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

Passo 1

O enunciado pede que eu determine quais interações moleculares estão presentes na mistura entre \mathrm{H_2O} e pentanol e que eu as categorize com relação à força. As informações dadas (peguei do enunciado) são:
  • Uma das substâncias é \mathrm{H_2O}.
  • A outra substância é pentanol, que pode ser representado por \mathrm{CH_3(CH_2)_4OH} (ou \mathrm{C_5H_{11}OH}).
    O que se pede, portanto:
  • Listar todas as interações intermoleculares possíveis entre as moléculas (entre pares do mesmo tipo e entre as diferentes).
  • Comparar/ordenar essas interações segundo a intensidade (força) relativa.

Passo 2

Vou descrever rapidamente as características estruturais relevantes de cada molécula (isso é dado implicitamente pelos nomes moleculares):
  • \mathrm{H_2O}: molécula pequena, muito polar, cada molécula tem um átomo de hidrogênio ligado a oxigênio e dois pares isolados no oxigênio. Isso permite formação de ligações de hidrogênio fortes entre moléculas de água.
  • Pentanol ( \mathrm{CH_3(CH_2)_4OH}): molécula com uma extremidade polar ( -\mathrm{OH}) e uma longa cadeia apolar ( -\mathrm{CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3}). A presença do grupo -\mathrm{OH} permite que pentanol forme ligações de hidrogênio; a cadeia alquílica confere grande superfície polarizável (boas forças de dispersão).

Passo 3

Vou listar os tipos básicos de interações intermoleculares que devemos considerar e explicar cada uma de forma didática:
  • Ligações de hidrogênio (H-bond): ocorrem quando há um hidrogénio covalentemente ligado a um átomo muito eletronegativo (no nosso caso, \mathrm{O}) e esse hidrogénio interage com um par de elétrons não ligantes em outro átomo eletronegativo ( \mathrm{O}, \mathrm{N} ou \mathrm{F}). É uma interação direcional e relativamente forte entre forças intermoleculares.
  • Dipolo–dipolo: interação entre regiões positivas e negativas permanentes de moléculas polares. Menos forte que H-bond, mas mais forte que dispersão em moléculas de tamanho semelhante.
  • Forças de dispersão de London (van der Waals dispersão): surgem de flutuações momentâneas na distribuição eletrônica; estão sempre presentes e aumentam com o tamanho/polarizabilidade da molécula (cadeias mais longas → dispersão mais forte).
  • Efeito hidrofóbico (entropia/associação de cadeias apolares): não é uma “força” direta como as anteriores, mas é um efeito termodinâmico relevante quando há cadeias apolares (as cadeias alquílicas do pentanol tendem a agrupar-se em água por razões entropicas/energéticas).

Passo 4

Análise das interações entre duas moléculas de \mathrm{H_2O} (par iguais):
  • Presença de H-bond: sim — cada molécula pode doar dois H (atributos de H ligados a O) e aceitar pares no oxigénio, formando uma rede extensa de H-bonds. Essas H-bonds entre águas são fortes devido à alta polaridade e ao pequeno tamanho da molécula (bondes curtos e direcionais).
  • Dipolo–dipolo: presente como parte da interação global (a H-bond é um caso especial forte).
  • Dispersão: presente, mas relativamente fraca comparada às H-bonds na água.
    Conclusão: em \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O} a interação dominante e mais forte é a ligação de hidrogênio.

Passo 5

Análise das interações entre duas moléculas de pentanol ( \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}):
  • Presença de H-bond: sim — cada pentanol tem um -\mathrm{OH} que pode doar e aceitar H-bonds, então pentanóis vizinhos podem formar H-bonds. Porém, esses H-bonds são tipicamente menos fortes do que os de \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O} por dois motivos: o oxigénio do pentanol está ligado a um grupo maior e menos polarizante, e a cadeia alquílica gera espaçamento/estericidade que enfraquece e dificulta uma rede tão compacta quanto a da água.
  • Dipolo–dipolo: presente entre as partes polares -\mathrm{OH}.
  • Dispersão: forte — cadeias alquílicas longas são bastante polarizáveis, então as forças de dispersão entre as cadeias de pentanol são significativas e contribuem fortemente para a interação total entre pentanóis.
    Conclusão: em \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH} há H-bonds (moderados) e forças de dispersão fortes; a contribuição relativa de dispersão aumenta por causa da cadeia apolar longa.

