Interações intermoleculares

Teoria Completa

E aíi, tudo bom?

Esse assunto é muiiiiiiiiiiiiito (ênfase nos muitos is, porque é de fato muito muito muito) importante, porque explica muita coisa da química, dos estados físicos das substâncias até a construção de materiais modernos super complicados!

As interações (ou forças) intermoleculares, como o próprio nome diz, são as interações que as moléculas fazem entre si, e embora sejam consequência das interações interatômicas, você tem que saber diferenciar as duas!

Se você ainda tem algumas dúvidas nas ligações interatômicas, dá uma olhada nos capítulos sobre ligações iônicas e covalentes!

Interações intermoleculares x ligações químicas

Ok, vamos com calma!

Para formar uma molécula, os átomos fazem ligações que são covalentes ou iônicas, dependendo de diversos fatores. Essa molécula, já formada, interage com outras moléculas do mesmo tipo (ou de outro tipo) para formar misturas ou compostos.

Essa interação entre as moléculas pode ser de 4 tipos, e vamos vê-los com calma nesse capítulo, mas é importante entender que essa interação molécula-molécula é mais fraca que a ligação entre os átomos!

Mas porque a ligação interatômica é tão importante para definir as interações intermoleculares?

Vamos pegar o exemplo da água! Você se lembra que na água o oxigênio e os dois hidrogênios estão ligados por ligações covalentes polares, não é? Isso acontece por causa da diferença de eletronegatividade entre o O e os H , o que faz que sejam criados pólos na molécula:

Esses pólos são fundamentais pois é a partir deles que as moléculas vão interagir! As interações intermoleculares não passam de forças de atração entre pólos de cargas opostas! Vamos ver o caso da água:

Forças íon-dipolo

Esse tipo de interação intermolecular ocorre entre íons e moléculas polares! Um exemplo são os sais na água, que são hidratados (envolvidos por moléculas de água)!

A hidratação acontece porque os pólos parcialmente negativos das moléculas de água (os O ) são atraídos pelos cátions e os pólos parcialmente positivos (os H ), são atraídos pelos ânions!

Essa interação é extremamente forte, já que a gente tem uma carga efetiva (dos íons) e uma carga parcial (da molécula)!

Mas como a gente quantifica essa interação?

A gente mede ela a partir da energia potencial da interação entre as duas cargas – a carga completa do íon e a carga parcial da molécula polar!

E p ∝   - z μ r 2

Onde z é o número de carga do íon, μ   é o momento de dipolo elétrico da molécula polar e r é a distância entre o centro do íon e a molécula!

Essa fórmula diz pra gente que a interação entre o íon e a molécula diminui a energia potencial do íon em solução, o que estabiliza a carga iônica. Ela também mostra que, quanto menor a distância entre o centro do íon e a molécula, menor vai ser a energia potencial (graças ao sinal de na fórmula).

Ou seja: quanto menor o íon, melhor sua interação com as moléculas polares!

Forças dipolo-dipolo

Moléculas polares fazem uma interação que se chama dipolo-dipolo! Essa interação acontece à partir da atração entre as cargas parciais da própria molécula! É mais ou menos assim, ó:

Ou seja, a carga parcial negativa de uma molécula é atraída pela carga parcial positiva de outra molécula, o que faz com que elas interajam.

Como a gente tem duas cargas parciais, essa interação vai ser mais fraca do que a interação íon-dipolo...

A gente também quantifica a energia potencial da interação entre as moléculas a partir de uma fórmula:

E p ∝ - μ 1 μ 2 r 3

Onde μ 1 e μ 2 são os momentos de dipolo das moléculas que estão interagindo!

Assim como na força íon-dipolo, quanto menor a energia potencial, melhor e mais forte é a interação entre as moléculas... Ou seja, quanto maior a polaridade das moléculas, mais fortes vão ser as interações dipolo-dipolo.

Outra coisa que a gente pode observar é a relação com a distância entre as moléculas, que passou a ser r 3 , enquanto nas íon-dipolo é r 2 .   Isso acontece porque essa interação é mais fraca do que a íon-dipolo, então as moléculas precisam estar mais próximas para se atrair o suficiente para interagirem!

Ligação de hidrogênio

A ligação de hidrogênio é um caso especial de forças dipolo-dipolo. Ela acontece com moléculas que tem um hidrogênio ligado com átomo beeem eletronegativo. Normalmente consideram-se as ligações H - N ,   H - O   e   H - F .

