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Aula 01 - Forças Intermoleculares

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Aula 01 - Forças Intermoleculares

  1. 1. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 1 FORÇAS INTERMOLECULARES TIPOS Dispersões de London A força de dispersão de London é a interação intermolecular mais fraca. Moléculas podem ser retratadas como núcleos envolvidos em uma nuvem de elétrons. Essa nuvem tem um centro de carga que pode mudar temporariamente do centro de carga destes núcleos. Desta forma, flutuam dipolos dentro das moléculas, que causam interações fracas entre moléculas apolares. A magnitude dessas forças intermoleculares aumenta com o tamanho da nuvem de elétrons. Este modelo explica a observação que os pontos de ebulição dos halogênios aumentam do cloro, um gás, para o bromo, um líquido e para o iodo, um sólido. Essa força é às vezes chamada de atração dipolo induzido-dipolo induzido. As forças de London são as forças atrativas que fazem com que substâncias apolares se condensem em líquidos e congelem em sólidos quando a temperatura baixa suficientemente. Dipolo-dipolo As forças dipolo-dipolo são forças atrativas entre o lado parcialmente positivo de uma molécula polar e o lado parcialmente negativo de outra molécula polar. As forças dipolo-dipolo têm forças que variam de 5 kJ a 20 kJ por mol. Elas são muito mais fracas que as ligações iônicas ou covalentes e têm um efeito significativo somente quando as moléculas envolvidas estão relativamente próximas. Dipolo-dipolo induzido Uma atração dipolar induzida por dipolo é uma atração fraca que resulta quando uma molécula polar induz um dipolo em um átomo ou em uma molécula não polar por perturbar o arranjo de elétrons na espécie não polar.
  2. 2. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 2 Íon-dipolo Uma força íon-dipolo é uma força atrativa que resulta da atração eletrostática entre um íon e uma molécula neutra que tem um dipolo. Este tipo de força intermolecular é mais comumente encontrado em soluções. Especialmente importante para soluções de compostos iônicos em líquidos polares. As atrações de íon-dipolo tornam-se mais fortes à medida que a carga do íon aumenta ou à medida que a magnitude do dipolo da molécula polar aumenta. Íon-dipolo induzido Uma atração dipolar induzida por íons é uma atração fraca que resulta quando a aproximação de um íon induz um dipolo em um átomo ou em uma molécula apolar por perturbar o arranjo de elétrons na espécie apolar. Ligações de hidrogênio A ligação de hidrogênio é um tipo especial de atração dipolo-dipolo entre moléculas. Resulta da força atrativa entre um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a um átomo muito eletronegativo, como um átomo de N, O ou F e outro átomo eletronegativo. As forças da ligação de hidrogênio variam de 4 kJ a 50 kJ por mol de ligações de hidrogênio. A formação de ligações de hidrogênio pode ser inter ou intramolecular, como é mostrado na figura.
  3. 3. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 3 CROMATOGRAFIA Cromatografia em Camada Delgada Cromatografia em Camada Delgada (CCD) é uma técnica poderosa para separar compostos, com base em sua polaridade e interação com sílica, e também para avaliar a pureza de uma amostra. Para realizar a CCD, uma solução de um composto ou mistura de compostos é aplicada a uma placa de CCD (fase estacionária) com um tubo capilar fino. Depois, abaixe cuidadosamente a placa em uma câmara de revelação onde há um pequeno volume de algum solvente em desenvolvimento (fase móvel), mas o nível desse solvente não deve estar acima das marcas e pontos do lápis na placa de CCD. Por ação de capilaridade, os componentes da mistura sobem pela placa de CCD. Então, remova a placa quando o solvente quase atingirem o topo. Durante o processo de subida, os componentes da mistura são separados devido à ação das forças intermoleculares. Rapidamente, antes do solvente evaporar, marque a frente do solvente. Visualize sua placa circulando primeiro quaisquer pontos visíveis e, em seguida, pontos que você pode ver com a ajuda de uma fonte de luz ultravioleta e, por último, se necessário, adicionando sua placa a uma câmara de iodo ou solução de coloração. A posição de cada componente é definida pelo valor de Rf (Fator de Retenção), que é calculado dividindo a distância do ponto inicial até o centro do ponto na placa de CCD pela distância do ponto inicial até a frente do solvente. Valores relativos mais altos de Rf estão associados a forças intermoleculares mais fracas entre os compostos e a fase estacionária, enquanto valores relativos mais baixos de Rf estão associados a forças intermoleculares mais fortes. Compare as três classes de grupos funcionais de moléculas orgânicas em termos de suas polaridades relativas, momentos de dipolo e forças de atração intermoleculares.
