Explique por que o
e o
são gases, o
é um líquido e i
é um sólido em temperatura ambiente?
Passo 1
O enunciado pede que eu explique por que as espécies
e
são gases,
é líquido e
é sólido em temperatura ambiente. Informações dadas/assumidas que vou usar:
- As substâncias são as moléculas diatômicas:
, , , . - “Temperatura ambiente” vou considerar como aproximadamente
. - O objetivo é explicar a razão das diferentes fases (gás, líquido, sólido) dessas moléculas à mesma temperatura ambiente.
Passo 2
Primeiro conceito importante: o estado físico (sólido, líquido, gás) de uma substância molecular depende do equilíbrio entre duas coisas:
- A energia cinética média das moléculas, que aumenta com a temperatura (quanto maior a temperatura, mais as moléculas querem se afastar umas das outras).
- As forças de atração intermolecular entre as moléculas, que tentam mantê‑las juntas.
Se a energia cinética é muito maior que as forças intermoleculares, a substância será gás. Se as forças intermoleculares são fortes o bastante para vencer a tendência de separação, obtemos líquido ou sólido. Não confundir: as ligações dentro da molécula (ligações covalentes que unem os dois átomos) são fortes, mas não determinam se a amostra macroscópica será sólida/ líquida/ gás — isso é papel das forças entre moléculas.
Passo 3
Quais forças intermoleculares existem, em termos simples?
- Forças de London (dispersion forces): aparecem em todas as moléculas, especialmente relevantes em moléculas não polares. São causadas por flutuações instantâneas da nuvem eletrônica que induzem dipolos instantâneos e dipolos induzidos nas vizinhas.
- Dipolo–dipolo e ligação de hidrogênio: importantes quando as moléculas têm dipolo permanente ou átomos H ligados a O/N/F.
As diatômicas halogêniosão apolares (dois átomos iguais), logo as forças de London são as dominantes. Portanto, a diferença entre gasoso/líquido/sólido aqui vem basicamente da intensidade das forças de London.
Passo 4
Expliquei o que são forças de London e por que elas variam. Agora mostro o que determina a intensidade dessas forças:
- Origem: flutuações na distribuição eletrônica de uma molécula criam dipolos instantâneos que induzem dipolos em moléculas vizinhas; essas interações atrativas são as forças de London.
- Fatores que aumentam a força de London:
- Maior número de elétrons (nuvem eletrônica maior) → mais fácil formar dipolos instantâneos grandes.
- Maior tamanho/volume molecular (nuvem eletrônica mais difusa) → maior polarizabilidade.
- Superfície de contato entre moléculas também ajuda (moléculas maiores conseguem interação mais forte).
- Resumo prático: quanto maior a massa atômica e o número de elétrons da molécula, mais polarizável ela é e mais fortes são as forças de London.
Passo 5
Vou quantificar a tendência com massas molares e número de elétrons (valores aproximados, só para comparar):
-
: massa molar ; elétrons totais por molécula: . -
: massa molar ; elétrons totais: . -
: massa molar ; elétrons totais: . -
: massa molar ; elétrons totais: .
Observe a progressão: de
para
a massa e o número de elétrons aumentam bastante, então a polarizabilidade e as forças de London também aumentam bastante.
Passo 6
Agora mostro como isso se reflete em temperaturas de mudança de fase (valores aproximados observados):
- Ponto de ebulição de
: . - Ponto de ebulição de
: . - Ponto de fusão de
: e ponto de ebulição . - Ponto de fusão de
: .
Comparando com temperatura ambiente
:
-
e : seus pontos de ebulição são muito abaixo de , portanto à elas estão no estado gasoso. -
: tem ponto de fusão abaixo de e ponto de ebulição acima de , portanto à está líquido. -
: seu ponto de fusão é muito acima de , então à está sólido.
Isso confirma empiricamente que as forças intermoleculares aumentam ao subir na coluna dos halogênios, levando à mudança de fase observada.
Passo 7
Intuição e dica de prova (sem decorar números): ao comparar moléculas apolares relacionadas (mesma família), verifique a massa molecular / número de elétrons / tamanho. Quanto maiores, mais fortes as forças de London e maior a tendência de a substância estar líquida ou sólida à temperatura dada. Em questões, se perceber que as moléculas são apolares e difiram por massa, a explicação padrão é diferença de polarizabilidade → diferença nas forças de dispersão de London → diferenças nos pontos de fusão/ebulição.
Resposta
Porque, sendo todas moléculas apolares, a fase à temperatura ambiente é controlada pelas forças de London (dispersion). Essas forças aumentam muito quando aumenta a massa atômica e o número de elétrons (maior polarizabilidade):
e
têm nuvens eletrônicas pequenas e forças de London fracas (portanto são gases a
),
tem forças intermoleculares intermediárias (líquido a
) e
tem nuvem eletrônica grande e forças de London fortes (sólido a
).