A molécula de água ( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} ) é muito similar a molécula de sulfeto de hidrogênio ( \mathrm{H}_{2} \mathrm{~S} ) 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 \mathrm{H_{2}O} é líquida nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) — isto é, em \,0^\circ\mathrm{C} e 1\\ \mathrm{atm}\, — enquanto a molécula estruturalmente parecida \mathrm{H_{2}S} é gás nas mesmas condições.
Informações relevantes dadas / óbvias:
  • Ambas têm fórmula \mathrm{H_{2}X} com X= 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 \mathrm{H_{2}O} quanto \mathrm{H_{2}S} têm o átomo central com dois ligantes H e dois pares isolados, o que dá geometria dobrada (bent).
  • Ângulos típicos: água tem ângulo aproximado \,104{,}5^\circ, enquanto \mathrm{H_{2}S} tem um ângulo menor (próximo de \,92^\circ). 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 \delta^+ e \delta^- 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 \delta^+ e o O leva \delta^-.
  • 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 \mathrm{H_{2}S} 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 10 40\\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}} dependendo do caso), enquanto forças de dispersão (London) e dipolo–dipolo têm energias tipicamente de poucos kJ·mol^{-1}.
  • Aplicando às moléculas: em \mathrm{H_{2}O} 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 \mathrm{H_{2}S} os H estão ligados a S, que não é suficientemente eletronegativo para gerar H com carga \delta^+ apta a fazer ligações de hidrogênio significativas; portanto \mathrm{H_{2}S} 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 \,100^\circ\mathrm{C} 1\\ \mathrm{atm}), porque as ligações de hidrogênio exigem muita energia para serem rompidas.
  • Para o sulfeto de hidrogênio o ponto de ebulição é aproximadamente -60{,}7^\circ\mathrm{C}, muito abaixo de \,0^\circ\mathrm{C}. Logo, nas CNTP ( 0^\circ\mathrm{C}, 1\\ \mathrm{atm}) a água está no intervalo entre seu ponto de fusão e ebulição (líquida) enquanto \mathrm{H_{2}S} já está bem acima do seu ponto de ebulição (gás).
  • Em palavras simples: as fortes ligações de hidrogênio em \mathrm{H_{2}O} seguram as moléculas juntas formando um líquido; a ausência dessas ligações em \mathrm{H_{2}S} 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 \mathrm{H_{2}S}; 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 \mathrm{H_{2}S} tenha dispersões relativamente maiores que a de \mathrm{H_{2}O} 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, \mathrm{NH_{3}} 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: \mathrm{H_{2}O} forma extensa rede de ligações de hidrogênio → líquido em CNTP; \mathrm{H_{2}S} não forma ligações de hidrogênio significativas → gás em CNTP.

Resposta

Porque \mathrm{H_{2}O} 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 \mathrm{H_{2}S} 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.

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