O metano ( \mathrm{CH}_{4} ) tem um ponto de ebulição muito menor do que o da água. Explique esse comportamento com base na ligação entre moléculas em cada uma das duas substâncias.
9. O ponto de fusão do potássio é 63,5^{\circ} \mathrm{C}, enquanto o do titânio é 1812^{\circ} \mathrm{C}. Qual a explicação para esta grande diferença entre as temperaturas de fusão?

Passo 1

O enunciado traz duas perguntas de química física:
  1. Por que o metano \mathrm{CH}_{4} tem ponto de ebulição muito mais baixo que a água \mathrm{H}_{2}\mathrm{O}?
  2. Por que o potássio metálico funde a 63,5^\circ\mathrm{C} enquanto o titânio funde a 1812^\circ\mathrm{C}?
    O conteúdo envolve forças intermoleculares (no caso do metano e da água) e força de ligação metálica (no caso do potássio e do titânio).

Passo 2

O metano \mathrm{CH}_{4} é uma molécula apolar cuja única interação entre vizinhas são forças de London (induções momentâneas de dipolo). Essas forças são fracas (tipicamente 1–5 kJ/mol), logo basta pouca energia térmica para vencer a atração e passar para a fase gasosa, resultando em ponto de ebulição muito baixo (≈ -162^\circ\mathrm{C}).
Já a água \mathrm{H}_{2}\mathrm{O} é polar e forma ligações de hidrogênio entre as moléculas (cada O puxa fortemente o H de outra molécula), com energias de 20 a 40 kJ/mol. Essas ligações são muito mais fortes que as interações de London, exigindo temperatura bem maior ( 100\circC à pressão normal) para romper a rede e ebuli­tar.

Passo 3

No potássio metálico o cátion \mathrm{K}^+ é grande e cada átomo doa apenas um elétron de valência para o “mar” de elétrons. A densidade eletrônica de ligação é baixa, gerando ligações metálicas relativamente fracas e, portanto, ponto de fusão baixo 63,5^\circ\mathrm{C}.
No titânio cada átomo contribui com vários elétrons (do orbital 3d e 4s) para a ligação metálica e os cátions \mathrm{Ti}^{n+} têm raio menor, aumentado a densidade eletrônica entre núcleos vizinhos. Essa forte atração rendição–elétron/núcleo eleva muito a energia necessária para fundir o material, resultando em ponto de fusão altíssimo 1812^\circ\mathrm{C}.

Resposta

  1. O metano tem apenas forças de London (fracas), enquanto a água forma ligações de hidrogênio (fortes).
  2. O potássio, com um elétron de valência e cátion grande, gera ligações metálicas fracas; o titânio, com múltiplos elétrons de valência e cátion menor, forma ligações metálicas muito mais fortes, exigindo temperatura de fusão muito maior.

Exercícios relacionados