Interações Intermoleculares
Introdução: Solubilidade
O texto começa descrevendo uma situação onde muitas pessoas acreditam que quando o sal ou açúcar interagem com a água eles "somem". Acontece que há uma explicação científica para isso: a solubilidade, em que o termo certo para esse "sumir" é dissolver.
Interações Intermoleculares: Decomposição
Neste tópico, é apresentado duas teorias antigas dos filósofos gregos, Empédocles e Demócrito, onde tentam explicar a decomposição. Respectivamente, um explicava que o que mantinha as coisas unidas era o "amor" e o que as separava (decompunha) era o "ódio". Já o outro explicava que a matéria surgia pela aproximação dos átomos e a decomposição pelo afastamento. Todavia, sabemos que a teoria predominante é a atração que ocorre pelos pelos polos e cargas opostas presentes no átomo.
O que mantêm os átomos em uma molécula?
Os átomos tem três tipos de ligações: iônica, covalente e metálica. Entretanto, vão ser abordadas somente as ligações covalentes e iônicas.
LIGAÇÃO IÔNICA: É explicado que muitas vezes as pessoas costumam acreditar que a ligação iônica é a transferencia de um átomo menos eletronegativo para um mais eletronegativo. Contudo, essa definição é errada pois a ligação definida de forma mais correta é a atração eletrostática entre iôns de cargas opostas.
LIGAÇÃO COVALENTE: Ocorre um compartilhamento de elétrons da camada de valência de dos átomos diferentes. É mostrado em uma certa figura que esta ligação pode ser dividida me três momentos. Primeiro, os dois átomos estão distantes um do outro, de jeito que o elétron e núcleo de um não sinta influencia da carga e do núcleo do outro. A energia é igual a zero e a suas energias mantêm constantes, ou seja, não variam. No segundo momento, ao átomos se aproximam e as cargas dos elétrons e núcleos dos dois átomos começam a se influenciar, e então, ocorre a variação de energia, diminuindo a energia dos dois átomos. No terceiro momento, a energia é a menor possível e é nessa distancia que ocorre a ligação covalente. Importante lembrar que menor a energia, mais estável será essa situação e também, a distância é caracterizada não somente pela diminuição de energia do sistema, mas também como atrações entre cargas opostas e repulsão de cargas de mesmo sinal. Já no último momento, em distâncias menores, a energia tende a infinito, pois é necessário muita energia para vencer a repulsão entre os dois núcleos.
Durante esta reação a casos em que um átomos perde elétrons. Consequentemente, fica com mais prótons do que elétrons tornando-se uma espécie carregada positivamente o que chamamos de "cation". Já quando um átomo ganha elétrons a especie fica com mais elétrons do que prótons , tornando-se uma uma espécie carregada negativamente que chamamos de "anion". A atração eletrostática entre cations e ânions é o que chaos de ligação iônica.
Devido a eletronegatividade, os elétrons compartilhados podem estar igualmente ou desigualmente distribuídos entre os átomos envolvidos nas ligação. Átomos mais eletronegativos atraem com maior intensidade elétrons de uma ligação covalente e átomos menos eletronegativos, ao contrário, tem menor capacidade de fazer isso. No caso, em que os elétrons são igualmente distribuídos entre os átomos, já que são atraídos com mesma intensidade pelos dois átomos, dizemos que a distribuição de elétrons é HOMOGÊNEA. E, no caso em que há uma distribuição desigual de elétrons ma ligação química, dizemos que a distribuição de elétrons é HETEROGÊNEA. Quando há uma maior concentração de elétrons em volta do elemento mais eletronegativo, é ocasionado a formação de um pólo negativo. Por outro lado, em volta do elemento menos eletronegativo, devido à maior atração dos elétrons para o elemento eletronegativo, notamos uma menor concentração de elétrons e, consequentemente, a formação de um pólo positivo. Assim, dizemos que a molécula é polar e que quanto maior for a diferença de eletronegatividade, mais polar será a molécula. Outro modo de descrever uma ligação polar é dizer que a ligação tem um momento dipolo, que pode ser visto como um vetor de atração de elétrons em função da diferença de eletronegatividade. Ou seja, quanto maior for a diferença de eletronegatividade, maior será o momento de dipolo da ligação polar.