Isso porque essas ligações são extremamente polares, e criam dipolos com cargas pontuais beeem elevadas!

Só pra ficar bem claro, vamos ver a água e a acetona. A água tem duas ligações O - H extremamente polares, enquanto a acetona tem uma ligação C = O , que, apesar de polar, não é igual à H - O . Por isso, os polos formados na água tem cargas maiores do que os polos da acetona! Isso faz com que o polo negativo atraia com mais intensidade o polo positivo, e a ligação na água seja mais forte!

Ou seja, se tivermos que comparar, a ligação de hidrogênio é mais forte do que a interação dipolo-dipolo!

Forças de London ou dipolo-induzido

São as forças intermoleculares que acontecem em todos os tipos de moléculas, inclusive moléculas apolares!

Mas pera lá, eu disse que as interações intermoleculares dependem de cargas parciais nas moléculas para acontecerem, não é? Como que uma molécula apolar – e que, teoricamente, não tem polos, vai interagir?

O que rola é que os elétrons não ficam parados numa molécula. É como se a nuvem eletrônica ficasse flutuando pela molécula, e, em certas horas, fosse mais pra um átomo do que pra outro, criando uma diferença de cargas...

Você viu onde eu quero chegar né? As moléculas apolares tem dipolos momentâneos, causados pela movimentação da nuvem de elétrons!

E quando uma molécula cria um dipolo momentâneo, a parte positiva dela atrai os elétrons de outra molécula, que também fica momentaneamente polarizada, e assim em diante... Por isso essa interação também é chamada de dipolo-induzido: um dipolo instantâneo induz a outra molécula a também criar um dipolo instantâneo 😊

A gente mede essa interação a partir da fórmula:

E p ∝ - α 1 α 2 r 6

Onde é a polarizabilidade das moléculas: a facilidade de uma molécula em ter sua nuvem de elétrons deformada.

Se uma molécula tem uma polarizabilidade alta, sua nuvem de elétrons tem uma mobilidade maior, e, assim, ela pode criar mais dipolos instantâneos: o que significa uma interação de London forte!

Você pode imaginar que essa interação é a mais fraca de todas, né? Não só porque a distância entre as moléculas altera ainda mais na energia potencial, mas porque as cargas são cargas parciais momentâneas!

Obs: Uma molécula pode fazer – e faz! – mais de uma interação intermolecular! Moléculas polares, por exemplo, fazem as duas interações – dipolo-induzido e dipolo-dipolo, já que todas as moléculas – polares ou apolares – tem elétrons que se movimentam e podem criar dipolos instantâneos.

Na real, estima-se que uns 80% das forças de atração total entre moléculas são feitas por dipolo-induzido, e o resto por dipolo-dipolo! Uma loucura, né?

Vamos dar uma resumida pra ir pros exercícios?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria.

Descreva a imagem abaixo, explique a orientação das moléculas e a que tipo de interação intermolecular ela corresponde.

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Passo 1

A imagem representa dois íons, um com carga positiva e outro com carga negativa rodeados por moléculas polares!

As cargas dos íons são cargas pontuais, já que eles tem essa carga efetiva. Já na molécula, as cargas são cargas parciais, que são representadas por δ e são uma consequência da diferença de eletronegatividade dos átomos da molécula + a geometria dela.

Esses íons estão interagindo com as moléculas com uma força de atração de cargas opostas, e por isso as cargas parciais negativas interagem com o íon positivo (o cátion) e as cargas parciais positivas interagem com o ânion, o que explica a orientação das moléculas!

Essa interação é a interação intermolecular íon-dipolo, uma interação que descreve a força de atração entre íons e moléculas polares!

Resposta

Exercício Resolvido #2

Adaptado de Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 198-Exercício 5.1

Identifique o tipo predominante de forças intermoleculares que podem agir entre as moléculas das seguintes substâncias:

a) N H 2 O H

b) C B r 4

c) S O 2

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Passo 1

Para saber quais forças intermoleculares podem agir na molécula, precisamos saber se a molécula é polar ou apolar!

a) N H 2 O H

Para saber se uma molécula mais complexa é polar ou apolar pode ser bem complicado, por conta da geometria dela!

Por isso, vamos só olhar as ligações dessa molécula planificada mesmo e ver se conseguimos chegar a alguma conclusão...

Por mais que você não saiba a geometria global da molécula, você já consegue ver que as ligações são beeem polarizadas, e que todos os vetores momento dipolo se encaminham para o oxigênio, o átomo mais eletronegativo, não é?

