1. a) Explique o que são as interações dipolo-dipolo e de dispersão (ou dipolo induzidodipolo induzido). b) Dê um exemplo de substância cujo comportamento é regido por cada uma destas interações.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas:
  • (a) Explicar o que são as interações dipolo‑dipolo e as interações de dispersão (também chamadas de dipolo induzido — dipolo induzido).
  • (b) Dar um exemplo de substância cujo comportamento seja regido por cada uma dessas interações.
Informações relevantes que temos e vou usar:
  • Existem moléculas com dipolo permanente (são polares) e moléculas sem dipolo permanente (apolares).
  • Toda molécula/átomo tem uma certa facilidade de ter sua nuvem eletrônica deslocada: isso é a polarizabilidade, denotada por \alpha.
  • Forças intermoleculares típicas que discutiremos: interação entre dipolos permanentes (orientacional/Keesom), interação dipolo permanente — dipolo induzido (Debye) e interação de dispersão (London). Em média, as energias eficazes costumam decair com a distância aproximadamente como \propto r^{-6} (mas com diferenças físicas importantes entre elas).

Passo 2

O que é interação dipolo‑dipolo (explicação didática, passo a passo).
  1. Conceito básico — o que é um dipolo permanente:
  • Uma molécula é polar quando há uma separação permanente de carga elétrica positiva e negativa dentro dela; isso é descrito por um momento dipolar elétrico \mu. Exemplos simples: moléculas em que átomos com eletronegatividades diferentes ficam ligados de modo que não se anulam (por exemplo, H–Cl).
  1. Como surge a força:
  • Um dipolo permanente cria, no espaço, um campo elétrico que exerce força sobre um segundo dipolo permanente. Dependendo da orientação relativa, esses dipolos se atraem ou se repelem.
  1. Natureza média e temperatura:
  • Em um líquido ou gás, as moléculas giram e mudam de orientação. O cálculo médio da interação orientacional entre dipolos dá uma energia efetiva que, em média, decai com a distância como \propto r^{-6} e depende inversamente da temperatura T (porque o movimento térmico tende a “desordenar” as orientações). Em termos qualitativos: \text{energia Keesom (média)} \sim -\frac{\mu_1^2\mu_2^2}{k_B T\, r^6},éonde \mu_i são os momentos dipolares e k_B é a constante de Boltzmann.
  1. Como reconhecer quando domina:
  • Aparece em substâncias formadas por moléculas com dipolo permanente razoável e sem ligação de hidrogênio forte (se houver hidrogênio ligado a N, O ou F, a energia de ligação de hidrogênio pode dominar).
  1. Exemplo tipo (vou guardar a resposta curta pro final): moléculas polares como HCl, HCN, SO2 apresentam comportamento influenciado por dipolo‑dipolo (além de outros efeitos).

Passo 3

O que são interações de dispersão (dipolo induzido — dipolo induzido / forças de London) — explicação didática e passo a passo.
  1. Ideia intuitiva:
  • Mesmo em átomos ou moléculas neutras e apolares, a nuvem eletrônica flutua instantaneamente; em um dado instante surge um dipolo temporário. Esse dipolo temporário cria um campo elétrico que induz um dipolo na vizinhança. A interação entre o dipolo instantâneo e o dipolo induzido gera uma atração.
  1. Conceitos chave:
  • Polarizabilidade \alpha: medida de quanto a nuvem eletrônica se deforma facilmente. Átomos/moléculas grandes e com elétrons mais externamente ligados têm \alpha maior.
  • Essas forças existem entre todas as partículas neutras (átomos, moléculas polares ou apolares). São, portanto, universais.
  1. Dependência com distância e fatores que aumentam a força:
  • A energia de dispersão pode ser escrita em forma simplificada como E_{\text{disp}} \sim -\frac{C_6}{r^6},onde C_6 depende de polarizabilidades e energias de excitação/ionização das espécies. Não depende diretamente da temperatura (ao contrário do termo orientacional médio dos dipolos permanentes).
  • Aumenta fortemente com tamanho/masse eletrônica: átomos maiores (I, Br) e moléculas maiores/mais alongadas têm dispersão muito mais forte que átomos pequenos (H, He).
  1. Como reconhecer quando domina:
  • Em gases nobres (He, Ne, Ar) e em moléculas apolares (N2, O2, CH4, halogênios diatômicos) a dispersão é a interação principal.
  1. Exemplos práticos que ajudam a visualizar:
  • Comparação de pontos de ebulição dos halogênios: \text{F}_2 bem baixo, \text{Cl}_2 maior, \text{Br}_2 líquido e \text{I}_2 sólido a temperatura ambiente — isso se deve ao aumento da dispersão com o aumento da polarizabilidade.

