Propriedades de Substâncias e Misturas

Objetivo de Aprendizagem 3.1.A: Explicar a relação entre as estruturas químicas das moléculas e a força relativa de suas forças intermoleculares quando: i. As moléculas pertencem à mesma espécie química. ii. As moléculas pertencem a duas espécies químicas diferentes.

• 3.1.A.1 As forças de dispersão de London são resultado das interações coulombianas entre dipolos temporários e flutuantes. As forças de dispersão de London são frequentemente a força intermolecular líquida mais forte entre grandes moléculas.
  • i. As forças de dispersão aumentam com o aumento da área de contato entre as moléculas e com o aumento da polarizabilidade das moléculas.
  • ii. A polarizabilidade de uma molécula aumenta com o aumento do número de elétrons na molécula e do tamanho da nuvem de elétrons. É aprimorada pela presença de ligação pi.
  • iii. O termo "forças de dispersão de London" não deve ser usado como sinônimo do termo "forças de van der Waals".
• 3.1.A.2 O momento dipolar de uma molécula polar leva a interações adicionais com outras espécies químicas.
  • i. Interações dipolo-induzido-dipolo estão presentes entre uma molécula polar e uma não polar. Essas forças são sempre atrativas. A intensidade dessas forças aumenta com a magnitude do dipolo da molécula polar e com a polarizabilidade da molécula não polar.
  • ii. Interações dipolo-dipolo estão presentes entre moléculas polares. A intensidade da interação depende das magnitudes dos dipolos e de sua orientação relativa. As interações entre moléculas polares são tipicamente maiores do que as entre moléculas não polares de tamanho comparável porque essas interações atuam além das forças de dispersão de London.
  • iii. Forças de atração íon-dipolo estão presentes entre íons e moléculas polares. Estas tendem a ser mais fortes do que as forças dipolo-dipolo.
• 3.1.A.3 A força relativa e a dependência da orientação das forças dipolo-dipolo e íon-dipolo podem ser compreendidas qualitativamente considerando o sinal das cargas parciais responsáveis pelo momento dipolar molecular e como essas cargas parciais interagem com um íon ou com um dipolo adjacente.
• 3.1.A.4 A ligação de hidrogênio é um tipo forte de interação intermolecular que existe quando átomos de hidrogênio covalentemente ligados aos átomos altamente eletronegativos (N, O e F) são atraídos pela extremidade negativa de um dipolo formado pelo átomo eletronegativo (N, O e F) em uma molécula diferente ou em uma parte diferente da mesma molécula.
• 3.1.A.5 Em grandes biomoléculas, interações não covalentes podem ocorrer entre moléculas diferentes ou entre diferentes regiões da mesma grande biomolécula.

Objetivo de Aprendizagem 3.2.A: Explicar a relação entre as propriedades macroscópicas de uma substância, a estrutura em nível particulado da substância e as interações entre essas partículas.

• 3.2.A.1 Muitas propriedades de líquidos e sólidos são determinadas pela intensidade e pelo tipo das forças intermoleculares presentes. Como as interações intermoleculares são superadas completamente quando uma substância vaporiza, a pressão de vapor e o ponto de ebulição estão diretamente relacionados à força dessas interações. Os pontos de fusão também tendem a correlacionar-se com a força da interação, mas como as interações apenas se reorganizam na fusão, essas relações podem ser mais sutis.
• 3.2.A.2 Representações em nível particulado, mostrando múltiplas espécies químicas interagindo, são um meio útil para comunicar ou compreender como as interações intermoleculares ajudam a estabelecer propriedades macroscópicas.
• 3.2.A.3 Devido às fortes interações entre íons, os sólidos iônicos tendem a ter baixas pressões de vapor, altos pontos de fusão e altos pontos de ebulição. Eles tendem a ser quebradiços devido à repulsão de cargas iguais causada quando uma camada desliza sobre outra. Eles conduzem eletricidade apenas quando os íons são móveis, como quando o sólido iônico é fundido (ou seja, no estado fundido) ou dissolvido em água ou outro solvente.
• 3.2.A.4 Em sólidos covalentes de rede, os átomos estão ligados covalentemente formando uma rede tridimensional (ex: diamante) ou camadas de redes bidimensionais (ex: grafite). Estes são formados apenas por ametais e metaloides: elementos (ex: diamante, grafite) ou compostos binários (ex: dióxido de silício e carbeto de silício). Devido às fortes interações covalentes, os sólidos covalentes têm altos pontos de fusão. Sólidos de rede tridimensional também são rígidos e duros, porque os ângulos de ligação covalente são fixos. No entanto, a grafite é mole porque as camadas adjacentes podem deslizar umas sobre as outras relativamente facilmente.
• 3.2.A.5 Sólidos moleculares são compostos por unidades distintas e individuais de moléculas ligadas covalentemente, atraídas entre si por forças intermoleculares relativamente fracas. Sólidos moleculares geralmente têm baixo ponto de fusão devido às forças intermoleculares relativamente fracas presentes entre as moléculas. Eles não conduzem eletricidade porque seus elétrons de valência estão firmemente presos nas ligações covalentes e nos pares de elétrons livres de cada molécula constituinte. Sólidos moleculares às vezes são compostos por moléculas muito grandes ou polímeros.
• 3.2.A.6 Sólidos metálicos são bons condutores de eletricidade e calor, devido à presença de elétrons de valência livres. Eles também tendem a ser maleáveis e dúcteis, devido à facilidade com que os núcleos metálicos podem reorganizar sua estrutura. Em uma liga intersticial, os átomos intersticiais tendem a tornar a rede mais rígida, diminuindo a maleabilidade e a ductilidade. Ligas tipicamente retêm um mar de elétrons móveis e, portanto, permanecem condutoras.
• 3.2.A.7 Em grandes biomoléculas ou polímeros, interações não covalentes podem ocorrer entre diferentes moléculas ou entre diferentes regiões da mesma grande biomolécula. A funcionalidade e as propriedades dessas moléculas dependem fortemente da forma da molécula, que é amplamente ditada por interações não covalentes.

