Indique o tipo de interação intermolecular predominante nas substâncias abaixo, justificando sua resposta com base na estrutura e polaridade de cada molécula:
(água)
Passo 1
O enunciado pede: indicar o tipo de interação intermolecular predominante na substância
(água) e justificar a resposta com base na estrutura e na polaridade da molécula.
Informações dadas:
- Fórmula molecular:
.
O que vou precisar mostrar nas próximas etapas:
- Como é a geometria eletrônica e molecular da
. - Por que as ligações
são polares e quais cargas parciais aparecem. - Que tipo de interação intermolecular surge quando um hidrogênio ligado a um átomo muito eletronegativo interage com pares de elétrons livres de outra molécula.
- Comparar essa interação com outras interações intermoleculares (forças de London, dipolo–dipolo) para justificar qual é a predominante.
Passo 2
Estrutura e geometria da molécula: explicando passo a passo
- O átomo de oxigênio tem seis elétrons de valência; para completar oito elétrons na camada externa ele forma duas ligações covalentes com dois átomos de hidrogênio e mantém dois pares eletrônicos não ligantes (pares livres).
- Pela teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência (VSEPR), a geometria eletrônica em torno do oxigênio é tetraédrica, mas com dois pares livres e duas ligações isso resulta numa geometria molecular “angular” (em forma de V).
- O ângulo entre as ligações
é aproximadamente .
Esses fatos (dois pares livres e ângulo menor que) serão importantes para a existência de um momento dipolar não nulo.
Passo 3
Polaridade das ligações
e cargas parciais
- Eletropositividade vs. eletronegatividade: o oxigênio é muito mais eletronegativo que o hidrogênio, ou seja, o oxigênio atrai mais fortemente os elétrons da ligação. Isso torna cada ligação
polar. - Como consequência, sobre cada átomo de hidrogênio aparece uma carga parcial positiva, indicada por
, e sobre o oxigênio aparece uma carga parcial negativa, indicada por . Escrevendo:
com tendo . - A geometria angular faz com que os vetores das duas dipolos
não se anulem; há um dipolo molecular resultante. O momento de dipolo experimental da água é aproximadamente (Debye), o que confirma que a molécula é polar.
Passo 4
Qual interação intermolecular é possível dadas essas características?
- Requisitos especiais para uma interação muito forte e direcionada entre moléculas: um átomo de hidrogênio com carga parcial positiva ligada covalentemente a um átomo fortemente eletronegativo (por exemplo O, N ou F) e, na molécula vizinha, um par de elétrons não ligante disponível para interagir.
- Em
temos exatamente isso: hidrogênios com ligados ao oxigênio e oxigênios com pares livres ( ). Então moléculas vizinhas podem se aproximar de forma que o de uma molécula se atraia ao par eletrônico livre do de outra molécula. - Essa interação é simultaneamente: altamente direcional (prefere ângulos específicos), mais forte que um dipolo–dipolo ordinário e muito mais forte que as forças de dispersão temporárias que existem em todas as moléculas.
Passo 5
Comparação com outras interações intermoleculares e consequências macroscópicas
- Forças de London (dispersão): existem sempre, dependem da polarizabilidade e do número de elétrons; na água elas existem, mas não são dominantes porque a água é uma molécula pequena e muito polar.
- Dipolo–dipolo (interações entre dipolos permanentes): presentes na água também, mas a interação descrita no passo anterior (interação entre
ligado a O e par livre do O vizinho) é qualitativamente mais forte e mais direcional. - Ordem de grandeza de energias típicas (para dar ideia): ligações covalentes fortes são centenas de
; a interação forte entre hidrogênios parcialmente positivos e pares livres (essas interações específicas) costuma ter energia típica da ordem de , significativamente maior que muitas interações dipolo–dipolo comuns e maior que a maioria das dispersões em moléculas leves. - Consequências práticas (evidência experimental): a água tem ponto de ebulição relativamente alto (
) para uma molécula tão pequena, alta tensão superficial, elevada capacidade calorífica e no gelo uma estrutura aberta (hexagonal) que explica a menor densidade do gelo em relação à água líquida. Essas propriedades evidenciam a presença de interações intermoleculares fortes e dirigidas entre moléculas de água.
Passo 6
Resumo lógico (sem nomear a interação final)
- Resumindo a cadeia de raciocínio: (i) a
é polar devido às ligações e à geometria angular; (ii) o oxigênio possui pares eletrônicos não ligantes e os hidrogênios ficam com carga parcial positiva; (iii) isso permite que um de uma molécula interaja fortemente e de forma direcional com um par eletrônico de um oxigênio vizinho; (iv) essa interação é mais forte e mais determinante para as propriedades físicas da água do que simples dipolo–dipolo ou forças de dispersão; (v) portanto, a interação descrita no (iii) é a responsável predominante pelas características intermoleculares da água.
Resposta
Ligação de hidrogênio (ponte de hidrogênio)