A molécula de água (
) é muito similar a molécula de sulfeto de hidrogênio (
) do ponto de vista estrutural. Porém, na CNTP, a água é uma substância líquida, enquanto o sulfeto de hidrogênio é um gás. Explique porque isto acontece.
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar por que a molécula de
é líquida nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) — isto é, em
e
— enquanto a molécula estruturalmente parecida
é gás nas mesmas condições.
Informações relevantes dadas / óbvias:
- Ambas têm fórmula
com oxigênio ou enxofre e geometria angular (duas ligações X–H e dois pares isolados). - Precisamos comparar forças intermoleculares e como elas determinam o estado físico (sólido, líquido, gás) à temperatura e pressão dadas.
Passo 2
Estruturas e geometria — esqueleto básico (para entender como as moléculas podem se aproximar).
- Lewis e VSEPR: tanto
quanto têm o átomo central com dois ligantes H e dois pares isolados, o que dá geometria dobrada (bent). - Ângulos típicos: água tem ângulo aproximado
, enquanto tem um ângulo menor (próximo de ). Esses valores mostram que ambas são polares, mas a diferença de geometria não é o fator decisivo — a diferença principal vem da natureza do átomo central (O vs S).
Passo 3
Polaridade das ligações O–H vs S–H — por que isso importa.
- Conceito rápido: uma ligação covalente é polar se os átomos têm eletronegatividades diferentes; isso cria cargas parciais
e que permitem interações dipolo–dipolo entre moléculas. - O oxigênio é muito mais eletronegativo que o hidrogênio, portanto a ligação O–H é fortemente polar: cada H ligado ao O carrega uma carga parcial positiva
e o O leva . - O enxofre é menos eletronegativo que o oxigênio, então a ligação S–H é muito menos polar; as cargas parciais resultantes são pequenas.
- Resultado prático: a água tem dipolo molecular grande e hidrogênios com carga parcial suficientemente positiva para interagir fortemente com pares de elétrons de oxigênios vizinhos; em
essas interações fortes não ocorrem.
Passo 4
O que é ligação de hidrogênio e por que ela faz diferença
- Definição didática: uma ligação de hidrogênio é uma atração intermolecular relativamente forte em que um átomo de hidrogênio ligado a um átomo muito eletronegativo (normalmente O, N ou F) interage com um par eletrônico não ligante em outro átomo eletronegativo. Ela é mais forte que forças de van der Waals comuns (dipolo–dipolo ou dipolo induzido), mas mais fraca que uma ligação covalente.
- Força típica: uma ligação de hidrogênio tem energia do ordene de dezenas de kJ·mol^{-1} (por exemplo, cerca de
– dependendo do caso), enquanto forças de dispersão (London) e dipolo–dipolo têm energias tipicamente de poucos kJ·mol^{-1}. - Aplicando às moléculas: em
existe a possibilidade de cada molécula formar uma rede de ligações de hidrogênio (cada O com pares não ligantes pode aceitar ligações e cada H ligado ao O pode doar), criando um “tecido” de interações fortes entre moléculas. Em os H estão ligados a S, que não é suficientemente eletronegativo para gerar H com carga apta a fazer ligações de hidrogênio significativas; portanto tem praticamente apenas forças de van der Waals e dipolo fraco.
Passo 5
Consequência prática nas propriedades macroscópicas (pontos de ebulição e estado físico)
- O ponto de ebulição é uma medida direta da energia necessária para vencer as forças intermoleculares e passar para o gás. Para a água esse ponto é
(à ), porque as ligações de hidrogênio exigem muita energia para serem rompidas. - Para o sulfeto de hidrogênio o ponto de ebulição é aproximadamente
, muito abaixo de . Logo, nas CNTP ( , ) a água está no intervalo entre seu ponto de fusão e ebulição (líquida) enquanto já está bem acima do seu ponto de ebulição (gás). - Em palavras simples: as fortes ligações de hidrogênio em
seguram as moléculas juntas formando um líquido; a ausência dessas ligações em faz com que as moléculas escapem facilmente, ficando em estado gasoso.
Passo 6
Outros pontos que ajudam a entender sem complicar demais
- Polarizabilidade: o enxofre é maior e mais polarizável que o oxigênio, o que aumenta um pouco as forças de dispersão em
; isso tende a elevar seu ponto de ebulição em relação a moléculas muito pequenas não polares, mas não compensa a falta de ligações de hidrogênio. Ou seja, embora tenha dispersões relativamente maiores que a de por causa do átomo grande, ainda assim as dispersões são muito mais fracas que as ligações de hidrogênio que a água forma. - Exemplos de reforço: comparações análogas aparecem em outros pares (por exemplo,
tem ponto de ebulição muito maior que moléculas de massa similar que não fazem H‑bond efetivo).
Passo 7
Resumo final didático (para “decorar” para a prova)
- Regra curta: se a molécula tem H ligado a O, N ou F, espere ligações de hidrogênio fortes e pontos de ebulição altos; se não, forças intermoleculares tendem a ser fracas e o composto pode ser gasoso em CNTP.
- Aplicando ao caso:
forma extensa rede de ligações de hidrogênio → líquido em CNTP; não forma ligações de hidrogênio significativas → gás em CNTP.
Resposta
Porque
forma ligações de hidrogênio fortes entre moléculas (devido ao oxigênio muito eletronegativo e aos H com carga parcial positiva), o que aumenta muito o ponto de ebulição, fazendo a água líquida nas CNTP; já
tem ligações S–H pouco polares e não forma ligações de hidrogênio significativas, de modo que suas forças intermoleculares são fracas (principalmente dispersão e dipolo fraco) e por isso é gás nas CNTP.