FORÇAS INTERMOLECULARES E PROPRIEDADES FÍSICAS

I – Introdução

Os estados físicos da matéria se diferenciam pela distância existente entre as

moléculas que compõem o material. Observe as figuras a seguir:

Gasoso Líquido Sólido

No estado gasoso as moléculas se encontram bem afastadas, com grande grau de

desordem. No estado líquido as moléculas se encontram um pouco mais organizadas,

com um grau de liberdade de movimentação um pouco menor. Já no estado sólido as

moléculas se encontram bem mais organizadas, com grau de movimentação ainda mais

reduzido.

O que faz as moléculas ficarem mais unidas no estado sólido do que no estado

líquido ou gasoso? Isso é responsabilidade das forças intermoleculares ( ou interações

intermoleculares).

Sendo assim pode-se dizer que a alteração da fase de agregação (sólido-

líquidogasoso), está associada à força de atração que existe entre as moléculas desses

materiais. Quanto maior a força atrativa entre as moléculas, maior será a energia

utilizada para separarmos essas moléculas, como conseqüência teremos valores

elevados de pontos de fusão e pontos de ebulição. Lembrando que ponto de fusão é a

temperatura na qual uma dada substância altera seu estado físico de sólido para líquido e

o ponto de ebulição seria a temperatura na qual uma dada substância altera seu estado

físico de líquido para sólido.

A atração que existe entre as moléculas de um dado material é denominada

Forças Intermoleculares ou Ligações Intermoleculares, sendo estas caracterizadas de

acordo com a polaridade de cada molécula estudada.

II – Tipos de Forças Intermoleculares

As forças intermoleculares têm origem eletrônica: surgem de uma atração

eletrostática entre nuvens de elétrons e núcleos atômicos. São fracas, se comparadas às

ligações covalentes ou iônicas. Mas forte o suficiente para sustentar uma lagartixa no

teto da sala.

Tipo de Interação Energia típica (kJ/mol) Espécies que interagem

Íon- Íon 250 íons

Íon-dipolo 1-70 Íons-moléculas polares

Dipolo-dipolo 0,1-10 Molécula polares

Dipolo-dipolo induzido ~2 Mol. Polar-apolar

London Dispersão Inferior a 2 Moléculas apolares

Ligação de hidrogênio ~ 20 H com N,O ou F

1 - FORÇAS DO TIPO DIPOLO PERMANENTE - DIPOLO PERMANENTE.

As moléculas de alguns materiais, embora eletricamente neutras, podem possuir

um dipolo elétrico permanente. Devido a alguma distorção na distribuição da carga

elétrica, um lado da molécula e ligeiramente mais “positivo” e o outro é ligeiramente

mais “negativo”. A tendência é destas moléculas se alinharem, e interagirem umas com

as outras, por atração eletrostática entre os dipolos opostos. Esta interação é chamada de

dipolo-dipolo.

Ocorrem em moléculas polares, de modo que a extremidade negativa do dipolo

de uma molécula se aproxime da extremidade positiva do dipolo de outra molécula. São

mais fortes que as forças de dipolo instantâneo. Ex.: HCl; H2S; PH3; etc.

2-DIPOLO-DIPOLO INDUZIDO.

A presença de moléculas que tem dipolos permanentes podem distorcer a

distribuição de carga elétrica em outras moléculas vizinhas, mesmo as que não possuem

dipolos (apolares), através de uma polarização induzida. Esta interação é chamada de

dipolo-dipolo induzido.

3-DIPOLO INDUZIDO -DIPOLO INDUZIDO.

E, em terceiro, mesmo em moléculas que não possuem momento de dipolo

permanente (e.g., no gás nobre neônio ou no líquido orgânico benzeno) existe uma força

de atração (do contrário nem o benzeno ou neônio poderiam ser liquefeitos). A natureza

destas forças requer a mecânica quântica para sua correta descrição, mas foi

primeiramente reconhecida pelo físico polonês Fritz London, que relacionou-as com o

movimento eletrônico nas moléculas. London sugeriu que, em um determinado instante,

o centro de carga negativa dos elétrons e de carga positiva do núcleo atômico poderia

não coincidir.

