6-Explique por que o formaldeído (HCHO) é um gás à temperatura ambiente, enquanto a propanona \left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COCH}_{3}\right) é um líquido. Relacione com a massa molar e a intensidade das interações dipolo-dipolo permanente. ( \mathbf{0 , 1 5} pontos)

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que o formaldeído (HCHO) é um gás à temperatura ambiente, enquanto a propanona \left(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{COCH}_{3}\right) é um líquido, relacionando isso com a massa molar e com a intensidade das interações dipolo–dipolo permanente. Informações relevantes que usarei (valores típicos encontrados em tabelas físicas):
  • Massa molar do formaldeído: M_{\mathrm{HCHO}}\approx 30{,}03\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}.
  • Massa molar da propanona (acetona): M_{\mathrm{acetona}}\approx 58{,}08\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}.
  • Momento de dipolo (valores aproximados de referência): \mu_{\mathrm{HCHO}}\approx 2{,}33\\ \mathrm{D} e \mu_{\mathrm{acetona}}\approx 2{,}88\\ \mathrm{D} (onde 1\\ \mathrm{D} = Debye).
  • Pontos de ebulição típicos: formaldeído (na forma pura) \mathrm{b.p.}\approx -19^\circ\mathrm{C} e acetona \mathrm{b.p.}\approx 56^\circ\mathrm{C}.
    O objetivo é explicar, de forma didática, por que essas diferenças em massa molar e em intensidade das interações intermoleculares resultam em estados físicos diferentes à temperatura ambiente.

Passo 2

Conceito físico central (explicado passo a passo): estado físico (gás vs. líquido) à temperatura ambiente depende do equilíbrio entre a energia térmica que tende a separar as moléculas e as forças intermoleculares que tendem a mantê‑las juntas.
  • Energia térmica por molécula cresce com a temperatura e, macroscopicamente, a escala é dada por RT por mol (onde R é a constante dos gases). À temperatura ambiente, as moléculas têm energia suficiente para vencer forças intermoleculares fracas e permanecer como gás.
  • O ponto de ebulição é a temperatura em que a pressão de vapor iguala a pressão externa; quanto maiores as forças intermoleculares, maior tende a ser o ponto de ebulição. Assim, para comparar dois compostos à mesma temperatura, o que tem forças intermoleculares mais fortes estará mais propenso a ser líquido.
    Portanto, precisamos comparar as forças intermoleculares em HCHO e em acetona: quais são elas e como dependem de massa molar e de momento de dipolo?

Passo 3

Tipos de interações relevantes e como cada uma depende de massa/dipolo:
  • Forças de London (dispersion forces): existem entre todas as moléculas e aumentam com a polarizabilidade eletrônica. A polarizabilidade cresce com o número de elétrons e com o tamanho da molécula — isto é, tende a aumentar com a massa molar. Logo, moléculas mais pesadas (maior M) geralmente têm forças de London mais fortes. Em termos práticos, a acetona ( M\approx 58{,}08\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}) é quase o dobro da massa do formaldeído ( M\approx 30{,}03\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}), então sua contribuição de London é significativamente maior. Como estimativa crua:
\frac{M_{\mathrm{acetona}}}{M_{\mathrm{HCHO}}}\approx\frac{58{,}08}{30{,}03}\approx 1{,}93,
ou seja, a tendência é que as dispersões na acetona sejam quase o dobro, tudo o mais igual.
  • Interações dipolo–dipolo permanentes (forças de Keesom): a energia de interação entre dipolos permanentes escala, em ordem de grandeza, como \propto \dfrac{\mu^{2}}{r^{3}} (onde \mu é o momento de dipolo e r é a separação intermolecular típica). Assim, para moléculas de tamanho comparável, o efeito depende principalmente de \mu^{2}. Comparando os momentos de dipolo aproximados:
\left(\frac{\mu_{\mathrm{acetona}}}{\mu_{\mathrm{HCHO}}}\right)^{2}\approx\left(\frac{2{,}88}{2{,}33}\right)^{2}\approx 1{,}53.
Isto indica que as interações dipolo–dipolo permanentes são aproximadamente 1{,}5 vezes mais fortes na acetona do que no formaldeído (estimativa grosseira).
  • Outras contribuições: ambas as moléculas têm um grupo carbonila C=O que pode aceitar ligações de hidrogênio (agir como base de H), mas nenhuma delas doa hidrogênio fortemente ligado (não há O–H ou N–H). Portanto, ligações de hidrogênio do tipo doador–aceptor forte não ocorrem de forma significativa entre moléculas idênticas aqui; o efeito relevante é a soma de London + dipolo–dipolo.

Passo 4

Combinação qualitativa das contribuições e ligação com os pontos de ebulição:
  • Como visto, a acetona tem massa molar quase o dobro e momento de dipolo maior. Aproximando que as contribuições se combinam, um produto bruto das vantagens da acetona dá uma ordem de magnitude maior nas forças intermoleculares:
\text{fator aproximado total}\sim 1{,}93\times 1{,}53\approx 2{,}95.
Isto é, as interações intermoleculares médias na acetona podem ser algumas vezes maiores do que as do formaldeído. Esse aumento explica por que a acetona tem ponto de ebulição muito mais alto ( 56^\circ\mathrm{C}) do que o formaldeído ( -19^\circ\mathrm{C}): as moléculas de acetona ficam ligadas com maior força entre si e, à temperatura ambiente ( \approx 25^\circ\mathrm{C}), a acetona permanece líquida enquanto o formaldeído, com forças intermoleculares bem mais fracas, encontra‑se na fase gasosa.
  • Em resumo físico simples: a energia térmica disponível à temperatura ambiente vence as fracas interações intermoleculares do formaldeído (logo é gás), mas não vence as interações mais fortes da acetona (logo é líquido).

Passo 5

Um último esclarecimento bem prático e intuitivo:
  • Massa molar maior → mais elétrons → maior polarizabilidade → forças de dispersão maiores.
  • Momento de dipolo maior → interações dipolo–dipolo mais intensas (energia \propto \mu^{2}).
  • Ambos os efeitos atuam na mesma direção no caso da acetona, tornando suas moléculas mais “pegajosas” entre si do que as do formaldeído; daí o contraste de fases à temperatura ambiente.
    Força‑se uma conclusão física: pequenas diferenças nas propriedades (massa e dipolo) se traduzem em diferenças importantes nas energias intermoleculares acumuladas por mol, e essas diferenças determinam se a substância é gás ou líquido à temperatura ambiente. Ânimo — entender este raciocínio é justamente o que cai numa prova desse tipo!

Resposta

A acetona é líquida à temperatura ambiente porque tem massa molar maior ( M_{\mathrm{acetona}}\approx 58{,}08\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}} vs. M_{\mathrm{HCHO}}\approx 30{,}03\\ \mathrm{g\\ mol^{-1}}) e momento de dipolo ligeiramente maior ( \mu_{\mathrm{acetona}}\approx 2{,}88\\ \mathrm{D} vs. \mu_{\mathrm{HCHO}}\approx 2{,}33\\ \mathrm{D}), o que resulta em forças de London e interações dipolo–dipolo permanentes substancialmente mais intensas na acetona; essas forças mais fortes elevam o ponto de ebulição da acetona ( \approx 56^\circ\mathrm{C}) acima da temperatura ambiente, enquanto o formaldeído, com forças intermoleculares bem mais fracas, tem ponto de ebulição muito menor ( \approx -19^\circ\mathrm{C}) e thus é gás.

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