Universidade Cruzeiro do Sul
THIAGO BATISTA DE OLIVEIRA GUTIERREZ 1943478-2
RELATÓRIO LIGAÇÕES QUÍMICAS
SÃO PAULO 2018
Universidade Cruzeiro do Sul
THIAGO BATISTA DE OLIVEIRA GUTIERREZ 1943478-2
RELATÓRIO LIGAÇÕES QUÍMICAS
Trabalho apresentado à Universidade Cruzeiro do Sul para obtenção da nota de relatório da disciplina de Laboratório de Química Inorgânica no curso de Química.
Área de concentração:
Química Inorgânica Orientadores: Prof. Adriano Sartori e Prof.ª Francisca de Assiz Carvalho
SÃO PAULO 2018
OBJETIVO
Determinar experimentalmente as ligações químicas das substâncias segundo suas propriedades;
Relacionar as propriedades das substâncias com suas aplicações no dia a dia.
INTRODUÇÃO TEÓRICA
As ligações iônicas ocorrem geralmente entre elementos muito eletronegativos (ametais e hidrogênio) e elementos eletropositivos (metais). Os metais quando perdem elétrons tornam-se íons positivos - cátions e, os ametais e o hidrogênio quando ganham elétrons tornam-se íons negativos-ânions.
As propriedades observadas em compostos iônicos:
Alto ponto de ebulição e fusão.
Condutividade térmica quando fundidos ou dissolvidos em água.
Solubilidade em água.
Apresenta aspecto cristalino.
São sólidos e possuem brilho metálico (geralmente).
TIPOS DE LIGAÇÕES
Os átomos tendem a se arranjar de forma a fazer com que sua energia, seja menor do que a energia total dos átomos separados. Quando a união entre átomos ocorre em uma mesma molécula, existe a formação de uma ligação química, que pode ser dividida em três tipos: ligação iônica, covalente ou metálica.
A ligação iônica acontece quando dois átomos formam um arranjo de seus núcleos e elétrons de forma a obter menos energia, por meio da transferência completa de um ou mais elétrons. Um exemplo dessa ligação seria o NaCl (cloreto de sódio), que se obtém através da junção do íon sódio com o íon cloreto. Essa ligação só ocorre, pois quando juntos a energia total é menor do que quando separados.
A ligação covalente acontece quando a diminuição de energia pode ser atingida pelo compartilhamento de elétrons. Um exemplo dessa ligação é na molécula de amônia, pois um gás formado por moléculas de NH3 tem energia mais baixa do que um gás formado pelo mesmo número de átomos de hidrogênio e nitrogênio muito afastados.
A ligação metálica acontece quando os cátions de um metal ficam unidos por uma infinidade de elétrons. Um exemplo dessa ligação é um pedaço de cobre, que é formado por um grupo de íons cobre, mantidos juntos por uma infinidade de elétrons.
(Atkins, 2012)
POLARIDADE MOLECULAR
O termo ‘’polar’’ foi usado para descrever a ligação em que um átomo tem carga parcial positiva e outro, negativa. Como a maioria das moléculas tem ligações polares, elas podem também ser polares. Em uma molécula polar a densidade de elétrons acumula-se de um lado da molécula, dando a esse lado uma carga negativa, e deixando o outro lado com uma carga positiva de igual valor. Na ligação covalente polar, os elétrons não estão igualmente distribuídos, e ela tem momento de dipolo diferente de zero, pois as resultantes na molécula não se anulam. Um exemplo de uma molécula polar é o HCl formado por uma ligação polar, e que como não tem mais nenhuma ligação, só entre hidrogênio e cloreto, esta não se anula, deixando a molécula polar.
O termo ‘’apolar’’ foi usado para descrever a ligação em que numa molécula, os átomos não possuem diferença de eletronegatividade, logo não há a formação de polos, e então a molécula é considerada apolar. Quando a molécula apolar não é diatômica (ligação apolar), ela deve ter o momento de dipolo igual à zero, pois as resultantes na molécula se anulam.
