5- ( 1,0 ponto) O ponto de fusão do fluoreto de sódio é maior que o ponto de fusão do cloreto de sódio, enquanto que o ponto de fusão do tetrafluoreto de carbono é menor que do tetracloreto de carbono. Explique estas observações.
Passo 1
O enunciado dá duas observações e pede que eu explique por que elas ocorrem. As observações são:
- O ponto de fusão do fluoreto de sódio é maior que o ponto de fusão do cloreto de sódio.
- O ponto de fusão do tetrafluoreto de carbono é menor que o ponto de fusão do tetracloreto de carbono.
Informações relevantes implícitas no enunciado:
-
e são compostos iônicos formados por cátions e ânions ou . -
e são moléculas covalentes discretas (moléculas neutras) que se organizam em fase sólida por forças intermoleculares.
A partir disso, preciso explicar, passo a passo e didaticamente, por que essas diferenças de ponto de fusão acontecem.
Passo 2
Entendendo o que determina o ponto de fusão (ideia física básica).
O ponto de fusão é a temperatura na qual a energia térmica fornecida é suficiente para vencer as interações que mantêm a estrutura sólida ordenada. Então:
O ponto de fusão é a temperatura na qual a energia térmica fornecida é suficiente para vencer as interações que mantêm a estrutura sólida ordenada. Então:
- Para um sólido iônico, o que precisa ser vencido são as fortes atrações eletrostáticas entre íons de cargas opostas.
- Para um sólido molecular (como
ou ), o que precisa ser vencido são as forças intermoleculares (forças de Van der Waals, dipolo-dipolo se houver, ligações de hidrogênio se houver, etc.).
Conclusão operacional: para comparar pontos de fusão, primeiro identifico que tipo de interação mantém cada sólido e depois comparo a intensidade dessas interações.
Passo 3
Conceito chave para sólidos iônicos: energia reticular (lattice energy).
- A energia reticular é a energia associada à formação do cristal iônico a partir dos íons isolados no gás; mede a força das atrações iônicas no sólido.
- Uma forma simples de ver essa dependência é pela versão qualitativa da lei de Coulomb: a energia (módulo) da interação entre cargas puntiformes é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional à distância entre elas. Em símbolos:
onde
e
são as magnitudes das cargas (em unidades elementares) e
é a distância entre centros iônicos.
- Em compostos iônicos com mesmas cargas (ex.:
e ânions monovalentes), a diferença de vem principalmente de diferenças em : íons menores permitem distâncias menores entre centros e, portanto, interações mais fortes (maior ).
Passo 4
Aplicando isso a
versus
.
- Ambos têm o mesmo cátion
com carga e ânions com carga . Logo, é igual nos dois casos. - A diferença é o tamanho do ânion:
é significativamente menor que . Isso reduz a distância interiônica média em comparado a . - Pela relação anterior, reduzir
aumenta a energia reticular , ou seja, as atrações iônicas em são mais fortes do que em . - Consequência prática: é preciso mais energia térmica para separar os íons em
→ ponto de fusão maior em que em .
Dica de prova (curta): quando as cargas são iguais, compare raios iônicos; menor raio → maior energia reticular → maior ponto de fusão.
Passo 5
Conceito chave para sólidos moleculares: forças intermoleculares e polarizabilidade.
- Moléculas neutras são mantidas no sólido por forças intermoleculares; as mais importantes aqui são as forças de dispersão de London (forças de Van der Waals), presentes em todas as moléculas.
- Forças de dispersão vêm de flutuações temporárias na distribuição eletrônica que induzem dipolos instantâneos; a intensidade dessas forças cresce com a polarizabilidade da molécula.
- Polarizabilidade é “a facilidade com que a nuvem eletrônica de uma molécula/átomo pode ser distorcida”. Fatores que aumentam polarizabilidade: maior número de elétrons, maior volume eletrônico (átomos maiores e mais pesados são mais polarisáveis).
- Em termos práticos: moléculas maiores e com mais elétrons têm forças de dispersão mais fortes e, portanto, pontos de fusão/ebulição mais altos (quando os outros tipos de interação são semelhantes ou ausentes).
Passo 6
Aplicando isso a
versus
.
- Ambas são moléculas tetraédricas, apolares, sem ligações de hidrogênio e sem dipolo permanente significativo. Logo, a interação dominante no sólido é a força de dispersão de London.
-
tem átomos de cloro maiores e mais elétrons do que (cloro é mais pesado e mais polarizável que flúor). Consequência: tem dispersões muito mais fortes do que . - Portanto, é preciso mais energia térmica para separar as moléculas de
do que as de → ponto de fusão de é maior; em outras palavras, funde a temperaturas muito mais baixas.
Passo 7
Exemplos numéricos (apenas para intuição; não exigidos na prova, mas ajudam a fixar a ideia):
- Pontos de fusão aproximados (valores experimentais) mostram a diferença grande:
Esses números ilustram bem os efeitos: forte ligação iônica em sólidos iônicos e aumento de forças de dispersão com massa/polarizabilidade em sólidos moleculares.
Passo 8
Resumo conceitual final (para guardar na cabeça tipo “fórmula mental”):
- Para sais iônicos com mesmas cargas, o fator decisivo é o tamanho dos íons: menor ânion → distância interiônica menor → energia reticular maior → ponto de fusão maior.
- Para moléculas neutras apolares, o fator decisivo são as forças de dispersão: maior massa/mais elétrons → maior polarizabilidade → forças de dispersão mais fortes → ponto de fusão maior.
Resposta
O ponto de fusão de
é maior que o de
porque ambos são sais iônicos com cargas iguais, e
é menor que
; isso reduz a distância interiônica em
, aumentando a energia reticular (atração iônica) e, portanto, o ponto de fusão.
O ponto de fusão de é menor que o de
porque ambos são moléculas apolares e a interação que as mantém no sólido são as forças de dispersão de London;
é mais massivo e mais polarizável (mais elétrons) que
, logo tem forças de dispersão mais fortes e ponto de fusão maior.
O ponto de fusão de