Objetivo de Aprendizagem 3.3.A: Representar as diferenças entre as fases sólida, líquida e gasosa usando um modelo em nível particulado.

• 3.3.A.1 Sólidos podem ser cristalinos, onde as partículas estão dispostas em uma estrutura regular tridimensional, ou podem ser amorfos, onde as partículas não possuem uma disposição regular e ordenada. Em ambos os casos, o movimento das partículas individuais é limitado, e as partículas não sofrem translação geral em relação umas às outras. A estrutura do sólido é influenciada pelas interações interparticulares e pela capacidade das partículas de empacotarem juntas.
• 3.3.A.2 As partículas constituintes em líquidos estão em contato próximo umas com as outras, e estão continuamente em movimento e colidindo. A disposição e o movimento das partículas são influenciados pela natureza e força das forças (ex: polaridade, ligação de hidrogênio e temperatura) entre as partículas.
• 3.3.A.3 As fases sólida e líquida para uma substância particular tipicamente têm volumes molares semelhantes porque, em ambas as fases, as partículas constituintes estão em contato próximo o tempo todo.
• 3.3.A.4 Na fase gasosa, as partículas estão em movimento constante. Suas frequências de colisão e o espaçamento médio entre elas dependem da temperatura, pressão e volume. Devido a esse movimento constante e aos efeitos mínimos das forças entre partículas, um gás não possui nem volume definido nem forma definida.
  • Declaração de Exclusão: Entender/interpretar diagramas de fase não será avaliado no Exame AP.

Objetivo de Aprendizagem 3.4.A: Explicar a relação entre as propriedades macroscópicas de uma amostra de gás ou mistura de gases usando a lei dos gases ideais.

• 3.4.A.1 As propriedades macroscópicas de gases ideais estão relacionadas através da lei dos gases ideais:
  • EQN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 Em uma amostra contendo uma mistura de gases ideais, a pressão exercida por cada componente (a pressão parcial) é independente dos outros componentes. Portanto, a pressão parcial de um gás dentro da mistura é proporcional à sua fração molar ($X$), e a pressão total da amostra é a soma das pressões parciais.
  • EQN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, onde $X_{A} =$ moles A/moles totais;
  • EQN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 Representações gráficas das relações entre $P$, $V$, $T$ e $n$ são úteis para descrever o comportamento dos gases.

Objetivo de Aprendizagem 3.5.A: Explicar a relação entre o movimento das partículas e as propriedades macroscópicas dos gases com: i. A teoria cinética molecular (KMT). ii. Um modelo particulado. iii. Uma representação gráfica.

• 3.5.A.1 A teoria cinética molecular (KMT) relaciona as propriedades macroscópicas dos gases aos movimentos das partículas no gás. A distribuição de Maxwell-Boltzmann descreve a distribuição das energias cinéticas das partículas a uma dada temperatura.
• 3.5.A.2 Todas as partículas em uma amostra de matéria estão em movimento contínuo e aleatório. A energia cinética média de uma partícula está relacionada à sua velocidade média pela equação:
  • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 A temperatura em Kelvin de uma amostra de matéria é proporcional à energia cinética média das partículas na amostra.
• 3.5.A.4 A distribuição de Maxwell-Boltzmann fornece uma representação gráfica das energias/velocidades das partículas a uma dada temperatura.

Objetivo de Aprendizagem 3.6.A: Explicar a relação entre comportamentos não ideais de gases, forças interparticulares e/ou volumes.

• 3.6.A.1 A lei dos gases ideais não explica o comportamento real dos gases reais. Desvios da lei dos gases ideais podem resultar de atrações interparticulares entre moléculas de gás, especialmente em condições próximas àquelas resultantes em condensação. Desvios também podem surgir de volumes de partículas, especialmente em pressões extremamente altas.

