Questão 7. Considere os seguintes líquidos moleculares puros a 25^{\circ} \mathrm{C} :
hexano ( \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{14} ), etanol ( \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{5} \mathrm{OH} ), água ( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} ) e glicerol ( \mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8} \mathrm{O}_{3} )
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 25^\circ\mathrm{C}:
  • hexano: \mathrm{C_6H_{14}},
  • etanol: \mathrm{C_2H_5OH},
  • água: \mathrm{H_2O},
  • glicerol: \mathrm{C_3H_8O_3}.
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.

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 \gamma, 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 \gamma.
  • 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):
  1. 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.
  2. dipolo–dipolo (e dipolo induzido)
    • Em moléculas polares, há uma atração adicional entre pólos parciais positivos e negativos.
  3. ligação de hidrogênio (H‑bond)
    • Caso especial e forte de interação entre um H ligado a O, N ou F 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.
  • Regra prática para tensão superficial: líquidos que formam ligações de hidrogênio fortes e numerosas tendem a ter \gamma grande; líquidos apolares e com apenas forças de London tendem a ter \gamma pequena.

Passo 4

Análise estrutural e forças para cada substância (vai ser o coração da explicação — passo a passo).
  • Hexano, \mathrm{C_6H_{14}}:
    • Estrutura: cadeia hidrocarbônica não polar, sem átomos muito eletronegativos ligados a H.
    • Forças predominantes: somente forças de London (dispersion).
    • Consequência: coesão fraca entre moléculas — baixa tensão superficial.
  • Etanol, \mathrm{C_2H_5OH}:
    • Estrutura: grupo etila apolar ligado a um grupo hidroxila -\mathrm{OH}.
    • Forças: além das forças de London (pela porção apolar), há polaridade e \emph{ligação de hidrogênio} porque existe O\!-\!H. 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.
  • Água, \mathrm{H_2O}:
    • Estrutura: molécula pequena e muito polar; cada molécula tem dois H ligados a O e dois pares de elétrons livres no O.
    • 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.
  • Glicerol, \mathrm{C_3H_8O_3}:
    • Estrutura: molécula mais pesada e volumosa que a água; possui três grupos -\mathrm{OH}, 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 -\mathrm{OH} contribuem da mesma forma para a coesão superficial.
    • Consequência: glicerol tem tensão superficial alta (por causa dos muitos -\mathrm{OH}), mas, contra‑intuitivamente, tipicamente fica um pouco abaixo da da água.

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 -\mathrm{OH} por molécula e cadeia apolar relativamente importante — força intermédia;
    • glicerol: múltiplos -\mathrm{OH} → 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 \gamma é: \gamma(\text{hexano}) < \gamma(\text{etanol}) < \gamma(\text{glicerol}) \lesssim \gamma(\text{água}).áNa prática, à 25^\circ\mathrm{C} valores aproximados (apenas para referência, não necessários para a prova) são da ordem de:
    • hexano: \sim 18{,}–19\\ \mathrm{mN\,m^{-1}},
    • etanol: \sim 22\\ \mathrm{mN\,m^{-1}},
    • glicerol: \sim 60{,}–65\\ \mathrm{mN\,m^{-1}},
    • água: \sim 72\\ \mathrm{mN\,m^{-1}}.
      Esses números confirmam a ordem acima e mostram porque, apesar de muitos -\mathrm{OH}, o glicerol fica abaixo d’água.

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 \gamma); se é polar com um -\mathrm{OH} isolado (H‑bond moderado → \gamma moderada); se tem rede intensa de H‑bond e é pequena (como água → \gamma muito alta); se tem vários -\mathrm{OH} mas é volumosa (glicerol → \gamma 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 \gamma depende da coesão entre moléculas na superfície: hexano é apolar (apenas forças de London) e tem coesão fraca; etanol é polar com um -\mathrm{OH} e faz H‑bond moderado; glicerol tem vários -\mathrm{OH} 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 \gamma.
(b) Ordem crescente de tensão superficial:
hexano < etanol < glicerol < água

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