Como não temos nenhum vetor que vá numa direção contrária do oxigênio, podemos constatar que a molécula é polar!

Mas, na real, você nem precisava ter feito isso! Isso porque a molécula tem 2 ligações H - N e uma ligação O - H , o que indica que essa molécula faz ligação de hidrogênio!

Passo 2

b) C B r 4

Essa molécula é simétrica e bem parecida com o C C l 4 , por exemplo, que sabemos que é apolar. Mas se você ainda está com dúvida, desenha ela!

Como o B r é mais eletronegativo que o C , a ligação entre eles vai ser polar. Mas a geometria do carbono é tetraédrica quando ele tem 4 ligantes, e os 4 vetores (que tem o mesmo valor) se cancelam quando a gente soma eles! Assim, essa molécula vai ser apolar.

Se a molécula é apolar, ela tem como interação intermolecular as forças de London, ou dipolo-induzido.

Passo 3

c) S O 2

O S O 2   é uma molécula polar! É só você pensar que você tem um átomo central (S) com um par de elétrons sobrando e dois átomos iguais ligados a ele (dois O)... Vamos desenhar:

Podemos ver que ela é, então, uma molécula polar, que faz dipolo-dipolo 😊

Resposta

a) Ligação de hidrogênio.

b) Forças de London.

c) Dipolo-dipolo.

Exercício Resolvido #3

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 196-Exercício 5.9

Coloque os seguintes tipos de interações iônicas e moleculares na ordem crescente de magnitude:

a) íon-dipolo

b) dipolo induzido-dipolo induzido

c) dipolo-dipolo na fase gás

d) íon-íon

e) dipolo-dipolo na fase sólido.

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Passo 1

Precisamos antes de começar a analisar as opções, lembrar que as interações intermoleculares são interações eletrostáticas entre cargas pontuais e cargas parciais, em que cargas opostas se atraem!

Assim, se analisarmos entre íon, molécula que faz dipolo-dipolo e molécula que faz dipolo-induzido, temos três situações diferentes de cargas:

  • uma carga pontual no íon, já que ele vai ser ânion ou cátion e vai ter uma carga positiva ou negativa efetiva;
  • um dipolo (ou seja, uma carga parcial negativa e outra positiva) permanente na molécula que faz dipolo-dipolo, já que, pela diferença de eletronegatividades, o momento dipolo resultante vai definir onde temos um polo positivo e onde temos um polo negativo;
  • um dipolo momentâneo na molécula que faz dipolo-induzido, porque é um dipolo causado pela movimentação dos elétrons da ligação, e que só é sustentado porque o dipolo momentâneo em uma molécula induz outra molécula a criar um dipolo também etc.

Ou seja, se tivermos que definir por força de atração ou capacidade de atrair uma carga oposta por força eletrostática, a ordem seria:

í o n > m o l é c u l a   q u e   f a z   d i p o l o - d i p o l o > m o l é c u l a   q u e   f a z   d i p o l o   i n d u z i d o

Agora vamos analisar as opções!

Passo 2

Dentre todas as opções, a mais forte de todas vai ser a interação íon-íon, já que o íon é o mais capaz de atrair uma carga oposta para si!

E a mais fraca de todas vai ser a dipolo induzido – dipolo induzido, já que é a carga mais fraca e, consequentemente, que atrai menos as cargas opostas.

Agora só precisamos decidir entre as outras 3, qual ordem vai ser.

Passo 3

Como o íon é o mais forte na atração eletrostática, a ligação íon-dipolo vai ser mais forte do que as duas dipolo-dipolo.

Agora é só decidir como o estado físico altera na ligação...

Quando as moléculas estão no estado sólido, elas estão mais próximas, menos agitadas e mais organizadas, né? Enquanto no estado gasoso elas estão mais agitadas, em movimento aleatório e colidindo umas nas outras. Por isso, a interação dipolo-dipolo no estado sólido é mais fácil de acontecer do que no estado gasoso!

Assim, a dipolo-dipolo no estado sólido é mais forte do que no estado gasoso 😊

Resposta

Colocando tudo em ordem crescente...

dipolo induzido-dipolo induzido   < dipolo-dipolo na fase gás < dipolo-dipolo na fase sólido <   íon-dipolo < íon-íon

Exercício Resolvido #4

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.11

Qual das seguintes moléculas provavelmente formam ligações de hidrogênio:

a) P H 3

b) HBr

c) C 2 H 4

d) H N O 2

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Passo 1

Essa questão é bem teórica! Só precisamos lembrar que a ligação de hidrogênio é realizada em moléculas que possuem as ligações:

H - O

H - N

H - F

Já que essas ligações são extremamente polares graças à eletronegatividade dos átomos de flúor, oxigênio e nitrogênio!