INTERAÇÕES INTERMOLECULARES
As forças intermoleculares servem para diversos estudos, no nosso experimento dois principais tópicos influenciaram na compreensão dos resultados:
As forças intermoleculares são diretamente relacionadas a propriedades como ponto de fusão e ponto de ebulição.
Elas são importantes na determinação da solubilidade de gases, de líquidos e sólidos em vários solventes.
As forças intermoleculares, que atraem moléculas entre si, são eletrostáticas.
Elas se dividem em três tipos, que serão explicados a seguir.
DIPOLO PERMANENTE: Quando uma molécula polar encontra outra molécula polar, do mesmo tipo ou de um tipo diferente, a extremidade positiva de uma molécula é atraída para a extremidade negativa da outra molécula.
Quanto maiores as forças de atração entre moléculas em um líquido, maior será a energia que deve ser fornecida para separá-las. Assim, espera-se que compostos polares apresentem valores de entalpia de vaporização mais altos do que compostos apolares.
Da mesma forma, o ponto de ebulição aumenta conforme a força de atração entre as moléculas cresce.
As forças intermoleculares influenciam também a solubilidade. Logo, podemos concluir que na maioria das vezes moléculas polares serão dissolvidas em um componente polar, no entanto isso não é sempre válido. Às vezes polar dissolve apolar, pois as moléculas apolares, por serem formadas por ligações mais fracas (forças de London) são mais fáceis de quebrar. Além disso, é bom lembrar que polar pode dissolver apolar, porque ambas moléculas podem possuir uma mesma força intermolecular, exemplo disso é o fato de que a acetona é dissolvida na água, já que ambas possuem ligações de hidrogênio.
Conclui-se também que na maioria das vezes, moléculas apolares serão dissolvidas em um solvente apolar, sendo válidas as explicações do parágrafo anterior.
FORÇAS DE LONDON
Quando duas moléculas apolares se atraem, os elétrons nas moléculas se encontram em um estado de movimentação constante. Ao se aproximarem, ocorrem simultaneamente, atrações (entre elétron e núcleo) e repulsões (entre núcleo e núcleo e entre elétron e elétron), e isso pode levar a distorções nas nuvens eletrônicas, isto é, dipolos podem ser momentaneamente induzidos em moléculas vizinhas, e esses dipolos induzidos levam a uma atração intermolecular. Desse modo, a força intermolecular de atração em líquidos e sólidos compostos de moléculas apolares é uma força dipolo induzido, também chamado de forças de London, que são geralmente mais fracas do que as ligações dipolo permanente e que as ligações de hidrogênio.
LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO
Na maioria das vezes, os compostos formados a partir de ligações de hidrogênio, apresentam pontos de fusão e ebulição extremamente altos, por essa ligação ser extremamente forte. A ligação de hidrogênio se dá sempre entre um hidrogênio de uma molécula e outro elemento, altamente eletronegativo, de outra molécula. Esse outro elemento é, na maioria das vezes, o flúor, o oxigênio ou o nitrogênio. O elemento mais eletronegativo (F, O ou N) adquire uma carga parcialmente negativa e o átomo de hidrogênio adquire uma carga parcialmente positiva, desse modo a ligação de hidrogênio é uma forma extrema de ligação dipolo-dipolo, e por isso é a mais forte dentre as outras duas.
SOLUBILIDADE E MISCIBILIDADE
Revendo as explicações que foram dadas anteriormente, em que geralmente moléculas polares se dissolvem em moléculas também polares e que moléculas apolares se dissolvem em moléculas também apolares, no qual isso não é uma regra que pode se aplicar em todos os casos, principalmente nos que envolvem solubilidade. Por exemplo, temos o açúcar que se dissolve em água, mas o óleo não. Isso se dá aos tipos de forças intermoleculares entre as moléculas dessas substâncias isoladas e entre si. Para compreendermos mais, é necessário sabermos que a intensidade de uma ligação de hidrogênio é mais
forte do que da força de dipolo permanente, e que a mais fraca é a de dipolo induzido.
