Explique, em termos de interações interpartículas, as diferenças em cada caso:
Xe é líquido a pressão atmosférica e 120 K , enquanto Ar é gás nestas condições;
Xe é líquido a pressão atmosférica e 120 K , enquanto Ar é gás nestas condições;
Passo 1
Resumo do enunciado: o exercício quer que a gente explique por que, à pressão de 1 atm e T = 120 K, o xenônio (Xe) está no estado líquido, enquanto o argônio (Ar) está no estado gasoso.
Conteúdo da matéria: forças intermoleculares de dispersão (forças de London) e polarizabilidade atômica.
O que vamos precisar:
Conteúdo da matéria: forças intermoleculares de dispersão (forças de London) e polarizabilidade atômica.
O que vamos precisar:
- Entender o que é polarizabilidade e como ela afeta as forças de London.
- Saber que quanto mais fortes as interações, maior o ponto de ebulição.
Passo 2
Teoria das forças de London
Essas forças acontecem em todas as moléculas e átomos neutros, mesmo sem dipolo permanente. Elas surgem quando, por flutuações eletrônicas, um átomo momentaneamente fica com um dipolo instantâneo e induz dipolos nos vizinhos. A energia média de interação (atrativa) entre dois átomos i e j separados por distância r pode ser escrita, em forma simplificada, como:
Essas forças acontecem em todas as moléculas e átomos neutros, mesmo sem dipolo permanente. Elas surgem quando, por flutuações eletrônicas, um átomo momentaneamente fica com um dipolo instantâneo e induz dipolos nos vizinhos. A energia média de interação (atrativa) entre dois átomos i e j separados por distância r pode ser escrita, em forma simplificada, como:
onde
depende da polarizabilidade dos átomos. Quanto maior
, mais forte a atração.
Passo 3
Polarizabilidade e tamanho atômico
- Xenônio (Xe) tem Z = 54 e muitos elétrons; argônio (Ar) tem Z = 18 e menos elétrons.
- Átomos maiores e com mais elétrons têm suas nuvens eletrônicas mais “espalhadas” e, portanto, mais fáceis de deformar. Isso significa maior polarizabilidade,
. - Quanto maior
, maior o coeficiente e, então, mais fortes as forças de dispersão entre átomos de Xe comparadas às de Ar.
Passo 4
Consequência no ponto de ebulição e estado físico
- Ponto de ebulição do Ar: cerca de 87 K. Como 120 K > 87 K, o Ar fica no estado gasoso.
- Ponto de ebulição do Xe: cerca de 165 K. Como 120 K < 165 K, o Xe ainda está líquido.
Em resumo, as forças de London mais fortes em Xe exigem energia térmica maior para separar os átomos, resultando num ponto de ebulição mais alto.
Resposta
Xe está líquido a 120 K e 1 atm porque suas forças de dispersão (London) são bem mais fortes, devido à alta polarizabilidade de seus átomos grandes, elevando seu ponto de ebulição para ~165 K. Já Ar, com átomos menores e menos polarizáveis, tem ponto de ebulição ~87 K, portanto é gasoso a 120 K.