  4. 4. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 4 Cromatografia de Coluna Químicos orgânicos frequentemente usam cromatografia em coluna para purificar líquidos (e sólidos). Uma amostra impura é carregada em uma coluna de adsorvente, como sílica gel ou alumina. Um solvente orgânico ou uma mistura de solventes (eluente) flui através da coluna. Os componentes da amostra separam-se um do outro dividindo entre a fase estacionária (sílica ou alumina) e o eluente móvel. Moléculas com diferentes polaridades movem-se pela coluna com velocidades diferentes. O eluente é recolhido em frações que são tipicamente analisadas por cromatografia em camada delgada (CCD) para ver se a separação dos componentes foi bem sucedida. BIOLOGICAL INTERACTIONS DNA O DNA (ácido desoxirribonucleico) é um polímero de nucleotídeos. Cada nucleotídeo contém ácido fosfórico, um açúcar, a desoxirribose e uma das quatro bases aromáticas contendo nitrogênio: timina (T), adenina (A), citosina (C) e guanina (G). Os monômeros estão ligados através de ligações éster em que o ácido fosfórico se combina com os grupos hidroxila dos açúcares. Cada fosfato faz duas ligações éster: uma com o grupo hidroxila no carbono três, em um lado da desoxirribose, e um com o grupo hidroxila do carbono cinco da desoxirribose do outro lado. O resultado é uma cadeia alternada de açúcares e fosfatos com uma carga negativa em cada fosfato. As bases estão ligadas ao carbono de cada desoxirribose e são encontradas no meio da estrutura do DNA.
  5. 5. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 5 A figura mostra a grande complexidade do DNA. Existe potencial para rotação total ou parcial sobre todas as ligações simples fora das bases. Assim, há um número insondável de conformações potenciais que uma cadeia de DNA pode assumir. A natureza química dos componentes e forças intermoleculares atuantes entre eles leva a uma compreensão da conformação efetivamente adotada pelo DNA. A dupla hélice fornece um exemplo bonito e fácil de entender de como as forças intermoleculares se combinam para determinar a estrutura macromolecular. Uma simples consideração de ligações de hidrogênio, forças de dispersão de London e interações iônicas, explica por que o DNA é mais estável como uma hélice. Droga-receptor A especificidade estrutural em interações biológicas envolvendo macromoléculas é geralmente dominada por forças intermoleculares não covalentes. Enquanto interações biológicas localizadas podem ser dependentes de transferência de elétrons ou prótons entre grupos ou, no caso de uma ação enzimática, na transferência de um grupo funcional entre moléculas, a orientação e a complementaridade dos grupos interagentes geralmente ditam uma estrutura muito maior. A superfície de interação resultante é dominada pelas forças de ligação intermoleculares, não covalentes, das duas moléculas. Muitas vezes, uma reação biológica pode requerer que um sinal seja transmitido a uma distância para um local de ação, mensagens, por exemplo, de moléculas periplasmáticas para citoplasmáticas, tendo que atravessar a membrana celular através da proteína receptora. Os receptores são áreas específicas de certas proteínas e glicoproteínas, que são encontradas ou incorporadas nas membranas celulares, no núcleo ou em células vivas. Qualquer agente químico endógeno ou exógeno (fármaco) que interage com o receptor pode inibir a ação do receptor ou estimulá-lo, produzindo respostas fisiológicas que são características da ação do fármaco.
