3F. 2 Identifique os tipos de forças intermoleculares que podem agir entre as moléculas das seguintes substàncias:
\mathrm{N}_{2} \mathrm{H}_{4};

Passo 1

O enunciado pede: identificar os tipos de forças intermoleculares que podem agir entre as moléculas de \mathrm{N_2H_4}.
Informação dada: a substância é a molécula com fórmula \mathrm{N_2H_4} (hidrazina).

Passo 2

Vou listar brevemente quais são as forças intermoleculares possíveis em geral (para sabermos o conjunto de candidatos):
  • forças de dispersão de London (forças induzidas por flutuações eletrônicas), sempre presentes entre quaisquer moléculas;
  • forças dipolo–dipolo permanentes, entre moléculas polares com dipolos permanentes;
  • ligação de hidrogênio (um caso especial e relativamente forte de dipolo–dipolo), que ocorre quando há \mathrm{H} ligado a \mathrm{N}, \mathrm{O} ou \mathrm{F} e um par eletrônico livre aceitador;
  • dipolo induzido (dipolo–induzido), quando uma molécula polar induz um dipolo em uma apolar (variantes fracas de interação).

Passo 3

Agora vou analisar a estrutura eletrônica e geométrica da molécula \mathrm{N_2H_4} para decidir quais dessas forças realmente ocorrem.
  • A fórmula estrutural simples é \mathrm{H_2N\!-\!NH_2}: dois átomos de nitrogênio ligados entre si, cada nitrogênio ligado a dois hidrogênios e possuindo um par eletrônico não ligante (lone pair).
  • Cada nitrogênio é aproximadamente híbrido sp^3 (geometria piramidal, parecido com \mathrm{NH_3}), portanto cada N tem um par eletrônico livre projetando assimetria.
  • As ligações \mathrm{N\!-\!H} são polares porque o nitrogênio é mais eletronegativo que o hidrogênio; isso cria dipolos \mathrm{N\!-\!H} e, devido à geometria não simétrica global, a molécula tem um dipolo permanente (ou seja, é polar).
  • Além disso, há hidrogênios ligados a nitrogênio e pares livres nos nitrogênios de moléculas vizinhas, condição necessária para formação de ligações de hidrogênio intermoleculares.

Passo 4

Conseqüência: forças que definitivamente atuam em \mathrm{N_2H_4}
  • forças de dispersão de London: presentes sempre — explicação curta: elétrons em movimento geram flutuações temporárias de carga que induzem dipolos em moléculas vizinhas; essas flutuações atraem as moléculas entre si. Mesmo moléculas pequenas têm essa interação, que cresce com o tamanho/ polarizabilidade.
  • dipolo–dipolo permanentes: presentes porque \mathrm{N_2H_4} é uma molécula polar. Explicação didática: quando duas moléculas polares se aproximam, a extremidade parcialmente positiva de uma (por exemplo, próxima ao H ligado a N) é atraída pela extremidade parcialmente negativa da outra (próxima ao N com lone pair), gerando interação orientada e energética favorável.
  • ligação de hidrogênio intermolecular: presente porque há o par de condições: hidrogênio ligado a nitrogênio (H parcialmente positivo) e nitrogênio com par eletrônico livre (par parcialmente negativo) em outra molécula. Isso permite que um átomo H de uma molécula forme uma interação direcional relativamente forte com o lone pair de N de outra molécula. A ligação de hidrogênio é mais forte que dipolo–dipolo comum e aumenta ponto de ebulição e viscosidade da substância.

Passo 5

Observações adicionais e hierarquia qualitativa das forças em \mathrm{N_2H_4}
  • A ordem típica de intensidade (aproximada) entre essas contribuições é: ligação de hidrogênio (mais forte) > dipolo–dipolo > dispersão de London (para moléculas pequenas). Porém, para moléculas maiores e muito polarizáveis, London pode ser relevante ou até dominante. No caso de hidrazina, a ligação de hidrogênio é importante e explica, por exemplo, por que seu ponto de ebulição é relativamente alto para uma molécula de massa molar baixa.
  • interações dipolo–induzido também podem ocorrer, mas são efeitos secundários (já cobertos conceptualmente nas forças de London/indução).

Passo 6

Recapitulando de forma prática (como responder resumidamente numa prova): identifique na molécula se há \mathrm{H} ligado a \mathrm{N}/\mathrm{O}/\mathrm{F} (sim: há \mathrm{N\!-\!H}) e se há pares livres (sim: vários pares livres em cada N). Então marque ligação de hidrogênio; como a molécula é polar, marque dipolo–dipolo; e sempre marque London.

Resposta

Forças de dispersão de London (forças de London).
Forças dipolo–dipolo permanentes.
Ligações de hidrogênio intermoleculares (H ligado a N interagindo com lone pair em N).

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