Toda ligação polar gera uma molécula polar?
Para sabermos se uma molécula será polar ou apolar, há o aspecto da existência de ligações polares co elementos que apresentam diferença de eletronegatividade entre si. Mas também é importante compreender a estrutura dessas moléculas, porque a formação de dois pólos, diametralmente opostos em uma molécula, anulam-se, caso esses polos tenham a mesma intensidade.
Há uma teoria chamada de Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência que se baseia na na repulsão que os pares de elétrons da última camada do átomo central da molécula têm entre si (tanto formados na ligação covalente quanto aos que não ligaram a nenhum outro átomo).
Como os átomos são estão distribuídos em espacialmente em uma molécula: linear, angular, trigonal plana, piramidal e tetragonal.
Transformações de Fase: é basicamente a competição entre dois processos: o de atração entre moléculas, devido aos seus polos de sinais opostos, e o de vibração e movimento dessas moléculas.
Quando temos um sólido de uma substância covalente, a atração entre as moléculas é mais intensa do que a vibração entre elas, por isso o sistema é mais organizado. Quando a temperatura se eleva, ocorre um aumento das moléculas, enquanto a força de atração intermolecular continua aproximadamente a mesma. No momento e que a vibração das moléculas passa a ser mais intensa do que a maior parte das forças de atração intermolecular, ocorre a fusão e a substância passa do estado sólido para o líquido.
Quando uma substância passa do estado líquido para o estado gasoso pelo aumento da temperatura ocorre o mesmo processo, ou seja, a vibração de cada uma das moléculas se torna mais intensa do que o restante das forças de atração intermolecular do sistema. O processo inverso de transição de fase também pode ser entendido pela mesma lógica: o resfriamento de um gás diminui a intensidade das vibrações moleculares, fazendo com que as forças de atração intermolecular sejam mais intensas, prevalecendo a atração à vibração. Nesse momento, ocorre a liquefação do gás.
Como se explica a transição de fase de moléculas apolares ou de átomos se eles não possuem polos, como no caso do átomo de hélio?
A explicação é baseada na teoria atômica proposta por Niels Bohr. De acordo com a sua teoria, a eletrosfera de um átomo seria composta por camadas e sub-camadas. Com isso, a aproximação de dois átomos ou de duas moléculas, teríamos uma eletrosfera se aproximando da outra, ou seja, cargas negativas próximas umas das outras. Em um espaço de tempo muito curto, a elétrosfera desses átomos ou moléculas que se aproximaram afasta-se ligeiramente devido à repulsão de cargas iguais, formando um dipolo. Como esses dipolos duram um tempo muito curti, eles são chamados de dipolos temporários e atraem menos intensamente outro átomos ou moléculas do que os dipolos permanentes, como são denominados dipólos de moléculas polares.
Solubilidade e Substâncias Covalentes
Outros modos de formar dipolos temporários são: desorganização espontânea da eletrosfera, conhecida também como forças de dispersão de London; e aproximação entre um átomo ou molécula sem dipolos a um átomo ou molécula com dipolo já formado, conhecido também como dipolo induzido. Todos esses dipolos são classificados como temporários e possuem menor poder de atração intermolecular, portanto suas moléculas têm menor ponto de ebulição e de fusão. As forças de interação intermoleculares fracas também são conhecidas como forças de Van Der Waals.
Substâncias polares dissolvem substâncias polares e substâncias apolares dissolvem substâncias apolares. Isso se observa quando um mecânico de automóveis lava. a mão com gasolina para tirar a graxa, pois ambas são substâncias apolares.
