Explique porque ao misturarmos \mathrm{CCl}_{4} e \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} forma-se um sistema heterogêneo ( 2 fases). Monte sua resposta considerando a geometria molecular dos dois compostos.

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que, ao misturar \mathrm{CCl_{4}} e \mathrm{H_{2}O}, forma-se um sistema heterogêneo (duas fases), usando a geometria molecular dos dois compostos.
Informações dadas (explicitamente ou implícitas) que vamos usar:
  • As substâncias envolvidas são \mathrm{CCl_{4}} e \mathrm{H_{2}O}.
  • Ao misturá-las, observa-se separação em duas fases (não se misturam homogênea e completamente).
    Não foi fornecido nenhum dado numérico adicional na pergunta.

Passo 2

Descrever a geometria e ligações de \mathrm{CCl_{4}}.
  • O átomo central é o carbono com hibridização sp^{3}; a geometria de ligação é tetraédrica (quatro ligações C–Cl dispostas para os vértices de um tetraedro).
  • Cada ligação C–Cl é polar porque há diferença de eletronegatividade entre C e Cl (valores aproximados: \chi_{\mathrm{C}}\approx2,55, \chi_{\mathrm{Cl}}\approx3,16), logo cada ligação tem um vetor dipolo apontando do C para o Cl.
  • Porém, devido à simetria tetraédrica, os quatro vetores dipolo têm a mesma magnitude e estão orientados de forma a se cancelarem: \vec{p}_{\text{total}}=\vec{p}_{1}+\vec{p}_{2}+\vec{p}_{3}+\vec{p}_{4}= \vec{0}.
  • Conclusão prática: a molécula \mathrm{CCl_{4}} é apolar (dipolo líquido nulo). As forças intermoleculares dominantes em \mathrm{CCl_{4}} são forças de London (forças de dispersão).

Passo 3

Descrever a geometria e ligações de \mathrm{H_{2}O}.
  • O oxigênio tem hibridização aproximadamente sp^{3} e existem dois pares de elétrons não ligantes; a geometria eletrônica é tetraédrica, mas a geometria molecular (somente átomos) é angular (dobrada) com ângulo de ligação aproximadamente \,104,5^\circ.
  • As ligações O–H são fortemente polares pela diferença de eletronegatividade ( \chi_{\mathrm{O}}\approx3,44, \chi_{\mathrm{H}}\approx2,20). Os dois vetores dipolo O–H não se cancelam por causa do ângulo 104,5^\circ, resultando em um dipolo molecular líquido apontando para o oxigênio.
  • Além disso, a presença de pares não ligantes e H ligados a O possibilita a formação de ligações de hidrogênio fortes entre moléculas de água. Conclusão prática: \mathrm{H_{2}O} é altamente polar e forma extensa rede de ligações de hidrogênio.

Passo 4

Explicar o princípio “like dissolves like” e relações intermoleculares básicas (aula curta).
  • Regra qualitativa usada em química: substâncias polares tendem a dissolver outras polares; substâncias apolares tendem a dissolver outras apolares. Isto porque, para que um soluto se misture ao solvente, é preciso que as interações soluto–solvente sejam energeticamente comparáveis ou mais favoráveis que as interações soluto–soluto e solvente–solvente originais.
  • Em termos de forças intermoleculares: água–água tem ligações de hidrogênio fortes; CCl _{4}–CCl _{4} tem apenas dispersão de London (mais fracas). Para \mathrm{CCl_{4}} dispersar na água, seriam necessárias interações água–CCl _{4} suficientemente fortes para compensar a quebra de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água — o que não acontece de forma significativa.

Passo 5

Aplicar esses conceitos aos dois líquidos e discutir energia/termodinâmica qualitativa.
  • Ao tentar misturar \mathrm{CCl_{4}} com \mathrm{H_{2}O}, algumas interações água–água (ligações de hidrogênio) teriam que ser rompidas para acomodar moléculas apolares de \mathrm{CCl_{4}}. Romper ligações de hidrogênio custa energia (contribuição desfavorável à entalpia).
  • As novas interações água–CCl _{4} seriam principalmente interações dipolo induzido / forças de dispersão, que são fracas comparadas às ligações de hidrogênio originais — portanto a variação de entalpia ao formar a mistura é pouco favorável ou até desfavorável.
  • A variação de entropia ao misturar pode ser positiva (mais desordem), mas não é suficiente para compensar a perda energética das ligações de hidrogênio. Em resumo: ganho entálpico insuficiente → mistura não termodinamicamente favorecida → separação em fases.

Passo 6

Conseqüência prática: imiscibilidade e separação em duas fases; papel da densidade.
  • Como as moléculas preferem interagir com iguais (água-água e CCl _{4}-CCl _{4}), elas se agrupam formando duas fases imiscíveis: uma fase rica em água e outra rica em \mathrm{CCl_{4}}.
  • Além disso, \mathrm{CCl_{4}} é bastante mais denso que a água ( \rho_{\mathrm{CCl_{4}}}\approx1,59\\ \mathrm{g\,cm^{-3}} enquanto \rho_{\mathrm{H_{2}O}}\approx1,00\\ \mathrm{g\,cm^{-3}} a 20^\circ\mathrm{C}), então a fase de \mathrm{CCl_{4}} fica por baixo, com a água por cima. Esse dado explica a orientação das camadas, mas não é a causa da imiscibilidade (a causa é a diferença de polaridade e das forças intermoleculares).

Passo 7

Resumo didático e dicas para prova (como responder em poucas linhas).
  • Ponto-chave a escrever se pedirem uma justificativa curta: " \mathrm{CCl_{4}} é apolar por causa da geometria tetraédrica que cancela os dipolos C–Cl; \mathrm{H_{2}O} é polar e forma forte rede de ligações de hidrogênio. Como as interações água–água (H–bond) são muito mais fortes do que as possíveis interações água–CCl _{4} (apenas dispersão), a mistura não é energeticamente favorável → imiscibilidade → duas fases. A maior densidade do \mathrm{CCl_{4}} explica porque ele fica embaixo."

Resposta

Porque \mathrm{CCl_{4}} é apolar (carbono sp^{3} com geometria tetraédrica que faz os dipolos C–Cl se cancelarem) enquanto \mathrm{H_{2}O} é polar (geometria angular \approx104,5^\circ com dipolo líquido e forte capacidade de formar ligações de hidrogênio); as interações água–água (ligações de hidrogênio) são muito mais fortes que as possíveis interações água–CCl _{4} (forças de dispersão), logo a mistura não é energeticamente favorecida e forma duas fases (além disso \rho_{\mathrm{CCl_{4}}}\approx1,59\\ \mathrm{g\,cm^{-3}} é maior que \rho_{\mathrm{H_{2}O}}\approx1,00\\ \mathrm{g\,cm^{-3}}, de modo que o \mathrm{CCl_{4}} fica abaixo).

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