Forças Intemoleculares

ligação

força

magnitude
(KJ/mol)

química

covalente
iônica

100-1000
100-1000

intermolecular

íon-dipolo
dipolo-dipolo
Dispersão
ligação-H

1-70
0.1-10
0.1-2
10-40

Na natureza, existem alguns fenômenos

que contrariam nosso senso comum.

O Portal de Estudos em Química trás neste artigo um desses fenômenos intrigantes da natureza que os químicos explicam recorrendo as estruturas diminutas, como moléculas e átomos.

Vamos descobrir as razões disso juntos?

Com vocês, as pontes de hidrogênio!

O experimento que iremos propor é como aquelas "histórias de pescador": difícil de acreditar :). Pois imaginem que existem casos que 1+1 não é 2 não! Estamos no mundo das moléculas e esse nos reserva surpresas impressionantes. Entretanto, para começarmos o assunto, se faz necessária a revisão de alguns conceitos importantes, os quais são apresentados na seqüência, com o objetivo de assegurar uma discussão frutífera sobre este fantástico fenômeno que este artigo trata.

Solubilidade

A solubilidade de substâncias se dá em função de uma afinidade eletrônica existente entre as espécies em um sistema. Essa afinidade eletrônica pode ser expressa na famosa frase: "semelhante dissolve semelhante". A questão é: semelhante em que aspecto? Para responder essa pergunta, devemos fazer uma análise da estrutura molecular das substâncias envolvidas.

Animação 01 - Pontes de hidrogênio e a solubilidade.

Um cubo de açúcar contém muitas moléculas e elas são mantidas unidas pelas pontes de hidrogênio (imagem a esquerda). Quando um cubo de açúcar dissolve, cada molécula permanece intacta. A molécula estabelece pontes com as moléculas de água (animação piscando em vermelho) e desfaz as pontes com as outras moléculas de açúcar. Por outro lado, o sal em solução transforma-se em íons (imagem a direita), como o cátion Na⁺ e o ânion Cl^-. A solubilidade dessas substâncias só é possível devido a afinidade eletrônica existente entre o soluto (açúcar e o sal) e o solvente (a água). Existem basicamente dois meios de substância no que diz respeito a polaridade: polares e apolares. O termo "polar" nos dá a idéia de opostos, onde um dado ponto é negativo e o outro é positivo. Isso é resultado da diferença de contribuição na ligação entre elementos químicos diferentes. *O mais eletronegativo atrai para perto de si o par de elétrons* que estabelece a ligação com o outro átomo. Um exemplo de substância polar é água, considerada um solvente universal. Sempre que fizemos referência da solubilidade de uma substância em outra, devemos sempre fazer uma observação quando as propriedades de estados do sistema, como pressão e temperatura por exemplo. Em condições ambientes de temperatura e pressão, (temperatura de 25°C ou 298,15K e pressão de 1 atm ou 101,325 kPa no SI) a água tem o comportamento visto no parágrafo anterior mas, é sabido que em condições extremas, a água pode assumir um caráter de "fluído supercrítico", capaz de misturar-se completamente com a maioria dos solventes apolares dentre outras aplicações interessantes (veja mais sobre o assunto nas indicações de leitura no final do artigo).	Linus Carl Pauling (1901-1994) foi um brilhante químico e também um pacifista. Suas contribuições para a Química foram inúmeras, dentre as quais podemos destacar os trabalhos teóricos sobre as ligações químicas, a elucidação da geometria molecular das proteínas e a elaboração do conceito de eletronegatividade o qual é
	ainda utilizado. Dois de seus livros (General Chemistry e The nature of Chemical bond) são considerados clássicos da literatura química. A fórmula utilizada por Pauling para calcular as eletronegatividades X_A e X_B de dois átomos A e B é baseada na energia envolvida na formação (energia de ligação) das moléculas AB, A₂ e B₂, por meio da reação: A₂ + B₂ --> 2AB em que /\E representa a variação de energia envolvida na formação da molécula AB. para evitar valores negativos de eletronegatividade, Pauling atribuiu arbitrariamente um valor para a eletronegatividae de hidrogênio e calculou, em relação a esse valor, a eletronegatividade dos outros elementos. Veja mais sobre Linus Pauling em: http://www.nobel.se

Figura 01 - Gradiente de polaridade da molécula de água

Quando falamos em polaridade, não podemos pensar em pólos pontuais, mas sim devemos imaginar um gradiente de distribuição de carga (ver figura 01), pois estamos falando de interações eletrostáticas de nuvem eletrônica. O termo "nuvem eletrônica" é utilizado devido ao caráter probabilístico dos orbitais, os quais estão em harmonia com a mecânica quântica, teoria que explica o comportamento de entidades muito pequenas, como partículas subatômicas.