Esta flutuação eletrônica poderia transformar as moléculas apolares, tal como o

benzeno, em dipolos tempo-dependentes, mesmo que, após um certo intervalo de

tempo, a polarização média seja zero. Estes dipolos instantâneos não podem orientar-se

para um alinhamento de suas moléculas, mas eles podem induzir a polarização das

moléculas adjacentes, resultando em forças atrativas. Estas forças são conhecidas como

forças de dispersão (ou forças de London), e estão presentes em todas as moléculas

apolares e, algumas vezes, mesmo entre moléculas polares.

Também conhecida como forças de dispersão, ocorre entre moléculas apolares

ou entre átomos de gases nobres, quando por um motivo qualquer ocorre uma assimetria

na nuvem eletrônica, gerando um dipolo que induz as demais moléculas ou átomos a

também formarem dipolos. São de intensidade muito fraca. Ex.: H2; N2; O2; CO2; BF3;

CH4; He; Ne; etc.

3 - PONTES DE HIDROGÊNIO.

Algumas moléculas exibem um tipo especial de interação dipolo-dipolo. É o

caso da água. O que acontece é que os hidrogênios ligados ao oxigênio é que formam o

lado “positivo” do dipolo permanente desta molécula, enquanto que o oxigêniom muito

mais eletronegativo, forma o lado “negativo”.

O átomo de hidrogênio é formado por apenas um próton e um elétron. Como o

elétron é fortemente atraído pelo oxigênio, na água, este próton encontra-se

desprotegido. A água possui, então, um dipolo bastante forte, com uma das cargas

(positiva) bastante localizada. Este próton pode interagir com as regiões negativas (o

oxigênio) de outras moléculas de água, resultando em uma forte rede de ligações

intermoleculares. Esta interação é chamada de ligação hidrogênio, e ocorre entre átomos

de hidrogênio ligados a elementos como o oxigênio, flúor ou nitrogênio, com átomos de

O, N ou F de outras moléculas. Esta interação é a mais intensa de todas as forças

intermoleculares.

Em resumo, são forças de natureza elétrica do tipo dipolo permanente - dipolo

permanente, porém bem mais intensas. O corre quando a molécula é polar e possui H

ligado a um elemento muito eletronegativo e de pequeno raio (F, O, N), de modo que o

hidrogênio de uma molécula estabelece uma ligação com o átomo muito eletronegativo

de outra molécula. Ex.: H2O; HF; NH3; etc.

III – Implicações das Forças Intermoleculares.

As forças intermoleculares são responsáveis por várias propriedades físicas dos

compostos, como ponto de fusão, ponto de ebulição, solubilidade (miscibilidade),

tensão superficial, etc.

1 – Solubilidade.

A solubilidade está diretamente ligada a polaridade molecular, podendo ser

embasada na semelhança de polaridade entre as moléculas. Uma molécula polar

dissolve outra polar, uma molécula apolar dissolve outra molécula apolar, esse

fenômeno é conhecido como Regra da Semelhança. Ex.: água dissolve sal de cozinha

(polar-polar), gasolina dissolve graxa (apolar-apolar).

Os compostos orgânicos polares exibem, em geral, uma solubilidade

significativa em água. O açúcar é um exemplo: é muito solúvel em água. Isto deve-se à

capacidade que as moléculas de água têm de interagir com as moléculas da sacarose. A

solubilização também é um fenômeno regido pelas interações intermoleculares: entre as

moléculas do soluto e as moléculas do solvente.

2- Tensão superficial da água:

Uma propriedade que faz com o líquido se comporte como se tivesse uma

membrana elástica em sua superfície. Este fenômeno pode ser observado em quase

todos os líquidos, e é o responsável pela forma esférica de gotas ou bolhas do líquido. A

razão é que as moléculas de água interagem muito mais fortemente com suas vizinhas

do que com as moléculas do ar, na interface. As moléculas que estão no interior da gota,

por exemplo, interagem com outras moléculas em todas as direções; as moléculas da

superfície, por outro lado, interagem somente

com moléculas que estão nas suas laterais ou

logo abaixo. Este desbalanço de forças

intermoleculares faz com que estas moléculas,

da superfície, sejam atraídas para o interior do

líquido. Para se remover estas moléculas da superfície é necessário uma certa

quantidade mínima de energia – a tensão superficial. Para a água, isto corresponde a

0,07275 joules/m2, a 20

oC. Líquidos orgânicos, como o benzeno ou o tolueno, tem

valores menores de tensão superficial, já que suas interações intermoleculares são mais

fracas.

