

Se o equilíbrio nunca é estabelecido, então o líquido evapora.

As substâncias voláteis evaporam rapidamente.

Pressão do vapor

Volatilidade, pressão de

vapor e temperatura

Quanto mais alta for a temperatura, mais alta a energia cinética média, mais

rapidamente o líquido evaporará.

Pressão do vapor

Sugestão de leitura • 1) Cláudia Rocha Martins*, Wilson Araújo Lopes e Jailson Bittencourt de

Andrade, SOLUBILIDADE DAS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS, Quim. Nova, 2013, 36, 1248-1255.

• 2) Luciana Almeida Silva, Cláudia Rocha Martins e Jailson Bittencourt de Andrade, POR QUE TODOS OS NITRATOS SÃO SOLÚVEIS? Quim. Nova, Vol. 27, No. 6, 1016-1020, 2004

• 3) Cláudia Rocha Martins, Luciana Almeida Silva e Jailson Bittencourt de Andrade, SULFETOS: POR QUE NEM TODOS SÃO INSOLÚVEIS?, Quim. Nova, Vol. 33, No. 10, 2283-2286, 2010

• 4) Willian R. Rocha, Interações intermoleculares, Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola N° 4 – Maio 2001

• 5) OLIVEIRA, S.R., GOUVEIA, V.P., QUADROS, A.L. Uma Reflexão sobre aprendizagem escolar e o uso do conceito de solubilidade/miscibilidade em situações do cotidiano: concepções dos estudantes, Química Nova na Escola, v.31, n.1, p.23-30, 2009.