Como dissemos, a polaridade da ligação, ou seja, o deslocamento da nuvem eletrônica para um átomo de forma heterogenia em relação ao outro é explicada pela propriedade denominada eletronegatividade, a qual é diferente para cada elemento químico. Cada elemento tem uma determinado valor de eletronegatividade (veja figura 04), a qual podemos relacionar com a "tendência que um átomo possui de atrair elétrons para perto de sim, quando se encontra "ligado" a outro átomo de elemento químico diferente, numa substância composta". Mas não é somente a diferença de eletronegatividade que irá dar subsídios para a classificação de uma molécula em polar ou apolar, mas sim a análise deste último aspecto em conjunto com a conformação dos átomos da molécula. Usa-se a soma dos vetores m para sabermos se uma dada molécula é polar ou apolar (veja figura 02)

No caso da molécula de água, temos a presença de dois pares de elétrons não ligantes ou livres (ver figura 03), responsáveis pela forma em "V" da água. Sendo assim, caso fossemos somar os vetores das ligações, constataríamos que a molécula é polar, ou seja, a resultante da soma dos vetores é diferente de zero.

Figura 03 - par de elétrons livres

do oxigênio

Imaginando os pares de elétrons não ligantes como outros "H" ligados ao oxigênio, a repulsão chega a um valor 104°5' (veja figura 05). Perceba que o ângulo é um pouco menor do que configuração tetraédrica do gás metano (109°28") por exemplo, devido ao fato da repulsão de elétrons livres ser maior que a repulsão de elétrons estabelecendo uma ligação com outro átomo.

Figura 02 - Soma dos vetores m na molécula de água.

Figura 04 - Escala de eletronegatividade

Figura 05 - Ângulo das ligações da molécula de água

Tendo esse caráter, a água é um excelente solvente polar para compostos orgânicos polares de baixo peso molecular, como o metanol, etanol, ácido fórmico, ácido acético, dentre outros. Possuindo um dipolo bastante acentuado, atrai por eletrostática o dipolo da outra molécula, de forma a potencializar a solubilização. Porém, essas moléculas orgânicas possuem uma parte polar, solúvel em água e uma parte apolar, insolúvel em água. A medida que aumenta-se o número de carbonos no grupo dos álcoois e ácidos carboxílicos por exemplo, a solubilidade, em meio aquoso vai diminuindo. É por isso que quando misturamos água com, por exemplo, butanol, constituído de 4 carbonos, a solubilidade em água diminui bastante, aparecendo claramente duas fases distintas indicando que as substâncias não são completamente miscíveis, mas sim parcialmente.

As ligações intermoleculares

Figura 06 - Regra do FON

Vimos que a água é um ótimo solvente polar e, para compostos orgânicos polares de baixo peso molecular, também é um bom solvente. As ligações estabelecidas entre a água e o composto orgânico gera um fenômeno muito interessante, o qual pode ser realizado sem muitos equipamentos específicos de um laboratório. Podemos notar na figura 07 que tanto o etanol como o ácido propanóico possuem no mínimo uma ligação acentuadamente polar em suas moléculas, de forma a potencializar uma solubilidade em meio aquoso. No caso do álcool, a parte apolar não possui influência negativa na solubilidade em meio polar, já o ácido propanóico, com sua parte da molécula apolar, compromete a solubilidade total de composto em água. Mesmo assim, perceba que o número de pólos no ácido é maior do que no etanol e esse fato será muito importante para o experimento que será realizado a seguir.

Foi feito referência a uma ligação acentuadamente polar no parágrafo anterior devido ao fato que nem toda ligação polar é passível de ser uma ponte de hidrogênio. Conforme a figura 06, podemos ver que há um aumento da eletronegatividade em direção ao Flúor, o elemento mais eletronegativo da tabela periódica. O Flúor, Oxigênio e o Nitrogênio são os elementos que, juntamente como H, estabelecem a ligação acentuadamente polar, a qual também é conhecida como "regra do FON", ligação esta responsável por diversos fenômenos interessantes da água.

Figura 07 - Polaridades nas moléculas

de ácido propanóico e do etanol

Veja que no caso do etanol (função álcool), há a possibilidade de formação de apenas uma ponte de hidrogênio, devido a existência de apenas uma situação de dipolo na molécula. Já no ácido propanóico, podemos notar um par de dipolos na molécula, fenômeno esse que irá proporcionar a explicação de alguns resultados que serão obtidos no experimento proposto em seguida. Apesar do ácido propanóico não ser completamente solúvel em água, a análise da parte "polar" da molécula nos ajudará a compreender o que acontece com outro ácido, o ácido etanóico ou mais conhecido como ácido acético.

Um comportamento excepcional da água está representado na figura 07, comparando-se os pontos de ebulição de substâncias moleculares semelhantes. Podemos notar que, caso a água mantivesse a linearidade do gráfico, sendo essa linearidade ditada pela massa molecular dos compostos da mesma família, teria um ponto de ebulição próximo de -100 C!. Caso isso fosse verdade, a Terra não teria lagos, rios ou oceanos, e a água existiria na Terra somente no estado gasoso, mesmo nos pólos do Norte e Sul! Ao contrário da água, o sulfeto de hidrogênio, bem como H₂Se e o H₂Te, são incapazes de formar ligações intermoleculares fortes. Ligações de hidrogênio, de forma apreciável, só são encontradas nas moléculas que contêm os elementos mais eletronegativos, como o flúor, o oxigênio e o nitrogênio. As propriedades das substancias com ligação H-X de polaridade elevada, semelhante à da água, como a amônia e o fluoreto de hidrogênio, são também influenciadas pelas ligações de hidrogênio, e muitas de suas propriedades, nos estados sólidos e líquidos, resultam das interações dipolo-dipolo entre suas moléculas.

