Questão 5: Considerando os compostos 1-bromo-2-clorobenzeno e o 1-bromo-4-clorobenzeno, qual apresenta maior ponto de ebulição normal e o que justifica a diferença nos valores de ponto de ebulição? Represente as duas estruturas em questão.
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Indicar qual dos dois compostos apresenta maior ponto de ebulição normal: 1-bromo-2-clorobenzeno (orto) e 1-bromo-4-clorobenzeno (para).
- Justificar por que há diferença nos valores de ponto de ebulição.
- Representar as duas estruturas em questão.
Informações dadas (explicitadas a partir do enunciado):
- Dois isômeros do bromoclorobenzeno, que têm a mesma fórmula molecular e massa molar, diferindo apenas pela posição relativa dos substituintes Br e Cl no anel benzênico:
- 1-bromo-2-clorobenzeno (orto: substituintes em carbonos adjacentes, posições 1 e 2).
- 1-bromo-4-clorobenzeno (para: substituintes em posições opostas, 1 e 4).
Passo 2
Representação das estruturas (duas formas para ficar claro: descrição posicional e SMILES):
- 1-bromo-2-clorobenzeno (orto): substituinte Br na posição 1 e Cl na posição 2 do anel benzênico. SMILES: Brc1cc(Cl)ccc1. Descrição:
Br) em C-1 e Cl) em C-2 (carbono adjacente). - 1-bromo-4-clorobenzeno (para): substituinte Br na posição 1 e Cl na posição 4 (opostos no anel). SMILES: Brc1ccc(Cl)cc1. Descrição:
Br) em C-1 e Cl) em C-4 (180º de separação angular no anel).
(As notações SMILES acima permitem identificar univocamente as estruturas; as descrições posicionalmente mostram onde Br e Cl estão no anel.)
Passo 3
Princípios físico-químicos relevantes para o ponto de ebulição (aula prática rápida e necessária):
- Ponto de ebulição depende da intensidade das forças intermoleculares que mantêm as moléculas no estado líquido. Quanto maiores essas forças, mais energia (temperatura) é necessária para evaporar o líquido.
- Para halobenzenos e compostos orgânicos neutros, as contribuições principais são:
- Forças de London (dispersion): presentes em todas moléculas; aumentam com massa e polarizabilidade. Aqui os dois isômeros têm mesma massa e polarizabilidade muito semelhante.
- Forças dipolo–dipolo (intermoleculares orientadas): aparecem se a molécula tem momento dipolar líquido (dipolo molecular). Moléculas com maior momento dipolar interagem mais fortemente e tendem a ter maior ponto de ebulição.
- Interações específicas (ex.: ligação de hidrogênio) — não aplicáveis aqui (não há H—bond donors/acceptors fortes).
- Conclusão preliminar didática: como massa é igual, a diferença de ponto de ebulição entre orto e para geralmente vem da diferença no momento dipolar resultante (geometria dos substituintes) e da forma como as moléculas se acomodam (orientação/contato superficial).
Passo 4
Como avaliar o momento dipolar resultante em cada isômero (vetores de dipolo e razão geométrica):
- Cada ligação C–Br e C–Cl tem um dipolo localizado aproximadamente ao longo da ligação C–X. Denotar o módulo dos dipolos por
e . O momento dipolar total da molécula é a soma vetorial desses dipolos (os dipolos ligados ao anel se somam com ângulos determinados pela posição relativa no anel). - Fórmula geral da soma vetorial de dois dipolos com ângulo
entre eles:
onde
é o momento dipolar resultante (módulo),
e
são os módulos dos dipolos das ligações C–Br e C–Cl, e
é o ângulo entre esses vetores (medido no centro do anel, equivalente ao ângulo entre as direções das ligações).
- Valores de
para o anel benzênico: - orto (posições 1 e 2):
(adjacente no anel). - para (posições 1 e 4):
(opostos).
- orto (posições 1 e 2):
- Aplicando a fórmula aos casos:
- Para o orto (
, ):
- Para o para (
, ):
- Para o orto (
- Comparação matemática simples (mostra de forma didática que o orto tem maior momento dipolar):
Como e , tem-se , logo e portanto . - Interpretação didática: o resultado mostra que, independentemente dos valores absolutos de
e (desde que positivos), a soma vetorial no caso orto dá um dipolo molecular líquido maior do que no caso para, onde os dipolos se opõem quase diretamente e se cancelam parcialmente.
Passo 5
Ligando momento dipolar ao ponto de ebulição (aplicação prática para a prova):
- Moléculas com maior
interagem mais fortemente por dipolo–dipolo orientado; isso exige mais energia térmica para evaporá-las → ponto de ebulição mais alto. - Como os dois isômeros têm mesma massa e polarizabilidade muito parecida, a diferença de ponto de ebulição é dominada pela diferença do momento dipolar resultante e pela geometria (orientação que permite maior interação intermolecular eficaz no estado líquido).
- Portanto, o isômero orto (1-bromo-2-clorobenzeno) possui maior momento dipolar que o para, e assim terá forças intermoleculares dipolo–dipolo mais fortes, levando a um ponto de ebulição normal mais elevado.
Passo 6
Observações adicionais e reforço didático (o que mais pode aparecer na prova):
- Não confundir com ponto de fusão: empacotamento cristalino e simetria influenciam muito o ponto de fusão (o para costuma cristalizar melhor e ter ponto de fusão mais alto em alguns casos), mas para o ponto de ebulição a contribuição do momento dipolar e das forças intermoleculares no líquido é geralmente mais decisiva.
- Em exercícios que peçam justificativa, explique em duas linhas: (i) mesma massa → descartar diferenças por massa; (ii) geometria diferente → soma vetorial dos dipolos dá maior dipolo molecular no orto → maior interação dipolo–dipolo → maior ponto de ebulição.
- Se pedirem estimativa numérica de momentos, use a fórmula vectorial apresentada. Se pedirem apenas qualitativa, a argumentação vetorial e a comparação das forças intermoleculares bastam.
Resposta
1-bromo-2-clorobenzeno (orto) — maior ponto de ebulição.
Justificativa: no isômero orto os dipolos das ligações C–Br e C–Cl somam-se mais (ângulo de ), produzindo um momento dipolar molecular resultante maior do que no isômero para (ângulo
, com cancelamento parcial), o que gera interações dipolo–dipolo mais fortes e, portanto, maior ponto de ebulição.
Estruturas (descrição posicional e SMILES):
Justificativa: no isômero orto os dipolos das ligações C–Br e C–Cl somam-se mais (ângulo de
Estruturas (descrição posicional e SMILES):
- 1-bromo-2-clorobenzeno (orto): Br em C-1 e Cl em C-2 — SMILES: Brc1cc(Cl)ccc1
- 1-bromo-4-clorobenzeno (para): Br em C-1 e Cl em C-4 — SMILES: Brc1ccc(Cl)cc1