Forças Intermoleculares

A natureza das forças que existem entre as moléculas nos estados sólido e líquido e que explicam propriedades como a solubilidade de substâncias moleculares podem ser entendidas agora. Apesar de as moléculas serem constituídas por átomos neutros, que não perdem nem ganham elétrons, em muitas há existência de dipolos elétricos permanentes e, como consequência, ocorrem interações elétricas entre elas. Se tratando das moléculas apolares, explicando a atração entre tais moléculas quando as substâncias estão no estado sólido ou líquido, pois, afinal, se não houvesse interações entre as moléculas, tais substâncias só existiriam no estado gasoso, o que não é verdade. Os químicos desenvolveram formas de determinar as interações entre as moléculas, que são chamadas de interações de Van der Waals, em homenagem ao cientista holandês Johannes D. Van der Waals, autor da formulação matemática que permitiu o desenvolvimento desse estudo. Assim, quando há aproximação de duas ou mais moléculas, os elétrons de suas camadas de valência, incluindo os participantes de ligações covalentes, passam a ficar também sob a influência dos núcleos dos átomos das moléculas vizinhas. Dessa forma, uma nova distribuição de cargas elétricas ocorre, provocando um deslocamento de cargas que poderá gerar um pólo induzido, inexistente na molécula apolar. É a existência desses dipolos induzidos pela aproximação das moléculas que promove a atração entre elas. A intensidade da atração entre moléculas depende da intensidade de seus dipolos. Em moléculas apolares essas interações ocorrerão apenas devido a dipolos induzidos. Já em moléculas polares elas devem-se a dipolos permanentes e são, portanto, muito mais fortes. É o que se vê, por exemplo, quando átomos de hidrogênio se ligam a átomos de flúor, oxigênio ou nitrogênio, formando as ligações de hidrogênio.

Ligações de Hidrogênio

As ligações de hidrogênio são forças de atração mais intensas que as de forças dipolo-dipolo e as de Van der Waals.

Ocorre quando a molécula possui o hidrogênio ligado a um elemento muito eletronegativo, como o flúor, por exemplo. A atração ocorre pelo hidrogênio de uma molécula com o elemento eletronegativo da outra molécula. Sendo uma atração bastante forte, as moléculas que são atraídas por pontes de hidrogênio possuem altos pontos de fusão e ebulição. A maioria das substâncias apresenta maior grau de compactação no estado sólido, portanto, seus sólidos são mais densos que seus líquidos. A água é uma exceção: o sólido (gelo) é menos denso que o líquido e, por isso, flutua. Isso acontece por causa das ligações de hidrogênio. No estado sólido, as moléculas estão interligadas numa estrutura cristalina, como mostra abaixo. fazendo com que a mesma quantidade de moléculas ocupe um maior volume que no líquido.

As ligações de hidrogênio ocorrem entre muitas substâncias orgânicas, conferindo diferentes propriedades a elas, como solubilidade em água e temperaturas de fusão e ebulição mais elevadas. As proteínas que compõem o nosso organismo são constituídas por sequências de aminoácidos, ligados covalentemente. Esses aminoácidos possuem grupos hidroxilas e aminos capazes de formar fortes redes de ligações intermoleculares. Outro exemplo é o DNA, cuja forma de dupla hélice é mantida graças às ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxilas e aminos das bases nitrogenadas que compõem o código genético. As ligações de hidrogênio nessas moléculas são responsáveis por importantes propriedades que essas substâncias apresentam no metabolismo de nosso organismo.

Dipolo-Dipolo

As interações dipolo-dipolo ou interações entre dipolos permanentes são forças atrativas que ocorrem entre moléculas polares.

A força dipolo permanente-dipolo permanente, ou simplesmente, dipolo-dipolo ocorre somente em moléculas polares, isto é, aquelas que não apresentam distribuição uniforme de carga ao longo de sua superfície.  Para citar um exemplo, na molécula de HCl (gás clorídrico) a nuvem eletrônica está mais deslocada no sentido do átomo de cloro, pois ele é mais eletronegativo que o hidrogênio.

Observe que ao redor do átomo de cloro há um acúmulo de elétrons, o que acarreta a formação de um polo negativo, que é simbolizado pela letra grega delta (-δ). Em consequência, na região ao redor do átomo de hidrogênio é formado um polo positivo (+δ), pois possui baixa densidade eletrônica. A molécula de HCl constitui, então, um dipolo elétrico e, com isso, ao entrar em contato com outras moléculas de HCl vizinhas, ocorre uma força de atração entre os polos contrários das moléculas, conforme é possível visualizar logo abaixo:

Essa força de atração que se estabelece entre a extremidade negativa do dipolo de uma molécula com a extremidade positiva do dipolo de outra molécula, constitui a  força dipolo-dipolo.

Assim, como o próprio nome diz, o dipolo é permanente, por isso ela ocorre só em compostos polares. E quanto maior a polaridade de uma molécula, mais intensas serão as interações dipolo-dipolo na substância.

Se estiver na fase sólida, a formação do dipolo permanente orienta a posição de cada molécula no espaço, formando cristais dipolares; como ocorre no caso do brometo de hidrogênio ilustrado a seguir: 

outros exemplos de substâncias polares que possuem a força dipolo-dipolo entre as suas moléculas são: H₂S, CO, HCCl₃, SO₂.

Essa força intermolecular é de intensidade média, pois se apresenta mais forte que a força de atração dipolo induzido-dipolo induzido, porém menos intensa que a ligação de hidrogênio. É por isso que seus pontos de fusão e ebulição são maiores que os das substâncias que possuem força de dipolo induzido. Como a força dipolo permanente é mais forte, é necessário o fornecimento de mais energia para que as interações de suas moléculas se rompam.

Forças dipolo induzido-dipolo induzido ou dispersão de London

As forças dipolo induzido-dipolo induzido são de fraca intensidade e ocorrem entre moléculas apolares, entre átomos de gases nobres ou entre moléculas polares e apolares. Essa força ocorre por uma deformação momentânea na nuvem eletrônica da molécula.

Dentre as forças intermoleculares, as forças dipolo induzido-dipolo induzido são as únicas que não foram estudadas pelo físico holandês Johannes Diederik Van der Waals (1837-1923). Elas foram elucidadas pelo físico alemão Fritz Wolfgang London (1900-1954), por isso essas forças também são denominadas de forças de London ou forças de dispersão de London. Outra denominação dada a essas forças é dipolo instantâneo-dipolo induzido.

Esse tipo de força ocorre em substâncias apolares, como o H₂, O₂, F2, Cl₂, CO₂, CH₄ e C₂H₆, entre outras. E podem ocorrer também entre átomos de gases nobres, quando estes se aproximam, causando repulsão entre suas eletrosferas. Desse modo, os elétrons se acumulam em determinado lado, que fica polarizado negativamente e o lado oposto positivamente, em razão da deficiência de carga negativa.