Questão 7. Considere os seguintes líquidos moleculares puros a
:
hexano (
), etanol (
), água (
) e glicerol (
)
Sabendo que a intensidade das interações intermoleculares influencia propriedades macroscópicas dos líquidos, responda:
a) Explique, com base na estrutura molecular e nas forças intermoleculares, por que esses líquidos apresentam valores diferentes de tensão superficial.
b) Organize os líquidos em ordem crescente de tensão superficial.
hexano (
Sabendo que a intensidade das interações intermoleculares influencia propriedades macroscópicas dos líquidos, responda:
a) Explique, com base na estrutura molecular e nas forças intermoleculares, por que esses líquidos apresentam valores diferentes de tensão superficial.
b) Organize os líquidos em ordem crescente de tensão superficial.
Passo 1
O enunciado nos dá quatro líquidos puros à
:
- hexano:
, - etanol:
, - água:
, - glicerol:
.
Pede duas coisas:
(a) explicar, com base na estrutura molecular e nas forças intermoleculares, por que esses líquidos apresentam valores diferentes de tensão superficial;
(b) ordenar os quatro líquidos em ordem crescente de tensão superficial.
(a) explicar, com base na estrutura molecular e nas forças intermoleculares, por que esses líquidos apresentam valores diferentes de tensão superficial;
(b) ordenar os quatro líquidos em ordem crescente de tensão superficial.
Passo 2
O que é tensão superficial e por que ela depende das forças intermoleculares (aula rápida e prática).
- Definição física: a tensão superficial, geralmente denotada por
, é a energia por unidade de área necessária para criar uma nova superfície, ou equivalentemente, a força por unidade de comprimento que age na superfície. Em palavras simples, é “quanto o líquido resiste a aumentar a sua área superficial”. - Causa microscópica: moléculas no interior do líquido estão cercadas por vizinhos e as forças intermoleculares se equilibram. Moléculas na superfície têm vizinhança incompleta e sofrem uma resultante de forças que tende a puxá‑las para dentro do líquido. Quanto mais fortes e numerosas forem as interações intermoleculares entre moléculas, maior será a energia associada a essa descontinuidade na superfície e maior será
. - Conclusão prática: para comparar tensões superficiais, comparar a força de coesão entre moléculas do líquido e também quantas interações eficazes cada molécula pode estabelecer por unidade de área na superfície.
Passo 3
Principais tipos de forças intermoleculares relevantes aqui (explicação simples e com exemplos):
- forças de London (dispersion forces)
- São forças induzidas por flutuações temporárias de carga; existem em todas as moléculas.
- Aumentam com a massa molecular e com a superfície de contato: moléculas grandes e apolares têm dispersões relativamente fortes.
- dipolo–dipolo (e dipolo induzido)
- Em moléculas polares, há uma atração adicional entre pólos parciais positivos e negativos.
- ligação de hidrogênio (H‑bond)
- Caso especial e forte de interação entre um H ligado a
, ou e um átomo eletronegativo com par de elétrons. - É bem mais forte que uma simples dipolo–dipolo e muito superior às forças de London entre moléculas de massa similar.
- Caso especial e forte de interação entre um H ligado a
- Regra prática para tensão superficial: líquidos que formam ligações de hidrogênio fortes e numerosas tendem a ter
grande; líquidos apolares e com apenas forças de London tendem a ter pequena.
Passo 4
Análise estrutural e forças para cada substância (vai ser o coração da explicação — passo a passo).
- Hexano,
: - Estrutura: cadeia hidrocarbônica não polar, sem átomos muito eletronegativos ligados a
. - Forças predominantes: somente forças de London (dispersion).
- Consequência: coesão fraca entre moléculas — baixa tensão superficial.
