Um experimento cotidiano demonstra que a água e o etanol
são miscíveis entre si, enquanto a água e o hexano
formam fases separadas. Com base nas interações intermoleculares:
a) Classifique o etanol e o hexano quanto à polaridade das suas moléculas.
b) Explique, em termos das interações intermoleculares, por que a água se mistura com o etanol, mas não com o hexano.
c) Enuncie o princípio geral de solubilidade que governa esse comportamento.
a) Classifique o etanol e o hexano quanto à polaridade das suas moléculas.
b) Explique, em termos das interações intermoleculares, por que a água se mistura com o etanol, mas não com o hexano.
c) Enuncie o princípio geral de solubilidade que governa esse comportamento.
Passo 1
O enunciado dá estes fatos experimentais:
- A água mistura-se com o etanol
. - A água não se mistura com o hexano
— formam duas fases separadas.
O que se pede:
a) Classificar o etanol e o hexano quanto à polaridade das suas moléculas.
b) Explicar, em termos das interações intermoleculares, por que a água se mistura com o etanol, mas não com o hexano.
c) Enunciar o princípio geral de solubilidade que governa esse comportamento.
a) Classificar o etanol e o hexano quanto à polaridade das suas moléculas.
b) Explicar, em termos das interações intermoleculares, por que a água se mistura com o etanol, mas não com o hexano.
c) Enunciar o princípio geral de solubilidade que governa esse comportamento.
Passo 2
Conceitos essenciais (mini‑aula rápida e direta sobre polaridade e forças intermoleculares).
- Polaridade: uma molécula é polar quando há uma distribuição desigual de cargas elétricas, normalmente por causa de ligações entre átomos com eletronegatividades diferentes. Essa desigualdade cria um dipolo permanente (uma “sobra” de carga parcial negativa num átomo e parcial positiva em outro).
- Forças intermoleculares importantes aqui:
- Ligações de hidrogênio (H‑bond): ocorrem quando um hidrogênio ligado a
, ou interage fortemente com um par de elétrons livres em outro , ou . São fortes entre forças intermoleculares. - Dipolo–dipolo: atração entre moléculas polares (menor que H‑bond, maior que London).
- Forças de London (dispersão): presentes em todas as moléculas, dominantes em moléculas apolares grandes; vêm de flutuações temporárias de densidade eletrônica.
- Ligações de hidrogênio (H‑bond): ocorrem quando um hidrogênio ligado a
- Mistura favorável na termodinâmica: para que duas substâncias se misturem espontaneamente, a variação da energia livre de Gibbs ao misturar deve ser negativa:
onde
é a variação da energia livre (mistura espontânea se
),
é a variação de entalpia (energia),
é a temperatura absoluta e
é a variação de entropia (grau de dispersão/desordem). Vou usar essas ideias qualitativas para explicar por que algo dissolve ou não.
Passo 3
Classificação do etanol quanto à polaridade e justificativa detalhada.
- O etanol tem fórmula
. Na molécula há um grupo ligado a um fragmento alcalo (cadeia etila). - O átomo de oxigênio é muito mais eletronegativo que o hidrogênio, portanto a ligação
é fortemente polar e cria um sítio com carga parcial negativa no oxigênio e parcial positiva no hidrogênio. Isso permite que o etanol: - forme ligações de hidrogênio com outras moléculas que tenham
, ou (por exemplo, com água), - apresente um momento dipolar permanente (é polar).
- forme ligações de hidrogênio com outras moléculas que tenham
- Conclusão: o etanol é uma molécula polar (e, mais especificamente, é um solvente “protíco” porque tem
capaz de doar H‑bond).
Passo 4
Classificação do hexano quanto à polaridade e justificativa detalhada.
- O hexano tem fórmula
. É uma cadeia hidrocarbonada (apenas ligações e ). - As ligações
são quase apolares (pequena diferença de eletronegatividade) e a molécula é simétrica o suficiente para que não exista um dipolo permanente significativo. - As interações predominantes entre moléculas de hexano são forças de dispersão de London.
- Conclusão: o hexano é uma molécula apolar (não‑polar).
Passo 5
Por que a água se mistura com o etanol — explicação em termos de interações intermoleculares e energia.
