Questão 6. Determine quais interações moleculares estão presentes e categorize com relação a força entre as misturas:
a. \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}, Acetona

Passo 1

O enunciado pede: determinar quais interações moleculares estão presentes na mistura entre \mathrm{H_2O} e acetona (acetona escrita como \mathrm{(CH_3)_2CO} ou \mathrm{CH_3COCH_3}) e categorizar essas interações em relação à força (ou seja, dizer quais são mais fortes e quais são mais fracas).
Informações relevantes dadas ou conhecidas (sem resolver ainda):
  • A água é \mathrm{H_2O}. Tem ligações \mathrm{O-H}, é muito polar e atua tanto como doadora quanto como aceitadora de ligações de hidrogênio.
  • A acetona é \mathrm{(CH_3)_2CO}. Tem um grupo carbonila \mathrm{C=O} com oxigênio com pares eletrônicos não ligados; não tem H ligado a O, N ou F (logo, não é doadora de ligação de hidrogênio), mas é polar e pode aceitar ligações de hidrogênio no oxigénio da carbonila.
  • O que se pede: listar todas as interações relevantes (entre água-água, acetona-acetona e água-acetona) e ordenar/qualificar por força.

Passo 2

Conceitos essenciais (aula rápida, bem mastigada):
  • Definição de ligação de hidrogênio: uma interação entre um hidrogênio parcialmente positivo ligado a um átomo muito eletronegativo ( \mathrm{O-H}, \mathrm{N-H} ou \mathrm{F-H}) e um par eletrônico não ligado em outro átomo eletronegativo (por exemplo o oxigênio de uma carbonila). A ligação de hidrogênio é relativamente forte entre as interações intermoleculares; tipicamente tem ordens de grandeza de energia de ligação aproximadas entre \sim 10\\ \mathrm{kJ/mol} e \sim 40\\ \mathrm{kJ/mol} (varia muito conforme o caso).
  • Dipolo–dipolo: interação eletrostática entre moléculas polares que têm momentos dipolares permanentes; é mais fraca que ligações de hidrogênio típicas, frequentemente algumas \mathrm{kJ/mol}.
  • Forças de London (forças de dispersão): interações induzidas por flutuações instantâneas de carga; existem entre todas as moléculas, mais importantes em moléculas grandes e facilmente polarizáveis; geralmente são as mais fracas quando comparadas com ligações de hidrogênio e dipolo–dipolo para moléculas pequenas.
  • Como identificar no enunciado: procurar hidrogênios ligados a O, N ou F (doadores), procurar átomos com pares de elétrons livres (aceptores), e verificar se as moléculas têm momento dipolar (são polares) para dipolo–dipolo.

Passo 3

Aplicando os conceitos aos protagonistas:
  • Interações entre \mathrm{H_2O} e \mathrm{H_2O} (água–água):
    • Presença de ligação de hidrogênio forte porque cada água tem \mathrm{O-H} (doadores) e pares livres no oxigênio (aceptores). Além disso há dipolo–dipolo e forças de dispersão, mas a característica dominante é a rede extensa de ligações de hidrogênio.
  • Interações entre acetona e acetona ( \mathrm{(CH_3)_2CO} \mathrm{(CH_3)_2CO}):
    • Não há hidrogênio ligado a O, N ou F na acetona, então não há doação de ligação de hidrogênio entre duas acetona. Há, porém, dipolo–dipolo (o grupo carbonila é polar) e forças de dispersão devido aos grupos metila. Logo, acetona–acetona = dipolo–dipolo + dispersão.
  • Interações entre \mathrm{H_2O} e acetona (mistura):
    • A água pode doar \mathrm{H} em \mathrm{O-H} para o oxigênio da carbonila da acetona, que tem pares eletrônicos. Portanto existe ligação de hidrogênio do tipo água (doadora) → acetona (aceitadora).
    • Além disso haverá dipolo–dipolo (a acetona é polar e a água é polar) e forças de dispersão.
Observação pedagógica: para saber se há ligação de hidrogênio entre duas espécies, basta verificar se uma delas tem \mathrm{H} ligado a \mathrm{O,N,F} (possível doador) e a outra tem um átomo eletronegativo com par de elétrons não ligado (possível aceitador). Aqui isso ocorre: \mathrm{H_2O} (doa) → oxigênio da \mathrm{C=O} da acetona (aceita).

Passo 4

Comparação qualitativa das forças (ordem de força e justificativa):
  • Forças mais fortes: ligações de hidrogênio envolvendo água. Há duas situações a comparar: água–água e água–acetona.
    • \mathrm{H_2O\!-\!H_2O}: ligações de hidrogênio muito fortes e uma rede extensa (cada molécula pode formar até 4 ligações de hidrogênio em arranjos sólidos/liquidos ideais), o que dá coesão alta à água.
    • \mathrm{H_2O\!-\!acetona}: também há ligação de hidrogênio (a água doa, a acetona aceita), porém geralmente essa ligação é menos forte do que a média água–água porque a acetona não doa H e a geometria / polarização do par \mathrm{O} da carbonila e do \mathrm{O-H} da água não favorece uma rede tão cooperativa quanto entre águas. Em resumo: ligações H água–agua costumam ser mais fortes e mais cooperativas que H água–acetona, embora ambas sejam significativas.
  • Forças intermediárias/mais fracas: dipolo–dipolo entre moléculas polares sem ligação de hidrogênio. Ex.: acetona–acetona (interação dipolo–dipolo entre carbonilas).
  • Forças mais fracas: forças de London (dispersão), presentes em todas as moléculas; para moléculas pequenas como água e acetona, a contribuição é menor comparada às interações polares/H-bond.
Portanto a ordenação qualitativa por intensidade típica (da mais forte para a mais fraca) é:
\text{água–água (H-bond)} \;>\; \text{água–acetona (H-bond, geralmente mais fraca)} \;>\; \text{acetona–acetona (dipolo–dipolo)} \;>\; \text{London (dispersion)}ááá

Passo 5

Consequências práticas e dicas para a prova (resumão amigável):
  • Misturabilidade: por haver ligação de hidrogênio água→acetona e por ambas serem polares, \mathrm{H_2O} e acetona são totalmente miscíveis em todas as proporções — dica útil para perguntas sobre solubilidade.
  • Como identificar rápido em prova: se aparecer \mathrm{O-H}, \mathrm{N-H} ou \mathrm{F-H} numa das espécies e a outra tiver \mathrm{O}, \mathrm{N} ou \mathrm{F} com pares não ligados, anote “H-bond possível”. Se não houver H ligado a \mathrm{O,N,F} mas houver moléculas polares, espere dipolo–dipolo. Sempre escreva também “forças de dispersão” porque elas existem sempre.
  • Lembre-se: “presença de H-bond” normalmente domina o comportamento físico (ponto de ebulição, solubilidade), então priorize isso na resposta.

Resposta

Interações presentes: \mathrm{H_2O\!-\!H_2O}: ligação de hidrogênio (forte) + dipolo–dipolo + dispersão.
Interações presentes: \mathrm{(CH_3)_2CO\!-\!(CH_3)_2CO}: dipolo–dipolo + dispersão.
Interações presentes: \mathrm{H_2O\!-\!(CH_3)_2CO}: ligação de hidrogênio (água doa H, acetona aceita no O da carbonila) + dipolo–dipolo + dispersão.
Ordem qualitativa de força (da mais forte para a mais fraca):
\text{água–água (H-bond)} \;>\; \text{água–acetona (H-bond, geralmente mais fraca)} \;>\; \text{acetona–acetona (dipolo–dipolo)} \;>\; \text{London (dispersion)}ááá

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