- Estrutura: cadeia hidrocarbônica não polar, sem átomos muito eletronegativos ligados a
- Etanol,
: - Estrutura: grupo etila apolar ligado a um grupo hidroxila
. - Forças: além das forças de London (pela porção apolar), há polaridade e \emph{ligação de hidrogênio} porque existe
. Cada molécula pode doar e aceitar ao menos uma H‑bond. - Consequência: coesão maior que no hexano → tensão superficial maior que a do hexano, mas menor que de líquidos com redes extensas de H‑bond.
- Estrutura: grupo etila apolar ligado a um grupo hidroxila
- Água,
: - Estrutura: molécula pequena e muito polar; cada molécula tem dois H ligados a
e dois pares de elétrons livres no . - Forças: forte rede de ligações de hidrogênio muito coordenada. Em média, cada molécula pode formar até cerca de quatro H‑bonds (duas como doadora, duas como aceitadora) na rede líquida.
- Consequência: coesão por unidade de volume/área muito grande — tensão superficial muito alta.
- Estrutura: molécula pequena e muito polar; cada molécula tem dois H ligados a
- Glicerol,
: - Estrutura: molécula mais pesada e volumosa que a água; possui três grupos
, então teoricamente pode formar muitas H‑bonds por molécula. - Forças: fortes H‑bonds entre moléculas (muitos sítios OH) e também forças de London mais fortes pela maior massa.
- No entanto: por ser molécula maior e flexível, a densidade de moléculas (e a geometria de arranjo na superfície) faz com que, por unidade de área de superfície, não se consiga uma rede tão “compacta e rígida” como a da água. Além disso, glicerol é muito viscoso — as macromoléculas orientam‑se de forma que nem todos os grupos
contribuem da mesma forma para a coesão superficial. - Consequência: glicerol tem tensão superficial alta (por causa dos muitos
), mas, contra‑intuitivamente, tipicamente fica um pouco abaixo da da água.
- Estrutura: molécula mais pesada e volumosa que a água; possui três grupos
Passo 5
Comparando quantitativamente (intuição numérica sem cálculo complicado)
- Ordem de força intermolecular média esperada:
- hexano: apenas London — mais fraca;
- etanol: H‑bond mas apenas um grupo
por molécula e cadeia apolar relativamente importante — força intermédia; - glicerol: múltiplos
→ H‑bonds fortes, porém a maior massa e geometria diminuem a densidade efetiva de H‑bond por área de superfície comparada à água; - água: rede H‑bond muito eficiente por ser uma molécula pequena e altamente polar → máxima coesão por área superficial.
- Portanto a tendência esperada para a tensão superficial
é: Na prática, à valores aproximados (apenas para referência, não necessários para a prova) são da ordem de: - hexano:
, - etanol:
, - glicerol:
, - água:
.
Esses números confirmam a ordem acima e mostram porque, apesar de muitos, o glicerol fica abaixo d’água.
- hexano:
Passo 6
Resposta‑resumo didática para a prova (fórmula mental rápida)
- Para decidir rápido numa questão de prova: verificar se a molécula é apolar (forças de London → baixa
); se é polar com um isolado (H‑bond moderado → moderada); se tem rede intensa de H‑bond e é pequena (como água → muito alta); se tem vários mas é volumosa (glicerol → alta, porém geralmente menor que água). - dica de frase curta para memorizar: “apolar < álcool simples < polialcool grande < água” (lembrando que água muitas vezes é a maior).
Resposta
(a) Porque a tensão superficial
depende da coesão entre moléculas na superfície: hexano é apolar (apenas forças de London) e tem coesão fraca; etanol é polar com um
e faz H‑bond moderado; glicerol tem vários
e fortes H‑bonds, mas é volumoso e forma uma rede menos compacta por unidade de área; água é pequena e forma uma rede de H‑bond muito eficiente, resultando na maior coesão e, portanto, maior
.
(b) Ordem crescente de tensão superficial:
hexano etanol
glicerol
água
(b) Ordem crescente de tensão superficial:
hexano