- Água (
) forma fortes ligações de hidrogênio entre suas próprias moléculas. Para misturar água com outra substância, é preciso: - romper (ou enfraquecer) algumas interações água–água,
- romper algumas interações entre as moléculas da outra substância (se houver),
- formar interações água–soluto novas.
- No caso água + etanol:
- Etanol pode formar ligações de hidrogênio com água: o oxigênio do etanol aceita H‑bond da água e o hidrogênio do
do etanol pode doar H‑bond para a água. Logo, muitas interações água–água quebradas são recompensadas por interações água–etanol fortes novas. - Essas novas H‑bonds têm energia relativamente alta (tornam
negativo ou pouco positivo de maneira que ainda favorece a mistura); além disso a mistura aumenta a desordem ( ). Em conjunto, tende a ser negativo, então a mistura é espontânea.
- Etanol pode formar ligações de hidrogênio com água: o oxigênio do etanol aceita H‑bond da água e o hidrogênio do
- Intuição química: etanol é parcialmente “hidrofílico” (grupo
) e parcialmente “hidrofóbico” (cadeia curta ). Como a parte hidrofílica é suficientemente importante e a parte hidrofóbica é pequena, a molécula inteira é bem solúvel em água — por isso água e etanol são miscíveis em todas as proporções.
Passo 6
Por que a água não se mistura com o hexano — explicação em termos de interações intermoleculares e energia.
- Hexano é apolar e só interage com água via forças muito fracas de dispersão. Para misturar água com hexano seria preciso:
- romper ligações de hidrogênio água–água (energia alta),
- romper interações hexano–hexano (forças de London),
- formar interações água–hexano (que são fracas).
- Como as interações água–hexano formadas são fracas comparadas às ligações de hidrogênio água–água quebradas, o balanço energético
tende a ser desfavorável (positivo ou pouco negativo insuficiente). A entropia aumenta um pouco ao misturar, mas não o bastante para compensar o custo energético; assim fica positivo e a mistura não é espontânea. - Em termos intuitivos: “água gosta de água” por causa das H‑bonds; hexano não consegue substituir essas fortes interações — então as moléculas preferem ficar separadas em duas fases (uma fase aquosa e outra orgânica).
Passo 7
Resumo didático e princípios úteis para a prova (como usar isso rapidamente durante uma questão)
- Regra prática: “semelhante dissolve semelhante” — substâncias polares tendem a dissolver substâncias polares (ou iônicas) porque podem formar interações fortes entre si; substâncias apolares dissolvem apolares porque as forças de dispersão são compatíveis. Essa é a forma prática do princípio geral.
- Se precisar dar uma justificativa termodinâmica rápida numa prova, escreva qualitativamente:
explique que a mistura é favorecida se novas interações compensarem as quebras (favorável
) e/ou se houver ganho significativo de entropia (
). No caso água+etanol,
é bem compensado por H‑bonds; no caso água+hexano, não é.
- Exemplos rápidos para fixar:
- Metanol (
) é miscível com água (tem ). - Óleos e gorduras (cadeias longas apolares) não se misturam com água (apolares vs água polar).
- Metanol (
Resposta
(a) Etanol: polar (possui o grupo
e pode formar ligações de hidrogênio).
Hexano: apolar (não polar; interações dominantes são forças de dispersão de London).
Hexano: apolar (não polar; interações dominantes são forças de dispersão de London).
(b) A água mistura‑se com o etanol porque o etanol pode formar ligações de hidrogênio e interações dipolo–dipolo com a água; essas novas interações compensam as ligações água–água quebradas, resultando em
para a mistura. O hexano é apolar e só faz interações de dispersão fracas com a água, insuficientes para compensar a quebra das fortes H‑bonds entre moléculas de água; assim a mistura é termodinamicamente desfavorável e as fases se separam.
(c) Princípio geral: “semelhante dissolve semelhante” — substâncias polares tendem a dissolver outras polares (ou iônicas) porque podem formar interações intermoleculares compatíveis (p.ex. H‑bond, dipolo–dipolo); substâncias apolares dissolvem apolares por forças de dispersão.