Passo 4

Diferenças e semelhanças importantes (pra você decorar e usar na prova)
  • Semelhança: em forma média muitas contribuições pairwise efetivas caem como \propto r^{-6}, então ambas têm decadência rápida com distância.
  • Diferenças práticas:
    • Dipolo‑dipolo requer dipolos permanentes; é sensível à orientação e ao calor (dependência com T na média).
    • Dispersão existe sempre; sua intensidade depende da polarizabilidade \alpha e das energias eletrônicas (maior em átomos/moléculas maiores).
    • Em moléculas pequenas e apolares, dispersão domina. Em moléculas polares, ambos aparecem; se houver ligações O–H, N–H ou F–H, o hidrogênio ligante (ponte de hidrogênio) geralmente domina sobre o dipolo‑dipolo simples.
  • Efeito nas propriedades macroscópicas:
    • Dispersão explica porque gases nobres podem ser liquefeitos (Ar, Kr) e por que cadeias orgânicas longas têm pontos de fusão/ebulição altos mesmo sendo apolares.
    • Dipolo‑dipolo explica, por exemplo, porque dois líquidos com massas molares parecidas podem ter pontos de ebulição bem diferentes se um for polar e o outro apolar.

Passo 5

Exemplos didáticos e rápidos (como justificar numa prova)
  • Para dipolo‑dipolo: escolher uma molécula claramente polar e sem dominar a ligação de hidrogênio. Exemplo simples e claro: \mathrm{HCl}. Justificativa curta para a prova: \mathrm{HCl} é uma molécula linear com momento dipolar permanente \mu\neq0; as atrações entre moléculas de \mathrm{HCl} incluem interação dipolo‑dipolo orientacional (além de dispersão).
  • Para dispersão (dipolo induzido–dipolo induzido): escolher uma substância apolar ou um gás nobre. Exemplo simples e claro: árgon ( \mathrm{Ar}) ou metano ( \mathrm{CH_4}). Justificativa curta: \mathrm{Ar} é atômico e apolar; as únicas forças intermoleculares relevantes são de dispersão (forças de London).

Passo 6

Dicas rápidas para a prova (como decidir na hora)
  • Pergunte-se: a molécula tem um dipolo permanente (olhe geometria + diferença de eletronegatividade)? Se sim → dipolo‑dipolo pode importar.
  • Há H ligado a O, N, F? Se sim → considere ponte de hidrogênio (mais forte).
  • A molécula/átomo é grande e apolar? Então dispersão domina.
  • Se a substância for um gás nobre → dispersão é a resposta certa.
  • Se pedirem “dê um exemplo de substância regida por …”, escolha um exemplo simples e justifique em uma linha (por ex.: “ \mathrm{HCl} — dipolo permanente \Rightarrow dipolo‑dipolo”; “ \mathrm{Ar} — átomo apolar \Rightarrow dispersão”).

Resposta

a) Interação dipolo‑dipolo: atração entre moléculas que têm dipolos permanentes; a energia média depende das orientações relativas e decai com a distância aproximadamente como \propto r^{-6} com forte dependência com a temperatura (termo orientacional). Interação de dispersão (dipolo induzido–dipolo induzido): atração causada por dipolos instantâneos que induzem dipolos em vizinhos; existe em todas as moléculas e átomos e tem energia efetiva \sim -C_6/r^6, sendo muito sensível à polarizabilidade \alpha (maior em átomos/moléculas grandes).
b) Exemplo — dipolo‑dipolo: \mathrm{HCl}. Exemplo — dispersão: \mathrm{Ar} (gás nobre).

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