Ligação de Hidrogênio (ou também Ponte de Hidrogênio): ela ocorre quando os elementos flúor (F), oxigênio (O) e nitrogênio (N) estão ligados ao hidrogênio (H). Nesse caso, temos os três elementos mais eletronegativos da tabela periódica ligados a um elemento com baixa eletronegatividade e que possui apenas um elétron. Quando ocorre esse tipo de ligação, devido à grande diferença de eletronegatividade, o deslocamento do único elétron do hidrogênio permite a formação de um polo positivo especialmente intenso, responsável por muitas das propriedades da água, por exemplo.
Solubilidade de Substâncias Iônicas
Quanto maior for a força da atração intermolecular, maior será a energia liberada.
“Semelhante dissolve semelhante”?
A frase não cobre a toda a verdade sobre o assunto. Podemos ver os limites dessa frase a partir da observação de fenômenos que conhecemos e estudamos muito bem: a respiração dos peixes na água. O oxigênio é uma molécula apolar e pelo que nos dias a frase sobre semelhantes, ela não se dissolveria em água, pois esse é uma molécula muito polar. Assim, por não terem polaridades semelhantes, a água não dissolveria o oxigênio. Porém, o oxigênio utilizado pelos peixes na respiração está DISSOLVENDO na água. Por meio de cálculos é possível observar que teremos 222.240 moléculas de H2O para cada O2, ou seja, a proporção de uma molécula de oxigênio para mais de 220 mil moléculas de água. portanto, a frase correta seria algo como: “semelhante dissolve MUITO BEM semelhante e dissolve MUITO POUCO o não semelhante”.
A Lei de Henry
Quando misturamos duas substâncias covalentes pode ocorrer liberação ou absorção de calor ( processo conhecido como exotérmico), que acontece quando há um aumento das interações intermoleculares entre as substâncias que se misturam, diminuindo suas mobilidades e estados de vibração. A energia da mobilidade e das vibrações que não são mais permitidas é então liberada do sistema, aquecendo o ambiente ao seu redor. Já na absorção de calor em sua dissolução (processos conhecido como endotérmico) ocorre o oposto, ou seja, há um menor número de interações entre os componentes da mistura do que antes da mistura. Devido a isso, há mais mobilidade. das moléculas e essa liberdade de movimento requer energia, que acaba sendo retirada do seu redor.
A porção de um gás, que se consegue dissolver em um líquido, é diretamente proporcional à pressão parcial desse gás. Desse modo, em uma mesma temperatura, quanto mais gás, maior a solubilidade desse em um líquido.
É aplicada para a escalada de montanhas de grande altitude. No nível do ma r, a pressão do oxigênio é de 19mmHg, aproximadamente 0,21 atm, e conseguimos retirar confortavelmente com essa pressão ou em altitudes um pouco maiores que essa. Porém, em altitudes muito maiores, como os 3.600 metros, a pressão atmosférica chega aproximadamente 0,61 atm, e a pressão do oxigênio é de quase 0,13 atm, tornando o ar muito rarefeito, ou seja, difícil de respirar. Isso acontece por causa de uma reação química entre o oxigênio do ar e a hemoglobina presente no nosso sangue, formando a oxi-hemoglobina, que tem a função de levar o oxigênio até as células, como parte do processo respiratório.
Para que um sal possa ser dissolvido em água é necessário, principalmenteh, que a água tenha uma interação com os íons desse composto maior do que a dos íons entre si. Dessa maneira, se a atração dos íons uns pelos outros no retículo cristalino for maior do que a atração das moléculas de água pelos íons, o sal não se dissolverá. Caso a água tenha um conjunto de interações com os íons maior do que a atração dos íons entre si, o sal será solúvel em água. Para compreender melhor esse processo, veja a animação do sal de cozinha (NaCl) dissolvendo-se em água.
Após o íon ter se dissolvido, dizemos que ele está solvatado, ou seja, rodeado de moléculas de água, cujos polos são atraídos e direcionados para os íons de cargas opostas. O cátion Na+ solvatado tem o polo negativo das moléculas de água voltado para si, enquanto o ânion Cl- tem o polo positivo das águas voltados para si.