As moléculas de açúcar e água contêm átomos de oxigênio ligados a átomos de hidrogênio, assim formando grupos – O – H, ou seja, provavelmente há interações intermoleculares de ligações de hidrogênio. Com isso as moléculas de açúcar ficam envolvidas nas moléculas da água, e como elas estão fortemente atraídas e separadas, ocorre um impedimento para que elas voltem a se unir.
No caso do óleo com água, acontece que o óleo não é atraído pela água, pois ele tende a se espalhar sobre a superfície da água, ao invés de adquirir uma forma esférica, esse fato nos revela que ele procura um formato no qual uma maior quantidade de moléculas dele estejam em contado com as moléculas de água.
Essas explicações nos levam a concluir que se há uma força intermolecular mais intensa do que a possível nova interação, logo o soluto não solubiliza, assim a ligação original permanece. Mas, se essa nova interação for mais forte, o soluto se solubilizará, rompendo as ligações intermoleculares das substâncias.
Comumente a solubilidade é empregada para solutos sólidos em solventes líquidos, enquanto que a miscibilidade é empregada para solutos líquidos em solventes também líquidos.
CONDUTIBILIDADE ELÉTRICA
A explicação para a condutibilidade elétrica, por algumas soluções é devido às ligações existentes entre os átomos de cada composto. Assim, dependendo de cada solução é possível diferenciá-la de acordo com sua condutividade elétrica, vejamos as explicações dos itens a seguir:
SOLUÇÃO IÔNICA: Esse tipo de solução conduz eletricidade, devido aos íons presente (cátions e ânion), que fecham um circuito elétrico, assim conduzindo uma corrente elétrica. Este tipo de solução pode ser obtido de duas formas:
A ionização ocorre quando há um rompimento de ligações covalentes devido à formação de íons. Um exemplo que será mais detalhado posteriormente é quando diluímos ácido clorídrico (HCl) em água, que é um composto formado por moléculas, ocasiona uma quebra dessas moléculas pela água, assim originando os íons.
DISSOCIAÇÃO IÔNICA: Dissociação iônica é a separação dos íons de uma substância iônica, quando ela se dissolve na água. Um exemplo é o NaCl (cloreto de sódio), que quando colocado em água seu polo negativo, que é o Cl- , é atraído pelo polo positivo da água, que é o H+. E o polo positivo do sal, que é o Na+, é atraído pelo OH-, que é o polo negativo da água. Logo, os íons que antes estavam ligados pela ligação iônica são separados.
SOLUÇÃO MOLECULAR: Numa solução molecular não ocorre a condução de eletricidade. Um exemplo é a solução de água e açúcar, que também será mais detalhado posteriormente. Nesse caso o açúcar é um composto molecular, que quando sofre dissociação não forma íons, pois suas moléculas que estavam agrupadas acabam sendo somente separadas. Logo, essa solução não conduz corrente elétrica, pois não tem carga.
(Jonh C. Kotz, 2013)
MATERIAIS E REAGENTES
Bico de Bunsen Sólidos com ligação iônica e sólidos com ligação covalente.
Tubo de Ensaio Espátula
Béquer Estante para tubo de ensaio
n-hexano Fonte de corrente elétrica
Balança Pinça
Substância X (Sacarose) Substância Y (Cloreto de Sòdio)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para determinar a ligação química de cada sólido serão utilizadas as seguintes propriedades:
1. Facilidade para fundir (Fusão).
2. Solubilidade em água (Solvente Polar).
3. Solubilidade em n-hexano (Solvente Apolar).
4. Condutividade elétrica do sólido puro.
5. Condutividade elétrica do sólido dissolvido em água.
1.Facilidade para Fundir (Fusão).
1.1. Colocar em cada um dos 2 tubos de ensaio ~ 1 g de cada de cada sólido.
1.2. Aquecer cada tubo de ensaio e observar a facilidade de fusão.
1.3. Anotar na tabela a seguir as observações.
2. Solubilidade em água.
2.1. Colocar em cada um dos 2 tubos de ensaio ~ 1 g de cada de cada sólido.
2.2. Adicionar água destilada (metade do tubo de ensaio).
2.3. Agitar bem.
2.4. Observar e anotar na tabela.
3. Solubilidade em n-hexano
3.1. Repetir os itens 2.1. até 2.4, substituindo a água por n-hexano.
4.Condutividade elétrica dos sólidos puros.