Figura 08 - Ponto de ebulição dos elementos da família 16 da tabela periódica ligados ao hidrogênio.

ligação	força	magnitude (KJ/mol)
química	covalente iônica	100-1000 100-1000
intermolecular	íon-dipolo dipolo-dipolo Dispersão ligação-H	1-70 0.1-10 0.1-2 10-40

Perceba que os termos "ponte de hidrogênio" e "ligação de hidrogênio" são utilizados de forma indistinta. Isso deve-se ao fato de considerarmos a ponte de hidrogênio praticamente uma ligação química entre átomos, devido a sua grande energia (veja tabela ao lado). Em um extremo, temos ligações covalentes ou iônicas que, quando se formam, representam grandes variações de energia. Já a ponte de hidrogênio está no meio da escala, sendo que o outro extremo é representado pelas interações intermoleculares de menor energia, como as "Dispersão de London", por exemplo. Neste trabalho, o termo "ligação" é usado para descrever qualquer interação de dois átomos, que resulta na formação de uma estrutura interatômica mensurável e nitidamente definida.

Há uma clara variação do volume da mistura entre a água e um dos compostos orgânicos citados durante esse trabalho (etanol e ácido acético por exemplo). Essa variação no volume depende do composto orgânico utilizado, ou seja, podemos relacionar a variação do volume da mistura com a substância usada no experimento, tanto no sentido de variar ou não o volume como também na magnitude dessa variação.

Engraçado não? Como uma interação molecular como esta pode ocasionar um fenômeno tão intrigante? Devo dizer que eu não acreditei na primeira vez que ouvi falar e, como já diria São Tomé: "só acredito vendo", vamos ao laboratório. :)

Experimento

Interações intermoleculares de

compostos orgânicos com a água.

Material

- 600 mL de água destilada
- 100 mL de etanol absoluto
- 100 mL de propanol absoluto
- 100 mL de butanol absoluto
- 100 mL de ácido etanóico concentrado
- 100 mL de ácido propanóico concentrado
- 100 mL de ácido butanóico concentrado
- 07 provetas de 100 mL
- 06 provetas de 200 mL

ATENÇÃO

Química não é brincadeira, é coisa séria!

Não cheire nem experimente o gosto de substâncias desconhecidas

Cuidado com as substâncias tóxicas e/ou inflamáveis

Cuidado com respingos na pele e nos olhos

Roteiro Experimental

Encher uma proveta de 100 mL com água e outra proveta de 100 mL com etanol. Verter o conteúdo das duas provetas em uma terceira proveta com capacidade de 200 mL. Os passos realizados com o etanol devem ser repetidos com os demais solventes orgânicos. Não esqueça de informar a temperatura no laboratório/sala de aula bem como a pressão atmosférica no momento em que foram realizados os experimentos. Preencha os volumes totais obtidos na tabela abaixo e responda as questões propostas ao final da prática:

Solvente	Volume da mistura aumentou, diminuiu ou permaneceu constante?	Se houve variação, qual foi a magnitude? (em mL)
Etanol
Propanol
Butanol
Ácido etanóico
Ácido propanóico
Ácido butanóico

Temperatura no laboratório/sala de aula de aula:____

Pressão atmosférica no laboratório/sala de aula*: ____

*Pode-se utilizar a pressão atmosférica da cidade onde se fez o experimento.

Questionário

01) Com base nos resultados obtidos, que relação podemos traçar entre a família dos álcoois e a família dos ácidos carboxílicos quanto à variação de volume observada? Analise os aspectos moleculares dos dois grupos funcionais.

02) Quais são as relações existentes entre a polaridade da molécula, a miscibilidade ou não em um solvente e o volume da mistura? Demonstre essas relações de forma esquemática.

03) Provavelmente, você observou que foram utilizada uma seqüência homóloga de substâncias para cada função orgânica. Qual poderia ser o motivo fundamental para a não utilização do álcool metílico (metanol pela IUPAC) e do ácido metanóico nestes experimentos? Faça uma breve revisão bibliográfica e aponte as principais causas, na sua opinião, para a não utilização de tais substâncias.

04) Os resultados obtidos experimentalmente estão de acordo com o que a teoria prevê no aspecto das interações intermoleculares dos compostos utilizados? Justifique.

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Aprofundando o Assunto...

Department of Chemistry, University of Hull:

Electronegativity: Pauling | Allred-Rochow | Mulliken-Jaffé

Tabela com os valores das eletronegatividades dos elementos das três escalas

http://www.chm.davidson.edu/ronutt/che115/electroneg.htm