3F. 16 Explique a diferença nos pontos de ebuliçâo do \mathrm{NO}_{2}\left(21^{\circ} \mathrm{C}\right) e \mathrm{N}_{2} \mathrm{O}\left(-88^{\circ} \mathrm{C}\right).

Passo 1

O enunciado dá dois pontos de ebulição e pede para explicar a diferença entre eles. Dados que vamos usar:
  • Ponto de ebulição de \mathrm{NO}_2: 21^\circ\mathrm{C}.
  • Ponto de ebulição de \mathrm{N}_2\mathrm{O}: -88^\circ\mathrm{C}.
A pergunta é: por que \mathrm{NO}_2 e \mathrm{N}_2\mathrm{O} têm pontos de ebulição tão diferentes?

Passo 2

Conceito importante — do que depende o ponto de ebulição: o ponto de ebulição de uma substância depende principalmente da intensidade das forças intermoleculares entre suas moléculas. Principais tipos de forças intermoleculares (da mais fraca para a mais forte, em termos gerais para moléculas neutras simples):
  • Forças de dispersão de London (origem em flutuações temporárias de carga; aumentam com massa molar e polarizabilidade).
  • Dipolo–dipolo (entre moléculas permanentemente polares).
  • Ligação de hidrogênio (caso haja H ligado a F, O ou N — não se aplica aqui).
    Quanto maiores e mais fortes essas interações, maior a energia necessária para separar as moléculas (logo, maior o ponto de ebulição).

Passo 3

Calcular massas molares aproximadas (para ver se massa explica a diferença):
  • Massa atômica aproximada: \mathrm{N}=14,01\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}, \mathrm{O}=16,00\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}.
  • Massa molar de \mathrm{NO}_2:
M(\mathrm{NO}_2)=14{,}01+2\cdot16{,}00=46{,}01\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}.
  • Massa molar de \mathrm{N}_2\mathrm{O}:
M(\mathrm{N_2O})=2\cdot14{,}01+16{,}00=44{,}02\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}.
Observação: as massas molares são muito parecidas ( 46 vs 44 g·mol ^{-1}), então a diferença de ponto de ebulição não pode ser explicada apenas pela massa molar simples.

Passo 4

Estruturas eletrônicas e comportamento químico que importam aqui:
  • \mathrm{NO}_2 é um radical (tem um elétron desemparelhado) e existe em equilíbrio químico com seu dímero:
2\,\mathrm{NO}_2 \rightleftharpoons \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4.
Esse dímero \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4 é uma espécie covalente com massa molar aproximadamente o dobro:
M(\mathrm{N}_2\mathrm{O}_4)\approx 2\cdot46{,}01=92{,}02\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}.
À temperatura ambiente a mistura contém uma fração significativa de \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4; ao resfriar o equilíbrio desloca para o dímero. O dímero ( \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4) tem massa bem maior e, por isso, forças de dispersão muito mais fortes que as de uma molécula monomérica leve.

Passo 5

Conseqüências práticas da dimerização de \mathrm{NO}_2:
  • No estado líquido/condensado perto de 21^\circ\mathrm{C} a amostra contém muito \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4 (massa molar ~ 92 g·mol ^{-1}), que aumenta fortemente as forças de dispersão e, portanto, reduz a pressão de vapor; o resultado é um ponto de ebulição elevado (por volta de 21^\circ\mathrm{C}).
  • Além disso, a dimerização elimina o elétron desemparelhado, favorecendo ligações intermoleculares mais estáveis entre unidades maiores.

Passo 6

O que acontece com \mathrm{N}_2\mathrm{O}:
  • \mathrm{N}_2\mathrm{O} (óxido nitroso) é uma molécula estável, linear, de massa molar menor ( \approx44{,}02\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}) e não forma dímeros robustos sob condições normais.
  • Como não dimeriza e é relativamente pequena e pouco polarizável, suas únicas forças intermoleculares significativas são forças de dispersão de London fracas (e dipolos muito fracos, se presentes). Isso explica um ponto de ebulição muito baixo: -88^\circ\mathrm{C}.

Passo 7

Resumo e comparação direta:
  • Para \mathrm{NO}_2: existe equilíbrio com \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4; em condições próximas à temperatura ambiente há muito \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4, que tem massa molar elevada e, portanto, fortes forças de dispersão → ponto de ebulição alto ( 21^\circ\mathrm{C}).
  • Para \mathrm{N}_2\mathrm{O}: molécula pequena, não dimeriza, forças intermoleculares fracas → ponto de ebulição muito baixo ( -88^\circ\mathrm{C}).

Resposta

A principal razão é que \mathrm{NO}_2 dimeriza formando \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4 ( 2\,\mathrm{NO}_2\rightleftharpoons\mathrm{N}_2\mathrm{O}_4), de massa molar cerca do dobro ( \approx92\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}), o que aumenta muito as forças de dispersão e eleva o ponto de ebulição até \approx21^\circ\mathrm{C}; \mathrm{N}_2\mathrm{O} é uma molécula menor ( \approx44\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}), não dimeriza e só apresenta forças intermoleculares fracas, por isso seu ponto de ebulição é muito mais baixo ( -88^\circ\mathrm{C}).

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