domingo, 11 de maio de 2014

MOMENTO DIPOLAR, POLARIZAÇÃO MOLECULAR E CONSTANTE DIELÉTRICA

Cada par de elétrons compartilhados constituem uma ligação. É possível que a atração dos átomos sobre os elétrons a ligação é idêntica, em cujo caso se que é neutro e os elétrons ocupam uma posição eqüidistante dos núcleos atômicos. Contudo, pode ocorrer que os elétrons sejam atraídos mais fortemente pro um dos átomos e em conseqüência o centro elétrico das cargas negativo não corresponde com o das cargas positivas (núcleos). Dito de outro modo, as cargas negativas e positivas associadas em uma união covalente podem ser apresentadas como se estivessem deslocados umas em relação as outras, para formar um dipolo análogo para pólos de um pequeno ímã.

Figura 1 – Interação Dipolo
Fonte: Pagina Estrutura molecular MOL02 no Alfaconnection
Disponível em: <http://tinyurl.com/knewxzn> Acesso em maio. 2014.


Existe em seguida uma acumulação de cargas positivas sobre o átomo mais eletropositivo e outro negativo sobre o átomo mais eletronegativo e moléculas que se chamam polares.

Figura 2 – Um exemplo de ligação covalente polar


Em geral, toda união covalente entre dois átomos se encontram associados a um momento dipolar. Nas moléculas polares há uma distancia limitada de separação entre os centros de eletricidade positiva e negativa, e a polaridade das moléculas diminuirá quando estes centros se aproximam uns nos outros.

Nas moléculas cuja carga tem uma disposição simétrica, com coincidência nos centros de gravidade de carga positiva e negativa, não existe momento elétrico e seu momento dipolar é nulo. Este é o caso de moléculas como CCl4, ,O2, H2 e N2, ademais de aquelas como He, Ne, Ar, que manifestam uma atividade química praticamente nula e são moléculas não polares.
Nas moléculas não simétricas (polares) a separação desigual de carga existe embora a molécula que encontra em seu estado normal, como acontece com compostos como água, alcoóis, aminas e outros, substanciam que se comportam como dipolos, quadripolos ou octapolos. Tais moléculas, são por si mesmas fontes de um pequeno campo elétrico, dizem que possuem um momento dipolar permanente ou um momento elétrico permanente que é representado por μ.
Figura 3 - O vetor do momento dipolar


Fonte: Pagina Estrutura molecular MOL02 no Alfaconnection
Disponível em: < http://tinyurl.com/knewxzn> Acesso em maio. 2014.
Defini-se o momento dipolar permanente de uma molécula (μ) como o produto da carga eletrônica (e) pela distancia media (d) entre os centros de eletricidade negativa e positiva:


A medida experimental do momento dipolar é importante para quando mede a simetria elétrica das moléculas e pode dar informações sobre a forma e estrutura molecular.
Os valores de μ são de ordem de magnitude de 10-18 unidades eletrostáticas x cm (cm). O valor de  se chama debye (D) e os momentos dipolares de algumas moléculas, em unidades debye, são:



Se uma molécula poliatômica conte dois ou mais dipolos em distintas ligações, o momento dipolar resultante da molécula é igual à adição vetorial dos momentos das ligações isoladas.
Em um gás ou liquido constituído por moléculas dipolares, os dipolos se orientam  em todas a direções e é dito que não esta polarizado. Se este liquido ou gás é submetido a ação de um campo elétrico, por exemplo, um condensador de placas paralelas, as moléculas se orientam e adquirem um momento elétrico dirigido no sentido do campo. Agora as moléculas estão polarizadas, uma vez que o campo elétrico o polariza, e tal fenômeno se chama de orientação. É de recordar , em um condensador de placas, e sendo as cargas das placas  e -σ por centímetro quadrado, o campo elétrico dentro do condensador é orientado normalmente aos planos e tem uma magnitude de Eo = 4.π.o. A capacidade é:

Sendo A  superfície das placas, d a distancia, V a diferença de potencial entre elas, o as cargas e q as cargas de dipolo.
As moléculas de estrutura simétrica (não polares) se submetem a ação d um campo elétrico se transforma em dipolos induzidos, se deformam e seus centros de carga negativa e positiva não coincidem. Esta polarização se atribui a deslocamento de elétrons das moléculas (polarização eletrônica, Pe) e o deslocamento dos núcleos atômicos (polarização atômica, Pa).


                                           

Figura 4 - Formação de um dipolo induzido entre átomos do gás nobre hélio

Fonte: Pagina Força Intermolecular de Dipolo Induzido no Alunos Online

Disponível em: < http://tinyurl.com/kpro8rv> Acesso em maio. 2014.
O momento dipolar induzido, m, é diretamente proporcional a intensidade F do campo elétrico que atua sobe as moléculas:


A constante de proporcionalidade α se chama polarizabilidade de deslocamento das moléculas e o fenômeno se conhece como polarização induzida ou polarização pó deslocamento.
No caso de dipolos permanentes, o momento elétrico induzido é adicionado geometricamente ao momento elétrico permanente das moléculas.