Objetivo de Aprendizagem 3.7.A: Calcular o número de partículas de soluto, volume ou molaridade de soluções.

• 3.7.A.1 Soluções, às vezes chamadas misturas homogêneas, podem ser sólidos, líquidos ou gases. Em uma solução, as propriedades macroscópicas não variam ao longo da amostra. Em uma mistura heterogênea, as propriedades macroscópicas dependem da localização na mistura.
• 3.7.A.2 A composição da solução pode ser expressa de várias maneiras; a molaridade é o método mais comum usado em laboratório.
  • EQN: $M = n_{solute}/L_{solution}$

Objetivo de Aprendizagem 3.8.A: Usando modelos particulados para misturas: i. Representar interações entre componentes. ii. Representar concentrações de componentes.

• 3.8.A.1 Representações particuladas de soluções comunicam a estrutura e as propriedades das soluções, por meio da ilustração das concentrações relativas dos componentes na solução e/ou desenhos que mostram interações entre os componentes.
  • Declaração de Exclusão: Propriedades coligativas não serão avaliadas no Exame AP.
  • Declaração de Exclusão: Cálculos de molalidade, percentual em massa e percentual em volume para soluções não serão avaliados no Exame AP.

Objetivo de Aprendizagem 3.9.A: Explicar os resultados de um experimento de separação baseado em interações intermoleculares.

• 3.9.A.1 Os componentes de uma solução líquida não podem ser separados por filtração. Eles podem, no entanto, ser separados usando processos que aproveitam as diferenças nas interações intermoleculares dos componentes.
  • i. Cromatografia (papel, camada fina e coluna) separa espécies químicas aproveitando a força diferencial das interações intermoleculares entre e entre os componentes da solução (a fase móvel) e com os componentes superficiais da fase estacionária. O cromatograma resultante pode ser usado para inferir as polaridades relativas dos componentes em uma mistura.
  • ii. Destilação separa espécies químicas aproveitando a força diferencial das interações intermoleculares entre e entre os componentes e os efeitos dessas interações sobre as pressões de vapor dos componentes na mistura.

Objetivo de Aprendizagem 3.10.A: Explicar a relação entre a solubilidade de compostos iônicos e moleculares em solventes aquosos e não aquosos, e as interações intermoleculares entre partículas.

• 3.10.A.1 Substâncias com interações intermoleculares semelhantes tendem a ser miscíveis ou solúveis umas nas outras.

Objetivo de Aprendizagem 3.11.A: Explicar a relação entre uma região do espectro eletromagnético e os tipos de transições moleculares ou eletrônicas associadas a essa região.

• 3.11.A.1 Diferenças na absorção ou emissão de fótons em diferentes regiões espectrais estão relacionadas aos diferentes tipos de movimento molecular ou transição eletrônica:
  • i. Radiação microonda está associada a transições nos níveis rotacionais moleculares.
  • ii. Radiação infravermelha está associada a transições nos níveis vibracionais moleculares.
  • iii. Radiação ultravioleta/visível está associada a transições nos níveis de energia eletrônica.

Objetivo de Aprendizagem 3.12.A: Explicar as propriedades de um fóton absorvido ou emitido em relação a uma transição eletrônica em um átomo ou molécula.

• 3.12.A.1 Quando um fóton é absorvido (ou emitido) por um átomo ou molécula, a energia da espécie aumenta (ou diminui) em uma quantidade igual à energia do fóton.
• 3.12.A.2 O comprimento de onda da onda eletromagnética está relacionado à sua frequência e à velocidade da luz pela equação:
  • EQN: $c = \lambda\nu$.

A energia de um fóton está relacionada à frequência da onda eletromagnética através da equação de Planck:

• EQN: $E = h\nu$.

Objetivo de Aprendizagem 3.13.A: Explicar a quantidade de luz absorvida por uma solução de moléculas ou íons em relação à concentração, ao comprimento do caminho óptico e à absorptividade molar.

• 3.13.A.1 A lei de Beer-Lambert relaciona a absorção de luz por uma solução a três variáveis de acordo com a equação:
  • EQN: $A = \varepsilon bc$.

A absorptividade molar, $\varepsilon$, descreve quão intensamente uma espécie química absorve luz de um comprimento de onda específico. O comprimento do caminho óptico, $b$, e a concentração, $c$, são proporcionais ao número de partículas absorvedoras de luz no caminho óptico.

• 3.13.A.2 Na maioria dos experimentos, o comprimento do caminho óptico e o comprimento de onda da luz são mantidos constantes. Nesses casos, a absorbância é proporcional apenas à concentração de moléculas ou íons absorvedores. O espectrofotômetro é geralmente ajustado para o comprimento de onda de máxima absorbância (comprimento de onda ótimo) da espécie a ser analisada para garantir a máxima sensibilidade da medição.