1. O cis-but-2-eno funde a -139^{\circ} \mathrm{C} e entra em ebulição a 4^{\circ} \mathrm{C}. Por outro lado, o trans-but-2-eno funde a -106^{\circ} \mathrm{C} e entra em ebulição na temperatura de 1^{\circ} \mathrm{C}. Explique estas diferenças nas temperaturas de fusão e ebulição do cis-but-2-eno e do trans-but-2-eno.

Passo 1

O enunciado nos dá as temperaturas de fusão e ebulição dos dois isômeros e pede que expliquemos por que essas temperaturas são diferentes. Os dados são (estou colocando os valores em TeX):
  • cis-but-2-eno: temperatura de fusão -139^\circ\mathrm{C} e ebulição 4^\circ\mathrm{C}.
  • trans-but-2-eno: temperatura de fusão -106^\circ\mathrm{C} e ebulição 1^\circ\mathrm{C}.
O pedido é: explicar as diferenças observadas entre cis e trans nas temperaturas de fusão e de ebulição.

Passo 2

Conceitos importantes (explicados devagar, como numa prova):
  • Interações intermoleculares: são as forças que mantêm moléculas juntas num líquido ou sólido. As principais aqui são:
    • forças de London (dispersion forces): existem em todas as moléculas; aumentam com a superfície e polarizabilidade;
    • forças dipolo–dipolo: ocorrem quando as moléculas têm momentos dipolares permanentes (isto é, são polares);
    • ligações de hidrogênio: não se aplicam aqui (não há H ligado a O, N ou F).
    • Quando as forças intermoleculares são mais fortes, é preciso mais energia para separar as moléculas: isso aumenta a temperatura de ebulição.
  • Temperatura de ebulição: corresponde à energia necessária para levar moléculas do líquido para o vapor; depende fortemente da intensidade das forças intermoleculares entre moléculas no líquido.
  • Temperatura de fusão: está ligada à energia necessária para desordenar a rede cristalina sólida; depende muito de quão bem as moléculas conseguem se empacotar (simetria e forma) no sólido além das forças intermoleculares.

Passo 3

Polaridade e geometria dos isômeros (passo-chave para entender os números):
  • Estrutura do but-2-eno: a dupla ligação está entre os carbonos 2 e 3. Em cada um desses carbonos há um hidrogênio e um grupo metil ( \mathrm{CH_3}).
  • No isômero cis, os dois grupos metil ficam do mesmo lado da dupla; no trans, ficam em lados opostos.
  • Dipolo: um grupo metil tem ligeira diferença de distribuição eletrônica em relação ao hidrogênio, gerando pequenos dipolos locais. No isômero trans esses dipolos locais tendem a se cancelar por simetria, de modo que o isômero trans é essencialmente apolar (momento dipolar total \mu\approx 0). No cis, a disposição assimétrica dos grupos cria um pequeno momento dipolar líquido ( \mu\neq 0), ou seja, o cis é mais polar que o trans.
  • Conclusão desse passo: cis é levemente polar; trans é praticamente apolar e mais simétrico.

Passo 4

Por que o cis tem ponto de ebulição maior ( 4^\circ\mathrm{C} vs 1^\circ\mathrm{C}):
  • Como o cis possui um momento dipolar não nulo, além das forças de London ele apresenta forças dipolo–dipolo entre moléculas. Essas forças dipolo–dipolo aumentam a atração intermolecular no líquido.
  • Para evaporar (passar do líquido para o vapor) é preciso vencer essas atrações; como o cis tem atrações adicionais, exige um pouco mais de energia térmica, logo tem ponto de ebulição ligeiramente maior.
  • Observação numérica: a diferença é pequena ( 4^\circ\mathrm{C} contra 1^\circ\mathrm{C}), porque ambos são hidrocarbonetos pequenos onde as forças de London dominam; a contribuição do dipolo é moderada, mas suficiente para elevar o ponto de ebulição do cis acima do trans.

Passo 5

Por que o trans tem ponto de fusão maior ( -106^\circ\mathrm{C} vs -139^\circ\mathrm{C}):
  • A temperatura de fusão depende muito da eficiência com que as moléculas se organizam no sólido (empacotamento cristalino) e da simetria molecular.
  • O isômero trans é mais simétrico e permite um empacotamento sólido mais ordenado e compacto. Isso resulta em uma rede sólida mais estável (maior energia reticular), sendo necessário mais calor (temperatura mais alta) para fundi-lo.
  • O isômero cis, por ser menos simétrico e ter um dipolo, empacota de forma menos eficiente: a estrutura sólida fica menos ordenada e mais frouxa, exigindo menos energia para romper o empacotamento, logo funde a uma temperatura mais baixa ( -139^\circ\mathrm{C}).

Passo 6

Resolver a aparente contradição (cis mais alto em ebulição, mas mais baixo em fusão):
  • Não é contraditório; são propriedades controladas por efeitos diferentes:
    • Ebulição: controlada pela força de atração entre moléculas no estado líquido — aí a polaridade do cis aumenta o ponto de ebulição.
    • Fusão: controlada por quão bem as moléculas se ordenam no estado sólido — aí a simetria do trans melhora o empacotamento e aumenta o ponto de fusão.
  • Então, cis vence em força intermolecular no líquido (maior \mathrm{T_{eb}}) mas perde no empacotamento sólido (menor \mathrm{T_{fus}}); trans é o inverso.

Passo 7

Analogia e reforço para decorar na prova:
  • Analogia simples: imagine peças de lego (simétricas) versus peças tortas (assimétricas). Peças simétricas se encaixam melhor (sólido mais duro → maior fusão), mas se as peças tortas tiverem ímãs (dipolos), no estado “ligado” (líquido) elas podem segurar umas às outras melhor (maior ebulição).
  • Dica prática: para isômeros cis/trans de hidrocarbonetos pequenos, espere:
    • cis costuma ter ponto de ebulição ≥ trans (se o cis for polar),
    • trans costuma ter ponto de fusão ≥ cis (por melhor empacotamento e simetria).
  • Decore o raciocínio físico (polaridade → ebulição; empacotamento/simetria → fusão), não só os números.

Passo 8

Resposta final em uma frase curta e direta (para você colar na prova):
  • As diferenças ocorrem porque o cis-but-2-eno é levemente polar (tem momento dipolar), o que aumenta as forças dipolo–dipolo no líquido e eleva a temperatura de ebulição; já o trans-but-2-eno é mais simétrico e empacota-se melhor no sólido, o que eleva a temperatura de fusão do trans em relação ao cis.

Resposta

O cis-but-2-eno tem ponto de ebulição maior ( 4^\circ\mathrm{C} vs 1^\circ\mathrm{C}) porque é levemente polar e apresenta forças dipolo–dipolo adicionais no líquido; o trans-but-2-eno tem ponto de fusão maior ( -106^\circ\mathrm{C} vs -139^\circ\mathrm{C}) porque é mais simétrico e empacota-se melhor no estado sólido, formando uma rede mais estável.

Exercícios relacionados