Assim, quando você tiver que saber quem faz ligação de hidrogênio, procura essas ligações!

No exercício, só a letra d tem uma dessas ligações, e, portanto, ela que vai fazer ligação de hidrogênio!

Observação: Como a ligação de hidrogênio é um tipo especial de interação dipolo-dipolo, moléculas apolares nem tem como fazê-la! Então o C 2 H 4 ,   por exemplo, já pode ser cortado de cara! 😊

Resposta

Letra d.

Exercício Resolvido #5

Lista de exercícios FGV-SP.

O conhecimento das estruturas das moléculas é um assunto bastante relevante, já que as formas das moléculas determinam propriedades das substâncias como odor, sabor, coloração e solubilidade. As figuras apresentam as estruturas das moléculas   C O 2 ,   H 2 O ,   N H 3 ,   C H 4 ,   H 2 S   e   P H 3 .

De todas essas moléculas, qual(is) podem fazer ligação de hidrogênio com a água?

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Passo 1

Vamos lembrar que quem faz ligação de hidrogênio são moléculas polares que tem as seguintes ligações:

H - O

H - N

H - F

A água é uma delas, e por isso ela faz ligação de hidrogênio como interação intermolecular.

Para achar outras moléculas que fazem ligação de hidrogênio com a água, basta procurar quais delas tem uma desses três ligações!

Entre todas elas, a única é a N H 3 !

Resposta

N H 3   e   H 2 O .

Exercício Resolvido #6

Lista de exercícios UFJF – Disciplina QUI125 – Química fundamental.

Explique o termo “polarizabilidade”. Que tipo de espécies tem tendência a ter polarizabilidades elevadas? Qual é a relação entre polarizabilidade e forças intermoleculares?

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Passo 1

Polarizabilidade é a medida da facilidade em deformar uma nuvem de elétrons. Ou seja, quão mais fácil for puxar a nuvem de elétrons de um átomo ou de uma molécula, maior sua polarizabilidade.

Quanto maior o tamanho da nuvem eletrônica mais polarizável será a espécie. Então espécies com maior raio atômico e com mais elétrons terão seus elétrons deformados mais facilmente, já que eles estão menos ligados ao núcleo. Por isso, elas terão polarizabilidade elevada.

A relação entre polarizabilidade e forças intermoleculares é que, quanto maior a polarizabilidade de uma espécie, maior sua capacidade de fazer interação dipolo-induzido, já que os dipolos instantâneos se formarão mais facilmente!

A gente pode ver isso também na relação entre energia potencial e distância entre duas moléculas que fazem dipolo-induzido:

E p ∝ - α 1 α 2 r 6

Quanto maior o abaixamento da energia potencial, mas estabilizada ficam as moléculas e mais forte é a ligação. Como quanto maior a polarizabilidade, maior o abaixamento da energia potencial, podemos dizer que o aumento da polarizabilidade aumenta a força das interações dipolo-induzido!

Resposta

Exercício Resolvido #7

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.7

Qual tipo de força atrativa intermolecular atua entre:

a) todas as moléculas

b) moléculas polares

c) o átomo de hidrogênio de uma ligação polar e um átomo vizinho pequeno e eletronegativo.

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Passo 1

a) A ligação que atua em todas as moléculas é o dipolo-induzido (forças de dispersão/forças de London), que é causada pela migração momentânea da nuvem de elétrons da ligação – coisa que acontece em todas as ligações!

Passo 2

b) Moléculas polares fazem, predominantemente, interações do tipo dipolo-dipolo, graças às suas cargas parciais. Além de dipolo-dipolo, elas fazem, como todas as moléculas, forças de London.

Passo 3

c) Se o átomo pequeno for o F ,   N   o u   O , a molécula faz ligação de hidrogênio. Se não forem esses átomos, a interação predominante é a dipolo-dipolo 😊

Resposta

Exercício Resolvido #8

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.8

Que tipos de forças intermoleculares são comuns para:

a) Xe e o metanol ( C H 3 O H )

b) C H 3 O H e a acetonitrila ( C H 3 C N )

c) N H 3 e H F

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Passo 1

a) Vamos analisar molécula por molécula! O Xe é uma molécula formada de um só átomo. Ou seja, não tem como ela fazer dipolo-dipolo ou ligação de hidrogênio já que ela não tem ligação para formar dipolo! Ela com certeza tem que fazer forças de London!