  6. 6. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 6 As forças que promovem a ligação (e/ou interações) entre o ligando e o receptor se formam espontaneamente quando o ligante atinge a distância apropriada do receptor para a formação da ligação (e/ou interação). A ligação de muitos medicamentos a receptores ocorre através de interações fracas e reversíveis: Droga + receptor ↔ droga-receptor Isso significa que a ligação de um medicamento ao seu receptor é dependente da concentração. À medida que a concentração de ligante no fluido extracelular se eleva acima do equilíbrio, este move-se para a direita e o fármaco se ligará ao receptor. PROPRIEDADES FÍSICAS 1. Estados físicos As propriedades físicas de uma substância dependem do seu estado físico. Vapor de água, água líquida e gelo têm as mesmas propriedades químicas, mas suas propriedades físicas são consideravelmente diferentes. Em geral, as ligações covalentes determinam: forma molecular, energias de ligação, propriedades químicas, enquanto forças intermoleculares (ligações não covalentes) influenciam as propriedades físicas de líquidos e sólidos. A teoria molecular cinética dos gases fornece uma descrição razoavelmente precisa do comportamento dos gases. Um modelo semelhante pode ser aplicado a líquidos, mas deve levar em conta os volumes não nulos de partículas e a presença de fortes forças atrativas intermoleculares. O estado de uma substância depende do equilíbrio entre a energia cinética das partículas individuais (moléculas ou átomos) e as forças intermoleculares.
  7. 7. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 7 A energia cinética mantém as moléculas separadas e em movimento, e é uma função da temperatura da substância e as forças intermoleculares tentam juntar as partículas. Os gases são muito sensíveis a temperaturas e pressão. No entanto, estes também afetam líquidos e sólidos. O aquecimento e o resfriamento podem alterar a energia cinética das partículas em uma substância e, assim, podemos mudar o estado físico de uma substância aquecendo-a ou resfriando-a. Aumentar a pressão sobre uma substância força as moléculas a se aproximarem, o que aumenta a intensidade das forças intermoleculares. Os gases são uma coleção de moléculas amplamente separadas; cuja energia cinética é maior que qualquer força atrativa entre as moléculas. A falta de qualquer força atrativa significativa entre as moléculas permite que um gás se expanda para encher seu recipiente Líquidos são um conjunto de moléculas; cujas forças atrativas intermoleculares são fortes o suficiente para manter as moléculas juntas. Então, os líquidos são mais densos e menos compressíveis que os gases. As forças de atração não são fortes o suficiente, no entanto, para manter as moléculas vizinhas em uma posição fixa, e por isso as moléculas estão livres para passar ou deslizar umas sobre as outras. Os sólidos são um conjunto de moléculas; cujas forças intermoleculares entre moléculas vizinhas são fortes o suficiente para mantê-las em uma posição fixa. Sólidos (como líquidos) não são muito compressíveis devido à falta de espaço entre as moléculas. Se as moléculas em um sólido adotam um arranjo de empacotamento altamente ordenado, as estruturas são ditas cristalinas.
  8. 8. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 8 PROPRIEDADES FÍSICAS Ponto de ebulição Para entender que diferentes compostos têm diferentes pontos de ebulição, as forças de atração entre as moléculas devem ser consideradas. Moléculas poderiam ser retratadas como núcleos envolvidos em uma nuvem de elétrons. Essa nuvem tem um centro de carga que pode mudar temporariamente do centro de carga dos núcleos. Desta forma, flutuam dipolos dentro de moléculas, o que causa forças fracas de van der Waals (dispersões de London). A magnitude dessas forças intermoleculares aumenta com o tamanho da nuvem de elétrons. Por exemplo, a superfície das moléculas esféricas é menor que a das moléculas de cadeia linear com a mesma massa molecular. Portanto, o metilpropano, que tem um esqueleto de carbono ramificado, tem um ponto de ebulição mais baixo do que seu isômero, o n-butano, que contém uma cadeia de carbonos linear. Quando uma substância entra em ebulição, as moléculas superam as forças atrativas entre elas; estas forças incluem as forças fracas de van der Waals. Na série de alcanos, os pontos de ebulição aumentam com o comprimento da cadeia de suas moléculas, mas os hidrocarbonetos ramificados têm pontos de ebulição mais baixos que seus isômeros de cadeia linear.