4.1. colocar os sólidos em (quantidade suficiente par cobrir o fundo) béquers separados.
4.2. utilizando uma fonte de alimentação testar a condutividade térmica de cada sólido, observar e anotar.
Obs.
1. Limpar o fio antes de colocar em substâncias diferentes.
2. Não colocar a mão no fio quando estiver ligado.
3. Desligar a corrente quando for fazer cada medição.
5. Condutividade elétrica do sólido dissolvido na água.
5.1. Colocar água destilada nos béquers do item 4 (três partes de volume) 5.2. Medir a condutividade de cada solução (lavar e secar o fio a cada medição).
5.3. Observar e anotar na tabela os resultados.
OBSERVAÇÕES
1- PONTO DE FUSÃO DOS SÓLIDOS
Essa parte do nosso experimento, consistiu em observar os pontos de fusão de duas substâncias, foram elas: Cloreto de Sódio (NaCl) e Sacarose (C11H22O11).
Primeiramente colocamos em cada tubo de ensaio 1g dos sólidos X e Y, em seguida levamos ao bico de bulsen e aquecemos até observarmos o ponto de
fusão das substâncias em análise.
O resultado foi: o NaCl não sofreu mudanças de estado por ter um ponto de fusão altíssimo, e a Sacarose depois e aproximadamente 1 minuto sob aquecimento atingiu seu ponto de fusão.
Anotamos as observações em uma tabela para as considerações finais.
2- SOLUBILIDADE DOS SÓLIDOS EM ÁGUA 3- SOLUBILIDADE DOS SÓLIDOS EM N-HEXANO
Nessa etapa, dissolvemos 1 g de cada soluto (X e Y) em aproximadamente 5 ml dos solventes e agitamos para verificarmos se aqueles eram solúveis ou não.
Notamos que:
Cloreto de Sódio: Solúvel em água;
Insolúvel em N-Hexano.
Sacarose: Pouco Solúvel em água;
Insolúvel em N-Hexano.
Esses resultados obtidos foram anotados na tabela.
4- CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DOS SÓLIDOS PUROS
Para os testes de condutividade eletrônica dos sólidos puros, foi utilizado um condutivímetro com uma lâmpada em circuito aberto, o condutivímetro é um material que permite a medição da condutividade de substâncias iônicas. No apêndice pode-se ter uma rasa ideia de como é o condutivímetro que foi usado nos testes, um equipamento não muito sofisticado, mas muito útil.
Para começar, para cada substância testada, pegamos um béquer de 50ml para cada substância e colocamos uma espátula cheia de cada um dos sólidos
dentro do mesmo.
O condutivímetro foi ligado na tomada e os eletrodos foram encostados um no outro para conferir o fechamento do circuito, posteriormente com as substâncias sólidas já dentro do béquer, os eletrodos encostaram-se às substâncias.
Para o açúcar e o sal não foi observado condução pelo motivo de estarem, ainda, no estado sólido ou retículo cristalino, ou seja, os íons estão estagnados
e não tem a liberdade de se movimentarem.
Anotamos o resultado observado na tabela.
5- CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DOS SÓLIDOS DISSOLVIDOS EM ÁGUA Nessa parte do experimento foram envolvidas as substâncias em solução com a água, fizemos o mesmo procedimento com o condutivímetro, mergulhando os eletrodos às misturas. Primeiramente colocamos 15mL de água no béquer de 50mL, depois foi feita as misturas com as substâncias estudadas e, então, os eletrodos mergulhados nas misturas, para cada uma das substâncias já citadas.
A condução foi observada nas seguintes substâncias: água; sal de cozinha e açúcar. A água deionizada que seria uma solução não eletrolítica, por ser uma água que passou por uma destilação, chamada também de água pura.
Portando não conduz eletricidade. O sal, agora em solução, conduziu energia, pois, como dito antes, os íons em solução estarão em livre circulação podendo conduzir energia. Na solução de água com açúcar não foi observado corrente por que a sacarose (C12H22O11) é um composto molecular, formado por ligação covalente.
