O que são as forças de Van der Waals?

A força de van der Waals são forças intermoleculares eléctricos na natureza que pode ser atractivo ou repulsivo. Há uma interação entre as superfícies das moléculas ou átomos, essencialmente diferentes das ligações iônicas, covalentes e metálicas que são formadas dentro das moléculas.

Embora fracas, essas forças são capazes de atrair moléculas de gás; também o dos gases liquefeitos solidificados e de todos os líquidos e sólidos orgânicos. Johannes Van der Waals (1873) foi quem desenvolveu uma teoria para explicar o comportamento dos gases reais.

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Na chamada equação de Van der Waals para gases reais – (P + a n 2 / V 2 ) (V – n b )) = nRT – duas constantes são introduzidas: a constante b (ou seja, o volume ocupado pelo moléculas de gás) e “a”, que é uma constante empírica.

A constante “a” corrige o desvio do comportamento esperado dos gases ideais a baixas temperaturas, exatamente onde a força de atração entre as moléculas de gás é expressa. A capacidade de um átomo de polarizar aumenta na tabela periódica da parte superior de um grupo na parte inferior e da direita para a esquerda em um período.

Ao aumentar o número atômico – e, portanto, o número de elétrons – aqueles localizados nas camadas externas são mais fáceis de mover para formar elementos polares.

Interações elétricas intermoleculares

Interação entre dipolos permanentes

Existem moléculas eletricamente neutras, que são dipolos permanentes. Isso ocorre devido a um distúrbio na distribuição eletrônica que produz uma separação espacial das cargas positivas e negativas nas extremidades da molécula, constituindo um dipolo (como se fosse um ímã).

A água é composta de 2 átomos de hidrogênio em uma extremidade da molécula e um átomo de oxigênio na outra extremidade. O oxigênio tem uma afinidade maior pelos elétrons que o hidrogênio e os atrai.

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Isso produz um deslocamento dos elétrons em direção ao oxigênio, sendo este carregado negativamente e o hidrogênio com carga positiva.

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A carga negativa de uma molécula de água pode interagir eletrostaticamente com a carga positiva de outra molécula de água causando uma atração elétrica. Assim, esse tipo de interação eletrostática é chamado de forças de Keesom.

Interação entre um dipolo permanente e um dipolo induzido

O dipolo permanente apresenta o que é chamado de momento dipolar (µ). A magnitude do momento dipolar é dada pela expressão matemática:

µ = qx

q = carga elétrica.

x = distância espacial entre os pólos.

O momento dipolar é um vetor que, por convenção, é representado orientado do polo negativo para o polo positivo. A magnitude de μ é expressa em Debye dói (3,34 × 10 -30 Cm

O dipolo permanente pode interagir com uma molécula neutra causando uma alteração em sua distribuição eletrônica, originando nesta molécula um dipolo induzido.

O dipolo permanente e o dipolo induzido podem interagir eletricamente, produzindo uma força elétrica. Esse tipo de interação é conhecido como indução e as forças que atuam sobre ele são chamadas forças de Debye.

Forças ou dispersão de Londres

A natureza dessas forças atraentes é explicada pela mecânica quântica. London postulou que, em um instante, em moléculas eletricamente neutras, o centro das cargas negativas dos elétrons e o centro das cargas positivas dos núcleos podem não coincidir.

Então, a flutuação da densidade eletrônica permite que as moléculas se comportem como dipolos temporários.

Isso não é, por si só, uma explicação para forças atrativas, mas dipolos temporais podem induzir polarização alinhada de moléculas adjacentes, resultando na geração de uma força atrativa. As forças de atração geradas por flutuações eletrônicas são chamadas forças ou dispersão de Londres.

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As forças de Van der Waals têm anisotropia, portanto são influenciadas pela orientação das moléculas. No entanto, as interações do tipo dispersão são sempre predominantemente atraentes.

As forças de Londres se tornam mais fortes à medida que o tamanho das moléculas ou átomos aumenta.

Em halogênios, as moléculas de F 2 e Cl 2 de baixo número atômico são gases. O Br 2 com o maior número atômico é um líquido e o I 2 , o halogênio com o maior número atômico, é um sólido à temperatura ambiente.

Aumentar o número atômico aumenta o número de elétrons presentes, o que facilita a polarização dos átomos e, portanto, as interações entre eles. Isso determina o estado físico dos halogênios.

Rádios Van der Waals

As interações entre moléculas e entre átomos podem ser atraentes ou repulsivas, dependendo de uma distância crítica entre seus centros, chamada r v .

A distâncias entre as moléculas ou os átomos principais ar v , a atração entre os núcleos de uma molécula e os elétrons da outra predomina sobre as repulsões entre os núcleos e os elétrons das duas moléculas.

No caso descrito, a interação é atraente, mas o que acontece se as moléculas se aproximarem de uma distância entre seus centros menor que o VD? Então a força repulsiva predomina sobre a atrativa, que se opõe a uma maior aproximação entre os átomos.

O valor de r v é dado pelos chamados raios de Van der Waals (R). Para moléculas esféricas e idênticas, r v é igual a 2R. Para duas moléculas diferentes raios de R 1 e R 2 : R v é igual a R 1 + R 2 . Os valores do raio de Van der Waals são apresentados na tabela 1.

O valor indicado na Tabela 1 indica um raio de Van der Waals de 0,12 nm ( 10-9 m) para hidrogênio. Então, o valor de r v para esse átomo é 0,24 nm. Para um valor de r v a menos de 0,24 nm será uma repulsão entre os átomos de hidrogénio.

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Tabela 1. Raios de Van der Waals de alguns átomos e grupos de átomos.

Forças e energia da interação elétrica entre átomos e entre moléculas

A força entre um par de cargas q 1 e q 2 , separada no vácuo pela distância r, é dada pela lei de Coulomb.

F = k. q 1 .q 2 / r 2

Nesta expressão, k é uma constante cujo valor depende das unidades utilizadas. Se o valor da força – dado pela aplicação da lei de Coulomb – é negativo, indica uma força de atração. Pelo contrário, se o valor dado para a força é positivo, é indicativo de uma força repulsiva.

Como as moléculas geralmente estão em um meio aquoso que protege as forças elétricas exercidas, é necessário introduzir o termo constante dielétrica (ε). Assim, essa constante corrige o valor dado às forças elétricas pela aplicação da lei de Coulomb.

F = kq 1 .q 2 /ε.r 2

Da mesma forma, a energia para a interação elétrica (U) é dada pela expressão:

U = k. q 1 .q 2 /ε.r

Referências

  1. Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2018). Forças de Van der Waals. Recuperado em 27 de maio de 2018, de: britannica.com
  2. Wikipedia (2017). Forças de Van der Waals. Recuperado em 27 de maio de 2018, de: en.wikipedia.org
  3. Kathryn Rashe, Lisa Peterson, Seila Buth e Irene Ly. Forças de Van der Waals . Recuperado em 27 de maio de 2018, de: chem.libretexts.org
  4. Morris, JG (1974) A Física Física de um biólogo. 2e edição. Edward Arnold (Editoras) Limited.
  5. Mathews, CK, Van Holde, KE e Ahern, KG (2002) Bioquímica. Terceira edição Addison Wesley Longman, Inc. Empresas

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