  9. 9. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 9 Conclui-se que a intensidade das forças de van der Waals aumenta com a área superficial das moléculas. Finalmente, os pontos de ebulição do propano (p.e. -42 ° C), éter dimetílico (p.e. -23 ° C) e etanol (p.e. + 78 ° C) são discutidos. A razão para o ponto de ebulição mais elevado do éter dimetílico do que o do propano é vista nas atrações dipolares entre as moléculas de éter. A formação de ligações de hidrogênio entre os grupos OH das moléculas de etanol é responsável pelo seu ponto de ebulição relativamente alto. Tensão superficial A tensão superficial da água é de 7,29.10-3 J/m2 a 25 ° C. É necessária uma força de 7,29.10-3 J para quebrar uma película de área superfícial de água de 1 m2 . A tensão superficial da água diminui significativamente com a temperatura, como mostrado no gráfico. A tensão superficial surge da natureza polar da molécula de água. Pequenos insetos podem andar sobre a água porque seu peso não é suficiente para penetrar na superfície. a) Menisco Quando a água líquida é confinada em um tubo, sua superfície (menisco) tem uma forma côncava porque a água molha a superfície e sobe pelo lado. Por outro lado, o mercúrio não molha o vidro - as forças coesivas dentro das gotas são mais fortes do que as forças adesivas entre as gotas e o vidro. Quando o mercúrio líquido é confinado em um tubo, sua superfície (menisco) tem uma forma convexa porque as forças coesivas no mercúrio líquido tendem a atraí-lo para formar uma gota.
  10. 10. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 10 b) Forma da gota A tensão superficial é a energia necessária para aumentar a área superficial de um líquido em uma quantidade unitária e varia muito de líquido para líquido com base na natureza das forças intermoleculares, por exemplo, água com ligações de hidrogênio tem uma tensão superficial de 7,29.10-3 J/m2 (a 20 °C), enquanto o mercúrio com ligações metálicas (eletrostáticas) tem uma tensão superficial 7 vezes maior: 4,87.10-1 J/m2 (a 20 ° C). Uma molécula típica no interior da gota é cercada por outras moléculas que exercem forças atrativas em todas as direções. Consequentemente, não há força líquida na molécula que faça com que ela se mova em uma direção particular. Em contraste, uma molécula na superfície experimenta uma atração líquida em direção ao líquido porque não há moléculas no exterior para equilibrar as forças exercidas por moléculas adjacentes no interior. Como uma esfera tem a menor área de superfície possível para um determinado volume, as interações atraentes intermoleculares entre as moléculas de água fazem com que a gota adote uma forma esférica. Isso maximiza o número de interações atrativas e minimiza o número de moléculas de água na superfície. Assim, as gotas de chuva são quase esféricas e gotas de água em uma superfície encerada (apolar), que não interage fortemente com a água, formam gotas redondas. c) Ação capilar Forças intermoleculares também causam um fenômeno chamado de ação capilar, que é a tendência de um líquido polar subir contra a gravidade em um tubo de pequeno diâmetro (um capilar), como mostrado na figura. Quando um capilar de vidro é colocado em água líquida, a água sobe para o capilar. A altura a que a água sobe depende do diâmetro do tubo e da temperatura da água, mas não do ângulo em que o tubo entra na água. Quanto menor o diâmetro, mais o líquido sobe. A ação capilar é o resultado líquido de dois conjuntos de forças opostas: forças coesivas, que são as forças intermoleculares que mantêm um líquido unido, e forças adesivas, que são as forças atrativas entre um líquido e a substância que compõe o capilar. A água tem forte adesão ao vidro, que contém grupos polares de SiOH e forte coesão intermolecular. Quando um capilar de vidro é colocado na água, a tensão superficial devido às forças
  11. 11. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 11 da água dentro do tubo, enquanto a adesão entre a água e o vidro cria uma força ascendente que maximiza a quantidade de superfície de vidro em contato com a água. Se as forças adesivas são mais fortes do que as forças de coesão, como é o caso da água, então o líquido no capilar sobe para o nível em que a força descendente da gravidade equilibra exatamente essa força ascendente. Se, no entanto, as forças de coesão forem mais fortes do que as forças adesivas, como é o caso do mercúrio e do vidro, o líquido move-se para baixo no capilar, ficando abaixo da superfície do líquido para minimizar o contato com o vidro. A água tem forte adesão ao vidro, que contém grupos SiOH polares e forte ligação intermolecular. d) Inseto Moléculas dentro de um líquido são puxadas igualmente em todas as direções por forças intermoleculares. No entanto, moléculas na superfície são puxadas para baixo e para os lados por outras moléculas líquidas, mas não para cima da superfície. O efeito geral é que as moléculas da superfície são puxadas para dentro do líquido, criando uma superfície que é compacta como um filme (veja a Figura). A tensão superficial de um líquido é uma medida da força elástica na superfície do líquido. Líquidos com fortes forças intermoleculares, como a ligação de hidrogênio na água, exibem uma maior tensão superficial. Alguns insetos aparentemente flutuam em cima da água. Eles aproveitam a tensão superficial para ficar acima da água e não afundar. A força que eles exercem para baixo é menor do que as forças exercidas entre as moléculas de água na superfície, de modo que o inseto não penetra na superfície da água.