A constante dielétrica ϵ quantifica o efeito do ambiente sobre as forças com que se atraem as placas carregadas em forma oposta e medida no vácuo é igual a unidade. Para os líquidos e gases, a constante ϵ se estima determinando a capacidade elétrica de um condensador vazio e completo. A força de atração entre as placas do condensador é dependente de seu tamanho a distancia entre elas, o meio de separação e a quantidade de eletricidade que pode conter.
 
Figura 5 –  Constante Dielétrica


Fonte: Pagina Dielétrico no Wikipédia
Disponível em: < http://tinyurl.com/nx99l4x > Acesso em maio. 2014.


No mesmo condensador, o tamanho e distância das placas é constante e a razão entre as forças, ou seja a constante dielétrica ϵ é igual a razão das cargas elétricas:


Onde (Cx e Caire) se referem as capacidades elétricas do condensador quando se lhe completa com a media e ar (vácuo) respectivamente.
Sobre a base da teoria das cargas elétricas induzidas por placas carregadas, pode desenvolver a equação de Clausius-Mosotti, implementada para definir a polarização molar (P) em função de ϵ.

Em que M é o peso molecular, d a densidade (g/ml), a constante dielétrica ϵ é uma ralação, e M/d o volume molar da substancia. A constante P se expressa em termos de volume molar.
A polarização molar se deve a efeito da polarização induzida (PD) e de orientação (Pu):


O comportamento de ambas as polarizações  frente a temperaturas diferentes. A polarização induzida não se afeta por aumentos de temperatura, enquanto que a orientação é dependente, já que a agitação térmica se opõe a tendência a orientação dos dipolos permanentes.

A polarização de orientação e o momento dipolar pode se determinar, de acordo a Debye, por meio da seguinte formula (Glasstone¹¹):

Onde N é o numero de Avogadro (6,02x10²³), α é o momento elétrico por molécula induzida por um campo elétrico de força unitária, μ é o momento dipolar permanente e K a constante de Boltzmann.

Pode dizer que a polarização total das moléculas sujeitas a um campo elétrico, é devido a:
Um deslocamento relativo das cargas pertencentes aos elétrons ou polarização eletrônica (Pe); Um deslocamento relativo das cargas pertencentes aos núcleos ou polarização atômica (Pa), e Uma orientação dos eixos dos dipolos existentes ou polarização de orientação (Po).
A polarização total de uma molécula é igual a Pe+Pa+Po.
São interessantes as relações que se produz entre a polarização, o momento dipolar e a constante dielétrica, que é uma probabilidade de medida.
Por exemplo, o CO2 tem um momento dipolar zero, mesmo quando o oxigênio e o carbono diferem acentuadamente em sua eletronegatividade (C=2.5; 0=3.5). Posto que a união C-O deveria ter  um momento dipolar, se deduz que os átomos devem estar em reta linear (0-C-0) para que os dipolos individuais se opor e neutralizam mutuamente em uma soma vetorial.
A teoria elétrica e a cinética permitem estabelecer a relação existente entre a constante dielétrica e a polaribilidade das moléculas gasosas. É demonstrado que as moléculas dipolares que possuem um momento dipolar permanente μ submetidas a ação de uma campo elétrico, adquirem um momento elétrico dirigido em sentido ao campo, igual a:


Onde T é a temperatura absoluta, F é a intensidade do campo  e K a constante de Boltzamann. Esta equação indica que o aumento de temperatura, é dizer a energia cinética, se opõe a orientação  das moléculas no campo e também a formação de um momento dipolar induzido.
E acordo com a Lei de Coulomb, a força de atração f entre as cargas elétricas puntiformes E1 e E2 em um meio homogêneo, é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional a distancia R que  as separa:

Onde (e) é a constante dielétrica ( no vazio ϵ =1). Para os gases esta constante é usualmente pouco elevada, mas para maior parte se mostram no Quadro 8.
Quadro 1. Constante dielétrica ϵ de alguns líquidos a 20°C.




As moléculas polares estão rodeadas por um campo elétrico próprio que permite realizar combinações ou associações maio ou menos estáveis com outras moléculas, seja estas polares ou não polares.
As moléculas polares têm usualmente grande atividade química e em geral são bons solventes, especialmente adequados para conduzir a cabo reações de solvólise. Tais fenômenos são atribuídos as possibilidades que tem estas moléculas de efetuar combinações com outras soluções e também a diminuição de forças de atração eletrostática a conseqüência de elevada constante dielétrica do meio.
A molécula de água tem uma serie de propriedades muito especiais devido ao seu elevado momento dipolares e ao que é muito polarizado. Por exemplo, o poder de solvatação ligado as moléculas de água (hidratação) é conseqüência da polarizabilidade e a constante dielétrica. A que a água seja um bom dissolvente dos sais se deve a tendência que tem suas moléculas de formar íons hidratados e  a constante dielétrica elevada, propriedades que são dependentes de seu grande momento dipolar elétrico.
A molécula de água tem em volta de 20% de caráter iônico e pode ser visto como constituído por um oxigênio O- e os íons hidrogênio H+ unidos perto de sua superfície. Os íons H+desta 0.95 (A) do núcleo do oxigênio e ambos se situam em m mesmo lado. Entre o oxigênio e os hidrogênios se forma um angula de 105°. Existe uma separação rede de carga positiva e negativa, o que origina o momento dipolar (fig. 6).