3 – Ponto de fusão e Ebulição.

Basicamente dois fatores, massa molecular e forças intermoleculares,

influenciam nessas propriedades físicas das substâncias moleculares. Tanto o ponto de

fusão como o ponto de ebulição tendem a crescer com o aumento da massa molecular e

das forças intermoleculares.

Em algumas circunstâncias a força intermolecular sobrepuja a massa molecular,

sendo que as comparações efetuadas nos diversos testes de vestibulares, associam

moléculas de massa molecular semelhante. Para essa situação temos:

As forças intermoleculares são também

responsáveis pelas diferenças nas temperaturas de

ebulição de vários isômeros constitucionais orgânicos,

isto é, moléculas orgânicas que possuem a mesma

fórmula molecular (e, por consequência, a mesma

massa molar) mas tem pontos de ebulição normal

diferentes. O ponto de ebulição de um líquido é definido como sendo a temperatura na

qual a pressão de vapor exercida pelo líquido se iguala à pressão externa. A água, ao

nível do mar, tem uma pressão de vapor igual a 1,00 atm somente a 100 oC. É lógico se

assumir que quanto mais forte for a atração entre as moléculas, isto é, quanto maior

forem as forças intermoleculares, maior também será a temperatura necessária para a

ebulição do líquido. Observe, como exemplo, os dois isômeros para a fórmula C5H12,

o n-pentano e o neo-pentano, ilustrados na figura ao lado. Ambas as moléculas não

possuem dipolo permanente – são apolares. Então, ambas interagem, entre si, via forças

de dispersão (london). Mas o que faz com que o n-pentano tenha uma temperatura

de ebulição bem maior do que o neo-pentano? Observe que, à temperatura ambiente,

o n-pentano é um líquido, enquanto que o outro isômero é um gás!

Este caso ilustra uma propriedade das interações intermoleculares: quanto

maior for a área de contato entre as moléculas, maior é a interação. No caso no

neo-pentano, a interação é dificultada devido ao impedimento espacial provocado pelo

grupos -CH3. A polarização induzida ocorre mais intensamente no caso da cadeia linear.

Uma outra propriedade pode ser observada se

acompanharmos a temperatura de ebulição dos

compostos ao lado. O éter dimetílico, embora

possua a maior massa molar, é o que tem a menor

Te (é um gás, à temperatura ambiente). Tanto o

metanol como a água são líquidos, embora tenham

massa molar menores. A água, a molécula mais

leve da série, tem a maior temperatura de

ebulição. Isto porque a água e o metanol

interagem via ligação hidrogênio – a mais forte das interações intermoleculares,

enquanto que o éter interage via dipolo-dipolo – não possue hidrogênios ligados ao

oxigênio. A água possui dois hidrogênios ligados ao O – o que explica a sua maior

temperatura de ebulição, em relação ao metanol, que possui apenas um.

4 – Estrutura tridimensional de proteínas e DNA.

Todas as proteínas que compõe o nosso organismo são constituídas por

sequências de amino-ácidos, ligados covalentemente. Estes compostos possuem grupos

-OH e -NH capazes de formar uma forte rede de ligações intermoleculares. É isto que

confere a estrutura terciária das proteínas, isto é, a sua forma característica de orientação

espacial. Um outro exemlo é o DNA de todos os humanos: sua forma de dupla-hélice –

é mantida graças às ligações hidrogênio entre os grupos dos -OH e -NH das bases

nitrogenadas heterocíclicas que o compõe

IMPORTANTE

1 - Os compostos iônicos são os compostos mais polares da natureza, portanto

seus valores de ponto de fusão e ebulição são muito superiores aos dos compostos

moleculares.

2 - Na verdade as forças intermoleculares atuam em conjunto, e a interação entre

as moléculas é dada pela soma dos diversos tipos de forças intermoleculares atuantes.

Por exemplo, na amônia a principal força de interação molecular são as pontes de

hidrogênio, embora também haja interações do tipo dipolo permanente. Pra moléculas

que interagem por dipolo permanente existem também interações do tipo forças de

dipolo induzido.