  12. 12. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 12 Viscosidade Viscosidade (η) é a resistência de um líquido a fluir. Alguns líquidos, como gasolina, etanol e água, fluem muito rapidamente e, portanto, têm baixa viscosidade. Outros, como óleo de motor, mel e xarope de açúcar, fluem muito lentamente e têm uma alta viscosidade. Um método comum para avaliar a viscosidade de um líquido é medir o tempo que esferas de aço levam para cair através de um determinado volume do líquido. Quanto maior a viscosidade, mais lento o líquido flui através do tubo e as esferas de aço caem. A viscosidade é expressa em unidades do equilíbrio (g/cm.s) e existe uma correlação entre a viscosidade e as forças intermoleculares. Como um líquido só pode fluir se as moléculas puderem mover-se umas em relação as outras com resistência mínima, as fortes forças atrativas intermoleculares dificultam a movimentação das moléculas umas em relação às outras. A adição de um segundo grupo hidroxilo ao etanol, por exemplo, que produz etilenoglicol (HOCH2CH2OH) aumenta 15 vezes a viscosidade. Corantes Em geral, as fibras podem ser naturais ou sintéticas. As duas fibras naturais mais usadas e famosas são a lã e o algodão. Para obter a cor desejada, as moléculas do corante devem ter forte afinidade com a fibra (também chamada de substantividade para a fibra). Essa afinidade é baseada principalmente em forças intermoleculares tais como: ligações iônicas, ligações de hidrogênio de van der Waals e ligações covalentes (somente no caso de corantes reativos). Algodão - Corante Direct Red 81
  13. 13. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 13 Lã - Corante Fluorescente 32 SURFACTANTES Sais de metais alcalinos de ácidos graxos são mais solúveis em água do que os próprios ácidos, e o caráter anfifílico dessas substâncias também as torna fortes surfactantes. Os exemplos mais comuns de tais compostos são sabões e detergentes. Note que cada uma destas moléculas tem uma cadeia de hidrocarbonetos não polares, a "cauda" e um "grupo de cabeça polar" (muitas vezes iônico). O uso de tais compostos como agentes de limpeza é facilitado pelo seu caráter surfactante, que diminui a tensão superficial da água, permitindo que ela penetre e molhe uma variedade de materiais. Quantidades muito pequenas desses surfactantes se dissolvem em água para produzir uma dispersão aleatória de moléculas de soluto. No entanto, quando a concentração é aumentada, ocorre uma mudança interessante. As moléculas do surfactante se reúnem reversivelmente em agregados polimoleculares chamados micelas. Reunindo as cadeias hidrofóbicas juntas no centro da micela, o rompimento da
  14. 14. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 14 estrutura de hidrogênio da água líquida é minimizado, e os grupos de cabeças polares se estendem para a água circundante, onde eles participam das ligações de hidrogênio. Estas micelas são muitas vezes de forma esférica, mas também podem assumir formas cilíndricas e ramificadas, como ilustrado a seguir. Aqui, o grupo da cabeça polar é designado pelo círculo vermelho, e a cauda apolar é uma linha preta em zig-zag. EFEITO SALTING-OUT A extração da dessecação pode facilitar muito a recuperação de compostos orgânicos com mudanças mínimas em um processo em lote existente e é operacionalmente simples. Um benefício adicional é que os sais geralmente aumentam a densidade da camada aquosa, tornando improváveis as emulsões resultantes de camadas equidimensionais, em casos de solventes não halogenados. Em um modelo simplista, ânions dissolvidos de alta densidade de carga causam a salinização através de uma combinação de repulsão eletrônica e aumento do efeito hidrofóbico. O efeito hidrofóbico em água pura faz com que a agregação de solutos minimize a penetração entrópica associada à estrutura altamente ordenada na interface água-soluto. Presumivelmente, na presença de sais de alta densidade de carga, os contatos de superfície análogos são mais ordenados e incorrem em uma penalidade entrópica ainda maior. Portanto, os estados totalmente solvatados em água são desfavorecidos, fazendo com que eles se agreguem e então saiam da fase aquosa.
  15. 15. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Prof. Dr. José Nunes da Silva Júnior 15

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