Biomédica, MEFT

Exercícios resolvidos 1: Dualismo onda-corpúsculo; propriedades periódicas e Teoria de Orbitais Moleculares

Exercícios resolvidos 2

| TEV  | Polímeros | Metais | Compostos Iónicos |

1.  Descreva a estrutura molecular do acrilonitrilo, CH2CHCN, indicando (i) ângulos de ligação aproximados, (ii) tipos de ligação (iii) hibridações dos átomos (iv) e, se existirem, o número de orbitais deslocalizadas e de electrões que as ocupam.

Há duas ligações π deslocalizadas, ou seja, as orbitais 2pz dos C e do N formam um sistema π deslocalizado constituído por 4 orbitais π, 2 ligantes preenchidas com os 4 electrões disponíveis e 2 antiligantes vazias.



1. O acrilonitrilo dá origem a um polímero de fórmula - (CH2CHCN)-n.
i) Classifique este polímero
ii) Quais as interacções que se estabelecem entre as cadeias deste polímero?

i) Este polímero é um homopolímero de adição.
ii) A unidade repetitiva deste polímero (o mero) é polar:
 


Entre as cadeias deste polímero estabelem-se todas as forças de van der Waals (forças de Keesom, Debye e London) sendo as forças de London as mais importantes. Não existem ligações de hidrogénio

2.  A polimerização de  acrilamida origina a poliacrilamida, um polímero solúvel em água.  Após ser sujeito a cross-links químicos, este polímero forma um gel por absorção de água,  utilizado industrialmente na produção de lentes de contacto flexíveis.


a)    Classifique este polímero quanto à reacção de polimerização;
b)    Explique a solubilidade deste polímero em água e a formação de um gel após os cross-links.

a) A poliacrilamida é um homopolímero de adição.

b) A  poliacrilamida é um polímero polar, em  que se estabelecem entre as cadeias todas as forças de van der Waals e ligações de hidrogénio. A água é um composto polar, estabelecendo-se entre moléculas de água todas as interacções de van der Vaals e ligações de hidrogénio que são as determinantes das propriedades físicas da água.  Quando se dissolve acrilamida em água estabelecem-se interacções de van der Waals entre as cadeias e a água e fortes ligações de hidrogénio entre o grupo amida (-CONH2)e a água. Após os estabelecimento dos crosslinks as cadeias ficam ligadas por ligações químicas pelo que já não é possível dissolver (separar as cadeias) o polímero em água,  masentre as cadeias de polímero ligam-se moléculas de água (por ligações de hidrogénio) formando o referido gel.

  1. Esboce o diagrama de bandas do crómio (Cr), explicitando o número de níveis de energia por átomo e o grau de preenchimento da banda. Justifique o facto de este ser um dos elementos do 4º período da TP com maior temperatura de fusão.

Configuração electrónica do crómio: 1s2 2s2 2p63s2 3p64s1 3d5 

A banda de níveis de energia no crómio é  descrita por funções de onda obtidas por combinação linear das orbitais atómicas de valência do crómio ( as orbitais 4s, 3d e 4p ) que dão origem a uma banda com 9N níveis de energia, dos quais 3N têm energia inferior às orbitais atómicas.
 


Os 6  electrões de valência de valência do crómio vão ocupar as 3N orbitais ligantes de forma que a energia de coesão no crómio é muito elevada. Como a temperatura de fusão aumenta com o aumento da energia de coesão, o crómio é um dos metais de maior temperatura de fusão da TP.



III

1. Considere as seguintes substâncias: potássio (K), cloreto de potássio (KCl), hidreto de potássio (KH), crómio (Cr) e germânio (Ge).

    1. Classifique-as, justificando a sua resposta,  do ponto de vista da natureza da ligação química. 
    2. Calcule a densidade do KCl (estrutura tipo cloreto de sódio) r(K+)= 133 pm, r(Cl- )= 181 pm.


1. Descrever a ligação química equivale a caracterizar os electrões de valência nas espécies químicas em análise. O potássio e o crómio, elementos pouco electronegativos,  são metais e como tal os electrões de valência nestes materiais ocupam orbitais metálicas obtidas por combinação linear ou interferência das orbitais de valência  4s, 3d e 4p  que dão origem a um contínuo de níveis de energia que compreende 9N orbitais.

O germânio é um elemento representativo da TP, de maior electronegatividade que os metais (é um semicondutor ou metalóide) apresenta configuração electrónica de valência 4s2 e 4p2 (as orbitais 3d estão completamente preenchidas). O germânio sólido é um cristal covalente em que cada átomo de germânio na rede cristalina está ligado a 4 outros átomos de germânio numa geometria tetraédrica. Os electrões de valência do germânio ocupam assim orbitais deslocalizadas que são obtidas por combinação linear das orbitais sp3do germânio. As bandas de valência e condução estão separadas por um gap de energia (Eg).


Os compostos cloreto de potássio KCl e hidreto de potássio KH são compostos iónicos, ou seja, há transferência de um electrão do potássio para o cloro e para o hidrogénio respectivamente, dando origem a uma estrutura cristalina de catiões K+ e aniões (Cl- ou H- ) estabilizada pela energia de rede ou energia reticular. A diferença de electronegatividade entre o potássio e o hidrogénio é de apenas  1.4, pelo que este composto iónico apresentará  um carácter covalente elevado.


Electronegatividade do potássio (K) = 0.82
Electronegatividade do cloro (Cl) = 3.16
Electronegatividade do hidrogénio (H) = 2.2

2. Analisando a célula unitária do KCl verifica-se que é uma estrutura CFC de catiões K+ em que os aniões ocupam os interstícios octaédricos (recordar que numa estrutura CFC o número de interstícios octaédricos é igual ao número de átomos na célula unitária) logo há:

4 catiões K+ e 4 aniões Cl- na célula unitária
ou contando o número de catiões na célula unitária (uma vez que a estequiometria do composto é 1:1 há o mesmo número de catiões e aniões na célula unitária)

nº de catiões na célula unitária= 6 (K+ no centro das faces)x 1/2 (partilhados entre duas células unitárias) + 8 (K+ nos vértices)x 1/8 (partilhados entre oito células unitárias) = 4

A aresta do cubo é igual a :

a= 2 rcatião + 2 ranião = 2x133 + 2x181 pm = 628x10-12 m = 628x10-10 cm

ρ  (KCl) = 4 x [MM (K) + MM (Cl)]/ NA x (628x10-10)3
ρ  (KCl) = 4 x(39.098+35.453)/6.022x1023 x (628x10-10)3 = 2 g cm-3

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