1. 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:
\mathrm{H_2O} (água) — ponto de fusão conhecido: 0^\circ\mathrm{C}.
\mathrm{HF} (fluoreto de hidrogênio) — ponto de fusão conhecido: -83,6^\circ\mathrm{C}.
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 \mathrm{HF}.

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
  • \mathrm{H_2O}: cada molécula tem dois hidrogênios ligados a oxigênio (doadores =2) e o oxigênio possui dois pares de elétrons não ligantes (aceptores =2). Geometricamente a molécula é angular (ângulo \sim 104,5^\circ), 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.
  • \mathrm{HF}: cada molécula é diatômica linear. Há um hidrogênio que pode doar uma ligação H (doador =1) e o flúor tem pares de elétrons que podem aceitar ligações. Na prática, em fase condensada o \mathrm{HF} 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 \mathrm{HF} 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 ( \mathrm{H_2O}) 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, 0^\circ\mathrm{C}).
  • No \mathrm{HF}, 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 \mathrm{HF} exige, no total, menos energia que romper a rede do gelo, resultando em ponto de fusão muito mais baixo ( -83,6^\circ\mathrm{C}).

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, \mathrm{NH_3}) 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: \mathrm{H_2O} 0^\circ\mathrm{C}.
  • Ponto de fusão do fluoreto de hidrogênio: \mathrm{HF} -83,6^\circ\mathrm{C}.
    Conclusão óbvia a partir dos passos anteriores: apesar das ligações H–F isoladas serem mais fortes, a rede que se forma no sólido de \mathrm{H_2O} (muitas ligações por molécula, 3D, cooperativa) dá maior energia de coesão total por molécula do que a rede típica do \mathrm{HF} (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 ( \mathrm{H_2O}) 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 \mathrm{HF} 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 \mathrm{HF}, e isso resulta em ponto de fusão da água muito mais alto ( 0^\circ\mathrm{C} vs -83,6^\circ\mathrm{C}).

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