- Se a ligação de hidrogênio entre um par de átomos de hidrogênio e flúor é a ligação de hidrogênio mais forte, por que a água tem um ponto de fusão muito maior que o do fluoreto de hidrogênio?
Passo 1
O enunciado dá a informação de que a ligação de hidrogênio entre um par de átomos de hidrogênio e flúor é a ligação de hidrogênio mais forte (ou seja, a interação H–F isolada é muito forte). A pergunta é: por que, apesar disso, a água tem um ponto de fusão muito maior que o do fluoreto de hidrogênio?
Informações relevantes fornecidas / a considerar:
(água) — ponto de fusão conhecido:
.
(fluoreto de hidrogênio) — ponto de fusão conhecido:
.
Objetivo: explicar, passo a passo e didaticamente, os fatores microscópicos (tipo e número de ligações, geometria, rede de interação) que fazem o ponto de fusão da água ser bem maior que o do .
Informações relevantes fornecidas / a considerar:
Objetivo: explicar, passo a passo e didaticamente, os fatores microscópicos (tipo e número de ligações, geometria, rede de interação) que fazem o ponto de fusão da água ser bem maior que o do
Passo 2
O que é uma ligação de hidrogênio (em termos simples) — “aula rápida”:
- Uma ligação de hidrogênio é uma interação dirigida entre um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a um átomo muito eletronegativo (doador) e um par de elétrons não ligados em outro átomo eletronegativo (acceptor).
- Termos: o “doador” é a ligação X–H (onde X é O, N ou F) e o “aceptor” é o átomo com par(es) livres (por exemplo, O ou F).
- Força de cada ligação H depende de quão polar é a ligação X–H (maior diferença de eletronegatividade → mais positiva a carga parcial no H → ligação H mais forte). Por isso isoladamente H–F costuma ser uma das ligações de hidrogênio mais fortes.
Explicação física curta: o que controla o ponto de fusão de um sólido molecular é a energia total de coesão da rede: quantas interações intermoleculares (e quão fortes elas são no conjunto) precisam ser rompidas para passar do sólido para o líquido.
Passo 3
Comparação das moléculas: geometria e possibilidades de ligar por H-bond
-
: cada molécula tem dois hidrogênios ligados a oxigênio (doadores ) e o oxigênio possui dois pares de elétrons não ligantes (aceptores ). Geometricamente a molécula é angular (ângulo ), o que permite que cada molécula forme, idealmente, até quatro ligações de hidrogênio (duas como doadora e duas como aceptora). Em gelo sólido a organização é aproximadamente tetraédrica, com forte entrelaçamento tridimensional. -
: cada molécula é diatômica linear. Há um hidrogênio que pode doar uma ligação H (doador ) e o flúor tem pares de elétrons que podem aceitar ligações. Na prática, em fase condensada o tende a formar cadeias (zig‑zag) de moléculas ligadas por H‑bonds, ou pequenos agregados, em vez de uma rede tridimensional fortemente ramificada. Assim, cada molécula de participa, geralmente, de um número menor de ligações de hidrogênio efetivas que cada molécula de água na estrutura do gelo.
Passo 4
Por que o número e a geometria importam mais que a força da ligação isolada
- Mesmo que a ligação H–F isolada seja muito forte, o que determina o ponto de fusão do sólido é a energia total necessária para separar as moléculas umas das outras na rede cristalina. Essa energia total depende de quantas ligações estão conectando cada molécula e de como essas ligações formam uma rede (dimensão da rede).
- No gelo (
) temos uma rede tridimensional relativamente aberta, onde cada molécula está ligada a várias vizinhas (próximo de quatro ligações por molécula no sólido). Para fundir o gelo é preciso romper um grande número de ligações por molécula — portanto muita energia (ponto de fusão alto, ). - No
, apesar de as ligações individuais serem fortes, a organização é tipicamente em cadeias (uma‑dimensão) ou pequenos agregados; cada molécula participa, em média, de menos ligações “coordenadas” em três dimensões, de modo que a energia de coesão por molécula é menor. Romper a rede de exige, no total, menos energia que romper a rede do gelo, resultando em ponto de fusão muito mais baixo ( ).
Passo 5
Noções adicionais que ajudam a entender o comportamento macroscópico (mastigando mais):
- Cooperatividade: em redes de H‑bond (como em água), as ligações se fortalecem mutuamente (cooperação) — uma ligação favorável ajuda a estabilizar ligações vizinhas. Esse efeito aumenta a energia total de rede.
- Dimensionalidade da rede: redes 3D (água/ gelo) geram maior estabilidade térmica que cadeias 1D (HF).
- Empacotamento e direção: a direção preferencial das H‑bonds e o empacotamento afetam densidade e energia de fusão; a geometria tetraédrica da água é especialmente eficiente em criar uma rede extensa.
- Comparação ilustrativa: outras moléculas que formam H‑bond (por exemplo,
) têm pontos de fusão bem mais baixos porque formam menos ligações por molécula, mesmo que cada ligação tenha força intermediária.
Passo 6
Exemplificando com os pontos de fusão (para ver quantitativamente a diferença):
- Ponto de fusão da água:
→ . - Ponto de fusão do fluoreto de hidrogênio:
→ .
Conclusão óbvia a partir dos passos anteriores: apesar das ligações H–F isoladas serem mais fortes, a rede que se forma no sólido de(muitas ligações por molécula, 3D, cooperativa) dá maior energia de coesão total por molécula do que a rede típica do (cadeias ou agregados menos conectados). Isso explica o ponto de fusão muito mais alto da água.
Resposta
Porque, embora a ligação H–F isolada seja muito forte, a água (
) forma uma rede tridimensional altamente conectada (cada molécula pode fazer até quatro ligações de hidrogênio — duas como doadora e duas como aceitora) com efeitos de cooperatividade; já o
tende a formar cadeias/aglomerados com menos ligações por molécula na rede. Assim, a energia total de coesão por molécula é bem maior no gelo do que no sólido de
, e isso resulta em ponto de fusão da água muito mais alto (
vs
).