Já o metanol é uma molécula polar... Como ele tem uma ligação O - H , sabemos que nela a molécula faz ligação de hidrogênio com outras ligações O - H . Mas, como qualquer outra molécula, ela também faz forças de London, já que qualquer ligação está suscetível a formar dipolos momentâneos 😊

Ou seja, a força intermolecular comum entre as duas são as forças de London.

Passo 2

b) As duas moléculas são moléculas polares, já que tem um átomo super eletronegativo em uma ponta (no metanol, o O , na acetonitrila, o N ) . Se as duas são polares, sabemos que elas fazem dipolo-dipolo.

Mesmo que o metanol interaja com outras moléculas de etanol por ligação de hidrogênio, não vaos esquecer que ligação de hidrogênio é um caso extremo de dipolo-dipolo, e que com outras moléculas (que não tiverem uma ligação H - O ,   H - N   o u   H - F ), ele vai interagir por dipolo-dipolo 😊

Além disso, como todas as moléculas, elas também interagem por forças de London!

Então as duas em comum são: dipolo-dipolo e forças de London.

Passo 3

c) Ambas as moléculas tem uma ligação suuper polarizada - H - F e H - N , o que nos faz concluir que as duas interagem por ligação de hidrogênio – a interação em comum entre as duas 😊

Resposta

a) Forças de London.

b) Forças de London e dipolo-dipolo.

c) Ligação de hidrogênio.

Exercício Resolvido #9

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.81

No diclorometano, C H 2 C l 2 ( μ = 1,60 D ) , a contribuição da força de dispersão para as forças intermoleculares atrativas é aproximadamente 5 vezes maior que a contribuição dipolo-dipolo. A importância relativa dos dois tipos de forças intermoleculares atrativas difere

a) no dibromometano ( μ = 1 , 4 3 D ) ?

b) no difluorometano ( μ = 1,93 D ) ?

Justifique sua resposta.

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Passo 1

a) O dibromometano, C H 2 B r 2 é menos polar do que o diclorometano, já que seu μ t o t a l   é menor. Isso quer dizer que o dipolo permanente criado na molécula de C H 2 B r 2 é menor do que o dipolo permanente criado na molécula de C H 2 C l 2 , o que diminui a interação das moléculas através de dipolo-dipolo!

Ou seja, para o dibromometano, a contribuição dipolo-dipolo vai ser ainda menor.

Passo 2

b) O diflorometano é ao contrário do dibromometano: como a molécula é mais polar do que o C H 2 C l 2 , seu dipolo permanente é ainda maior (já que o Flúor é mais eletronegativo do que o Cloro). Isso significa que a interação dipolo-dipolo vai ser mais fácil, e a contribuição dipolo-dipolo vai ser maior do que para o C H 2 C l 2 .

Resposta

Exercício Resolvido #10

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.13

Identifique o arranjo (I, II ou III, todas as moléculas são C H 2 C l 2 ) , que deve corresponder às atrações intermoleculares mais fortes e justifique sua escolha.

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Passo 1

Antes de mais nada vamos analisar como que funciona a polaridade do C H 2 C l 2 , já que precisamos analisar em qual arranjo as cargas opostas vão se atrair melhor!

Se você não sabe fazer a geometria do C H 2 C l 2 não tem problema, já que o próprio problema já mostrou que é um carbono central com dois hidrogênios ligados de um lado e dois cloros de outro!

Vamos pegar uma dessas moléculas para calcular o momento dipolo resultante:

Podemos ver que a tendência da molécula é, então, ter um polo negativo perto dos C l e um polo positivo no outro extremo, perto dos H !

Passo 2

Agora, é só a gente pensar em um arranjo em que os polos positivos fiquem em contato com os polos negativos e vice-versa, já que como a interação é dada por uma atração eletrostática entre os dois polos, eles precisam estar o mais perto possível!

Além disso, cargas iguais se repelem, e o ideal é que elas estejam o mais afastadas possível!

Se você olhar os 3 arranjos, é fácil de reparar que no terceiro as cargas parciais positivas e negativas vão estar mais perto! Por isso, esse é o arranjo preferencial 😊

Resposta

O arranjo III, pois as cargas opostas estão mais próximas, facilitando a atração eletroestática, e as cargas iguais mais afastadas, evitando a repulsão.