8.1 Ligações Moleculares8.2 Espectros Moleculares

Capítulo 8

Johannes Diderik van der Waals (1837 – 1923)

8.1 Ligações Moleculares

Os núcleos das moléculas vibram Frequência intermediária: ~1011 - 1013 Hz

Os núcleos das moléculas rodamFrequência baixa: ~109 - 1010 Hz

Movimentos nas Moléculas

Vibrações da água

Ligações Moleculares

Uma Molécula é uma entidade electricamente neutra que possui mais do que um átomo

Pode ser formada por:

• um único átomo - Hélio (He)

• mais de um átomo do mesmo elemento – Oxigénio (O2)

• átomos de elementos diferentes - Água (H2O) Existem moléculas formadas por centenas ou até mesmo

milhares de átomos, como é o caso das proteínas

A Força Coulombiana (Força eléctrica) é a única que liga os átomos

A combinação de forças atractivas e repulsivas cria uma estrutura molecular estável

Tipos de Ligações Moleculares

IónicasCovalentesde Van der WaalsMetálicasde Hidrogénio

As propriedades químicas de uma substância não são determinadas por uma molécula isolada, mas por um conjunto mínimo destas

Ligações Iónicas

É o mecanismo de ligação mais simples

ExemploO sódio (1s22s22p63s1) cede o seu electrão da camada 3s se tornando o ião Na+ (catião), enquanto o cloro (1s22s22p63s23p5) ganha este electrão se tornando o ião Cl− (anião). Desta forma temos a formação da molécula NaCl (cloreto de sódio)

Ligações Covalentes

ExemplosAs moléculas diatómicas formadas pela combinação de dois átomos idênticos tendem a ser covalentes (H2)

Os átomos não são facilmente ionizáveis

Moléculas grandes são formadas por ligações covalentes

Diamante

Os átomos envolvidos em ligações covalentes compartilham seus electrões de valência

Ligações de Van der Waals

São ligações fracas encontradas em líquidos e sólidos em baixa temperatura

Exemplos: grafiteNo grafite, as ligações de van der Waals mantêm juntas as folhas adjacentes de átomos de carbono

Como consequência, com pouca fricção, uma camada desliza sobre a outra

Gases Nobres

Ligações Metálicas

Os electrões de valência são compartilhados por vários átomos

Exemplos: K, Na, Ag, Cu

Ligações de Hidrogénio

Também chamada de ponte de hidrogénio.Mantém principalmente moléculas orgânicas juntas numa solução

8.2 Espectros Moleculares

Estados Rotacionais

Espectroscopia Molecular

Podemos aprender acerca das moléculas estudando como elas absorvem, emitem e espalham a radiação electromagnética

De acordo com o teorema da equipartição de energia uma molécula pode ser considerada como dois átomos mantidos juntos, ligados por uma haste rígida sem massa e girando em torno do seu centro de massa (cm) (Modelo do rotor rígido)

Num sistema puramente rotacional, a energia cinética é expressa em termos do momento angular L e o momento de inércia I

L é quantizado

Obtemos os níveis de energia

Erot varia somente como função do número quântico

Substituindo em

Estados Vibracionais

Os modos de energia vibracional também podem ser excitados

Podem ocorrer também excitações térmicas

Também é possível estimular a vibração nas moléculas através de radiação electromagnética

Consideramos que os dois átomos são massas pontuais e que estão ligados por uma mola sem massa com movimento harmónico simples (MHS)

Obtemos os níveis de energia resolvendo a equação de Schrödinger para um oscilador harmónico simples, com energia potencial V

2

2

1krV

é a frequência do oscilador de duas partículas,

A energia vibracional do oscilador mecânico quântico é

e

21

21

mm

mm

é a massa reduzida e k a constante da mola

No caso da ligação ser puramente iónica, pode-se calcular k supondo que a força que mantém as massas juntas é puramente Coulombiana

e

krF é a força restauradora, assim:

Combinação de Vibração e Rotação

É possível excitar modos vibracionais e rotacionais simultaneamente

A energia de um sistema simples de vibração-rotação é dada por:

As energias vibracionais são espaçadas em intervalos regulares

Nas transições entre os estados de + 1 e as energias dos fotões serão

As energias dos fotões são espaçadas em intervalos regulares

Normalmente o espectro molecular observado envolve transições electrónicas, vibracionais e rotacionais

Os estados electrónicos para uma molécula diatómica

Os espectros atómicos são espectros de riscas

Parte do espectro de emissão do N2

Os espectros moleculares são espectros de bandas

Espectro de absorção do HCl

Frequência central