21.4 Na fase gasosa, a temperaturas elevadas, os metais alcalinos são encontrados como moléculas diatômicas. Os halogênios formam moléculas diatômicas à temperatura ambiente. Por que os alcalinos não?

Passo 1

O enunciado compara o comportamento dos halogênios (que formam X_2 gasoso à temperatura ambiente) com o dos metais alcalinos (que só formam M_2 no gás a temperaturas altas). O conteúdo envolve ligações químicas (energias de ligação) e conceitos de fase gasosa (pressão de vapor e energia térmica média). Para resolver, vamos comparar qualitativamente as energias de ligação de X_2 e de M_2 com a energia térmica disponível em torno de 298\text{ K}, além de discutir as diferenças de natureza dessas ligações.

Passo 2

A fase gasosa de uma substância só existe em quantidade apreciável quando a energia térmica média \langle E_{\rm térmica}\rangle\sim kTé pode superar as forças que mantêm as moléculas unidas na fase condensada (líquido ou sólido). Em torno de T=298\text{ K}, temos
kT\approx 2{,}5\text{ kJ/mol}\,.
Para que se formem dímeros no gás, a energia de ligação D_0 dessas moléculas precisa ser significativamente maior que kT, de modo que elas não se dissociem imediatamente.

Passo 3

Nos halogênios típicos encontramos ligações em X_2 com energias de dissociação da ordem de
D_0(\mathrm{Cl}_2)\approx 243\text{ kJ/mol},\quad D_0(\mathrm{Br}_2)\approx 193\text{ kJ/mol},\quad D_0(\mathrm{I}_2)\approx 151\text{ kJ/mol}.
Esses valores são muito maiores que kT, garantindo que, mesmo em 298\text{ K}, os halogênios existam como X_2 estáveis no gás.

Passo 4

Já nos metais alcalinos em fase gasosa as energias de ligação de M_2 são bem menores, por exemplo
D_0(\mathrm{Na}_2)\approx 67\text{ kJ/mol},\quad D_0(\mathrm{K}_2)\approx 45\text{ kJ/mol}.
Além disso, à temperatura ambiente quase não há átomos isolados de metal no gás (vapor de Na a 298\text{ K} tem pressão de vapor praticamente zero), de modo que não se formam dímeros em quantidade observável. Só em altas temperaturas, onde o metal se vaporiza e kT se torna comparável a essas energias, aparecem moléculas M_2.

Passo 5

Praticamente, a diferença eletrônica explica isso: halogênios p^5 formam ligações covalentes p\!-\!p fortes e estáveis, enquanto alcalinos s^1 formam ligações s\!-\!s muito mais fracas, exigindo calor para vaporizar o metal e formar dímeros gasosos.

Resposta

Os alcalinos não são encontrados como moléculas diatômicas à temperatura ambiente porque sua ligação M_2 é fraca (energia de dissociação muito menor que a dos halogênios) e eles não geram vapor suficiente a 298\text{ K}. Só em temperaturas elevadas, quando há átomos livres no gás e kT supera a ligação fraca M_2, é que se formam dímeros de metais alcalinos.

Exercícios de Livros Relacionados