Fig. 6. Formação do orbital molecular do H2O, com seu ângulo de Valencia de 105°.


Podendo ver a figura fig. 3 a formação  de um orbital molecular de H2O, e através dos orbitais 1s de hidrogênio e 2px e 2py de oxigênio. Os orbitais Px e Py são normais entre si, se modo que se chega ao esquema insinuado na fig. 3. Sem  embargo, o ângulo entre os hidrogênios e o oxigênio é de 105° e não de 90°. Esta diferença se explica de acordo a natureza parcialmente polar da ligação, já que os elétrons avança para o oxigênio e a carga positiva residual dos hidrogênios determina um efeito repulsivo que amplia o ângulo.
A constante dielétrica da água a temperatura ambiente é de 80, o que significa que as cargas elétricas opostas em água se atraem mutuamente com uma força de 80 vezes inferior que se estivessem no ar ou vácuo. Daí que os íons de um cristal de NaCl, KCl, CaCl2 e outros, podem dissociar-se  em água, já que escapam mais facilmente o cristal que este fosse no ar. Uma simples agitação térmica é suficiente para vencer a atração relativamente débil na água (Pauling24).
Fenômenos de polarização se desenrolam em números processos fisioquímicos dos sistema água/argila.

Como já  mencionado, as uniões intermoleculares são três: atração dipolar, a ligação de hidrogênio e hidróxido e a atração de Van der Waals, todas elas legadas aos fenômenos de polarização.


ATRAÇÃO DIPOLAR


Numa ligação covalente, quando os átomos que participam são diferentes, se origina um momento dipolar igual ao produto da carga de um dos átomos pela distancia entre os centros de carga positiva e negativa que se originam na ligação: (μ=e.d.). Se trata de moléculas simétricas, o momento dipolar tem uma resultante nula.


Toda molécula polar quando submetida às forças de Coulomb: 


                                                        

Figura 1 – Forças de Coulomb sob as moléculas

                              
Fonte: Pagina Força elétrica no A Física e seus Avanços

Disponível em: <http://tinyurl.com/l3jrvdg> Acesso em maio. 2014.

Pode originar atrações. Esta atração eletrostática se aplica a íons (dipolos permanentes e dipolos induzidos) e as principais combinações entre estas atrações são:

Dipolo - dipolo, se produz quando as moléculas polares se aliam de modo que os extremos de caga diferentes se enfrentem. O efeito é semelhante a atração entre os pólos opostos dos imas e somam uma ligação débil. Esta associações podem incluir um grande numero de moléculas e tem efeitos importantes em algumas propriedades físicas dessas substancias, tais como a dureza nos sólidos e o ponto de equilíbrio.

Íon - dipolo, se trata de uma atração importante já que é a causa da solubilidade dos eletrólitos em água e ocorre quando um cátion atrai o extremo negativo do dipolo e repele sua parte positiva. Esta atração pode ser intensa, particularmente se a densidade da carga do íon é grande, como sucede com o próton H+ cuja união com uma molécula (de água ou amoníaco), chega a produzir uma ligação covalente coordenada nem hidrônio e amônio. A formação dos hidratos (CuSO2.5H2O; CaCl2.6H2O; Na2CO3.1OH2O) se embasa nas atrações íon-dipolo.

Dipolo induzido - dipolo induzido, se trata de uma união muito débil e que freqüentemente passa inadvertida, embora é muito comum.

Íon - dipolo induzido, ocorre quando um cátion se aproxima a uma molécula não polar e o campo do íon deforma a molécula, atrair os elétrons e repelir os núcleos da mesma. A molécula se polariza e produz um dipolo induzido resultando uma atração íon-dipolo induzido. A associação que produzem é débil e fácil Ed romper como sucede na formação do íon tri iodeto I3-³, a partir do I2 molecular e um íon iodeto I-.

Dipolo - dipolo induzido, esta atração explica a solubilidade dos gases em água, tal qual o hidrato de argon. É semelhante a força que desenvolve entre um imã e uma esfera de ferro no imantada. O pólo magnético induz um pólo oposto na esfera de ferro produzindo uma atração. Esta força também se desenvolve entre moléculas polares iguais.

Figura 2 – Tipos de Atração Eletrostática

                                  
Fonte: Pagina Forças Intermoleculares no A Graça da Química
Disponível em: <http://tinyurl.com/m23splt> Acesso em maio. 2014.

























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