TABELA E RESULTADOS
Sólido Fusão Solubilidade em água
(solvente polar).
Solubilidade em N-Hexano (solvente apolar).
Condutividade elétrica dos sólidos puro.
Condutividade elétrica dos sólidos dissolvidos em água.
X
(Sacarose)
Fundiu Pouco
Solúvel Insolúvel Não Conduz Não Conduz
Y
(Cloreto de Sódio)
Não Fundiu Solúvel Insolúvel Não Conduz Conduz
QUESTIONÁRIO
1. Em um laboratório existem 2 sólidos. Um deles é iônico e o outro é covalente molecular. Os 2 sólidos são solúveis em água. Pergunta-se:
1.a. Como podemos experimentalmente determinar o possível tipo de ligação de cada sólido?
Podemos colocar os sólidos em dois béqueres diferentes, adicionar água e testar se eles transferem a corrente elétrica, aquele que conduzir será o sólido iônico e aquele que não conduzir será o sólido com ligações covalentes.
1.b. O sólido covalente é polar ou apolar? Explique
Se Y é um sólido iônico e X um sólido covalente e ambos são solúveis em água, e tudo que é solúvel em água é polar, então ambos os sólidos são polares.
Compostos iônicos formam íons quando em solução aquosa, devido a dissociação dos mesmos, eles ficam com cargas livres para conduzir a corrente. Enquanto as ligações covalentes não liberam íons ao se adicionar água ao sólido.
2.Como podemos diferenciar experimentalmente um sólido iônico de um metal, utilizando corrente elétrica? Explique.
Observando a quebra da estrutura cristalina do NaCl formando os íons:
então, um sólido iônico e um metal são bem diferentes em relação a condutibilidade.
Metais possuem alta condutibilidade elétrica devido a presença de nuvem de elétrons.
Como os metais são bastante dúcteis (capacidade de produzir fios) as nuvens de elétrons conduzirão eletricidade, não só por fios mas qualquer outro objeto metálico.
Já os sólidos iônicos possuem baixa condutibilidade devido a falta da mobilidade de íons por este.
Para conduzirem corrente elétrica é preciso fundi-los, para isso é preciso gastar uma quantidade muito elevada de energia.
Assim, utilizando corrente elétrica, se o objeto conduzir corrente elétrica será um metal. Caso este processo não ocorra será um sólido iônico.
3. Um certo sólido tem alto ponto de fusão ( > que 1000 °C) e não é condutor de eletricidade. Que tipo de sólido poderá ser? Explique.
Deve se tratar de um composto iônico, ou sólido iônico. O tipo de atração existente nos sólidos iônicos (interação eletrostática entre ânion e cátion), confere a esses compostos altos pontos de fusão. O fato dos íons estarem presos a posições fixas, sem elétrons livres, ou semi-livres, (como existem nos metais, por exemplo), torna impossível a movimentação de cargas elétricas no estado sólido, e o composto não conduz corrente elétrica.
Os compostos moleculares, formados por ligações covalentes, normalmente possuem ponto de fusão bem mais baixo, pois o que mantém uma molécula unida a outra são forças bem mais fracas.
4.Explique porque os metais são bons condutores de eletricidade e calor.
Os metais são bons condutores de energia (térmica e elétrica) porque possuem elétrons livres quando constituem uma malha. (malha é o nome do agrupamento de várias moléculas de metal juntas.) Esses elétrons tendem a ficar na superfície do condutor (o sistema busca o equilíbrio eletrostático) e podem percorrer livremente a malha (por isso são elétrons livres).
Essa "liberdade", no caso da energia térmica, faz com que o metal atinja o equilíbrio térmico rapidamente pois esses elétrons facilitam a troca de calor entre as regiões da malha. No caso da energia elétrica o que ocorre é que esses elétrons são acelerados quando uma tensão, ou diferença de potencial, é aplicada no metal, pois nesse caso estão na presença de um campo elétrico que gera uma força sobre eles para que se movam na direção de menor potencial.