Passo 6

Análise das interações cruzadas entre \mathrm{H_2O} e pentanol ( \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}):
  • Presença de H-bond: sim — o hidrogênio do grupo -\mathrm{OH} do pentanol pode fazer H-bond com o oxigénio da água, e o hidrogênio da água pode fazer H-bond com o oxigénio do pentanol. Então formam-se H-bonds entre as duas espécies.
  • Dipolo–dipolo: presente entre as regiões polares ( \mathrm{O} e as cargas parciais).
  • Dispersão: presente entre as partes apolares do pentanol e a nuvem eletrônica da água (mais fraca que entre duas cadeias alquílicas grandes, mas existe).
  • Observação prática (efeito hidrofóbico): as cadeias apolares do pentanol tendem a evitar a água, o que penaliza a solubilidade completa; porém, o grupo -\mathrm{OH} do pentanol permite formação de H-bonds com água, favorecendo miscibilidade parcial/boa solubilidade comparada a álcoois de cadeia mais longa.
    Força relativa das H-bonds cruzadas: as H-bonds \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH} são fortes e comparáveis às H-bonds água–água, mas frequentemente ligeiramente mais fracas que \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O} porque a geometria e polaridade na vizinhança do oxigénio do pentanol é um pouco menos favorável do que na água (água pode formar rede mais densa).

Passo 7

Comparação final e categorização por força (explicando a lógica):
  • Hierarquia geral de tipos de interação (para este sistema), da mais forte para a mais fraca:
    1. Ligações de hidrogênio (H-bond) — mais fortes entre espécies capazes de doar/aceitar H em O/N/F.
    2. Dipolo–dipolo (para regiões polares que não formam H-bond tão forte).
    3. Forças de dispersão de London — sempre presentes, tornam-se relativamente maiores para moléculas maiores/polarizáveis (cadeias alquílicas longas).
  • Aplicando isso aos pares específicos:
    • \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O}: H-bond muito forte (rede densa) — interação de referência, entre as mais fortes aqui.
    • \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}: H-bond forte — quase tão forte quanto \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O}, mas geralmente um pouco mais fraca por causa de efeitos estéricos e menor polaridade local no pentanol.
    • \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}: combinação de H-bond (moderado) + dispersão (forte). No total, a atração entre dois pentanóis pode ser significativa devido à dispersão, mas as H-bonds entre pentanóis são tipicamente menos intensas e menos numerosas que entre águas.
      Resumo em ordem aproximada de força das interações dominantes (do mais forte ao menos forte), comparando pares:
\text{(H-bond) }\mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O} \gtrsim \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH} > \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH \\ (H\text{-}bond)}
e
\text{(dispersão) }\mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH\\ (dispersão)} > \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O\\ (dispersão)}.ããã
Ou seja: para interações polares/H-bond a água–água e água–pentanol são as mais fortes; para dispersão a interação entre pentanóis é a mais importante.

Passo 8

Comentário final prático e motivacional (rápido): portanto, ao responder a uma questão na prova, escreva de forma clara quais tipos de interação existem (H-bond, dipolo–dipolo, dispersão) e depois compare pares específicos ( \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O}, \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}, \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}), explicando por que uma H-bond entre duas águas costuma ser ligeiramente mais forte que uma H-bond água–pentanol e porque as dispersões são maiores entre pentanóis. Vai dar certo — descrevendo as interações e justificando a ordem, já ganha pontos!

Resposta

Interações presentes: ligações de hidrogênio ( \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O}, \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}, \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH}); dipolo–dipolo entre partes polares; forças de dispersão de London (presentes em todos, particularmente fortes entre cadeias alquílicas do pentanol); efeito hidrofóbico (associação das cadeias apolares do pentanol).
Ordenação de força (dominantes) entre pares: \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O} \gtrsim \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH} > \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH} (para H-bonds); e para dispersão: \mathrm{C_5H_{11}OH}\!-\!\mathrm{C_5H_{11}OH} > \mathrm{H_2O}\!-\!\mathrm{H_2O}.

Exercícios relacionados