5-) Explique a progressão no ponto de ebulição para os alcanos seguintes: metano ( p.e.
); dimetilpropano ou neopentano ( p.e
) e pentano ( p.e.
). Escreva as fórmulas estruturais.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas:
- Explicar por que os pontos de ebulição progressivamente mudam entre metano, neopentano (dimetilpropano) e pentano, usando os valores dados:
, e . - Escrever as fórmulas estruturais dessas três espécies.
Informações relevantes fornecidas:
- Metano:
. - Neopentano (2,2-dimetilpropano):
. - Pentano (
-pentano): .
Passo 2
Escrever as fórmulas estruturais (forma condensada / esqueleto) de modo claro:
- Metano: a molécula mais simples, um carbono ligado a quatro hidrogênios. Fórmula:
. - Neopentano (2,2-dimetilpropano): um carbono central ligado a quatro grupos metila; fórmula condensada:
ou . Em palavras: um carbono quaternário no centro e quatro ao redor. - Pentano (n-pentano): cadeia linear de cinco carbonos; fórmula condensada:
.
Essas representações mostram claramente a diferença entre cadeia linear (-pentano) e a estrutura muito ramificada (neopentano).
Passo 3
Conceitos físicos fundamentais (explicados passo a passo, sem pular etapas):
- O que determina o ponto de ebulição? Em compostos apolares como alcanos, o fator principal são as forças intermoleculares de dispersão (forças de London). Essas forças atraem moléculas neutras quando nuvens eletrônicas instantâneas criam dipolos temporários que induzem dipolos em moléculas vizinhas.
- Polarizabilidade: é a facilidade com que a nuvem eletrônica de uma molécula é distorcida. Moléculas maiores (mais elétrons, maior volume) são mais polarizáveis e geram interações de dispersão maiores, o que aumenta o ponto de ebulição.
- Área de contato / forma molecular: além do tamanho absoluto (massa molar), a extensão da superfície que duas moléculas podem colocar em contato influencia a intensidade das forças de dispersão. Moléculas alongadas (cadeias lineares) têm mais área de contato quando se aproximam, então interagem mais fortemente que moléculas compactas e esféricas da mesma massa.
Passo 4
Aplicando os conceitos ao metano versus pentano (efeito da massa / tamanho):
- Metano
é muito pequeno (massa molar baixa, poucos elétrons), logo sua polarizabilidade é muito baixa. Isso rende forças de dispersão fracas e ponto de ebulição muito baixo ( ). - Pentano
tem cinco carbonos e bem mais elétrons; por isso é muito mais polarizável. Além disso, sendo linear, tem grande área de contato entre moléculas próximas. Resultado: forças de dispersão bem maiores e ponto de ebulição muito mais alto ( ). - Conclusão parcial: ao aumentar a massa (de metano a pentano) espera-se aumento do ponto de ebulição devido ao aumento das forças de dispersão.
Passo 5
Comparando neopentano com
-pentano (mesma fórmula molecular, diferente estrutura — efeito da ramificação):
- Tanto neopentano quanto
-pentano têm a mesma fórmula molecular global, , portanto mesma massa molar e número de elétrons. Então a diferença de pontos de ebulição não vem da massa, mas da geometria. - Neopentano
é muito compacto e aproximadamente esférico; -pentano é alongado. Moléculas alongadas conseguem maior área de contato entre si quando se aproximam; moléculas esféricas/compactas têm menor contato efetivo. - Menor área de contato em neopentano significa interações de dispersão efetivas menores, logo menor energia necessária para separar as moléculas (evaporar). Assim o ponto de ebulição do neopentano é consideravelmente menor que o do
-pentano: vs .
Passo 6
Resumo físico-químico da progressão observada (passo a passo, com ligação direta aos números):
- Metano (
, ): muito pequeno → baixa polarizabilidade → forças de London fracas → ponto de ebulição muito baixo. - Neopentano (
, ): maior massa que metano, mas forma compacta e esférica → polarizabilidade moderada, área de contato reduzida → forças de dispersão menores do que as de -pentano → p.e. intermediário. -
-Pentano ( , ): maior massa e cadeia linear → alta polarizabilidade e grande área de contato → forças de dispersão fortes → maior ponto de ebulição dentre os três.
Dica prática para prova: para alcanos com massas diferentes, espere p.e. crescer com o número de carbonos; para alcanos com mesma massa, a ramificação tende a diminuir o p.e. (mais ramificação → molécula mais compacta → menor p.e.).
Passo 7
Exemplos extras rápidos para fixar a ideia (aplique na prova):
- Entre
isômeros, o hexano normal (linear) tem p.e. maior que isômeros muito ramificados. - Se dois alcanos têm diferença grande no número de carbonos (ex.:
vs ), a massa domina e o maior número de carbonos normalmente dá maior p.e., salvo efeitos extremos de ramificação.
Resposta
Explicação curta e direta: o ponto de ebulição aumenta com o aumento da massa e da polarizabilidade (metano → pentano). Para isômeros de mesma massa, maior ramificação torna a molécula mais compacta e reduz a área de contato intermolecular, diminuindo as forças de dispersão e, por consequência, o ponto de ebulição (neopentano tem p.e. menor que
-pentano).