CONCLUSÃO
Ao realizarmos todos os experimentos descritos acima, concluímos que:
Na etapa 1, onde testamos o ponto de fusão dos sólidos, observamos que o sal não fundiu por ter um ponto de fusão muito alto, alguns livros e fontes dizem ser maior que 800°C. Já no caso da sacarose, conseguimos observar a fusão, pois seu ponto é bem menor que o do Cloreto de Sódio, sendo entre 160–192
°C. As medidas de tempo e temperatura dos experimentos não foram possíveis determinar por não termos os equipamentos apropriados para tal.
Com relação à etapa 2 e 3 onde foi testada a solubilidade dos sólidos em líquidos podemos afirmar que: nenhum dos dois solutos utilizados foram solúveis em N-Hexano, cuja cadeia apresenta carbonos e um grupo OH na extremidade, então da mesma forma é polar e apolar. A insolubilidade entre os solutos utilizados e o etanol dá-se pela diferença entre polaridades e forças intermoleculares das substâncias envolvidas. Quando dissolvidos em água destilada, o cloreto de sódio e a sacarose (levemente polar) são solúveis, obedecem a ‘’Regra dos Semelhantes’’, havendo atração entre as moléculas de soluto e solvente. A partir de tais resultados, podemos partir do princípio que semelhante dissolve semelhante, ou seja, uma substância polar tende a dissolver outra polar, e o mesmo acontece para as apolares. Apesar disso, há casos em que isso não ocorre, já que o grau de polaridade é variado, podendo ser pouco polar ou pouco apolar, por exemplo. Existem três fatores principais que afetam a capacidade do soluto de dissolver em um solvente. Eles são a temperatura do solvente, o tamanho molecular do soluto e a compatibilidade de polaridade entre o soluto e o solvente. Nas substâncias apolares ou pouco polares a solubilidade depende principalmente das interações do tipo dipolo induzido/dipolo induzido. O experimento permite evidenciar que a solubilidade é um fenômeno que depende principalmente das interações ou forças intermoleculares e não somente da polaridade das substâncias envolvidas.
Observamos na Etapa 4, que para o açúcar e o sal sólidos, não foi houve condução. Os compostos iônicos (NaCl) por exemplo, são formados por íons, porém por mais que estes sejam formados por íons no seu estado sólido seus íons não estão livres, por este motivo não conduzem corrente elétrica. Porém fundidos ou dissolvidos em água os íons se separem do retículo. Neste caso os íons passam a ser livres para se movimentarem e conduzirem corrente elétrica. Já os compostos orgânicos (sacarose) possuem exclusivamente ligações covalentes, o que faz deles, portanto, compostos moleculares, por isso a maior parte dos compostos orgânicos não conduzem corrente elétrica, nem mesmo quando fundidos ou em soluções aquosas. Além disso, geralmente são insolúveis em água, mas solúveis em outros compostos orgânicos.
Na etapa 5, onde foram testadas as condutibilidades elétrica através de soluções, com o auxílio de um sistema de eletrodos ligados a uma lâmpada, foi possível percebemos ser um bom ou mal condutor através do funcionamente da lâmpada quando os eletrodos entram em contato com a solução. Luz acesa equivale a uma solução condutora, luz apagada, uma solução não-condutora.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Foi utilizado amplamente o site: http://www.soq.com.br/ para as pesquisas relacionadas às propriedades dos compostos iônicos e moleculares, mais especificamente relacionados aos motivos dos resultados dos experimentos.
Como também apostilas e livros de ensino médio. Seguem abaixo uma lista das demais referências usadas neste relatório: (Russell, QUÍMICA GERAL VOLUME 1, 2008) (Virtuous, 2016)= site de educação Só Química. http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downquimica/capitulo4.pdf http://ww w.proenc.iq.unesp.br/index.php/quimica/132-condutividade-
eletrica http://gpquae.iqm.unicamp.br/experimentos/E1.pdfhttp://web.ccead.puc- rio.br/condigital/mvsl/Sala%20de%20Leitura/conteudos/SL_solubilidade.pdf 11
Apêndices e anexos.
(Esquema, http://www.laifi.com/laifi.php?id_laifi=8313&idC=93628#) último acesso: 09/2018.
