Sobre a relação entre estrutura e propriedades físicas, responda:
Sob condições normais de temperatura e pressão, por que o Etano é um gás, o Etanol é um líquido e o Etanoato de sódio é um sólido?
Sob condições normais de temperatura e pressão, por que o Etano é um gás, o Etanol é um líquido e o Etanoato de sódio é um sólido?
Passo 1
O enunciado pede que se explique, sob condições normais de temperatura e pressão, por que cada uma destas espécies tem o estado físico observado:
- Etano:
— qual é e por que é gás? - Etanol:
— qual é e por que é líquido? - Etanoato de sódio (acetato de sódio):
— qual é e por que é sólido?
Informações relevantes que o enunciado dá (implícitas):
- As estruturas químicas dos três compostos (vou representar em fórmulas).
- O pedido é explicar a relação estrutura ↔ propriedades físicas (estado da matéria) sob condições normais de temperatura e pressão (CNTP).
Passo 2
Conceito central: o estado físico (sólido, líquido ou gasoso) de uma substância à uma dada temperatura e pressão depende principalmente da intensidade das forças intermoleculares entre suas unidades (moléculas ou íons). Se as forças intermoleculares são:
- muito fracas → moléculas se separarem facilmente → gás;
- moderadas → moléculas próximas mas móveis → líquido;
- muito fortes → unidades presas em rede ordenada → sólido.
Vou ensinar quais são as forças intermoleculares mais importantes, em ordem crescente típica de energia:
- Forças de London (dispersion forces) — presentes em todas as moléculas, especialmente importantes em moléculas apolares.
- Interações dipolo–dipolo — entre moléculas polares.
- Ligações de hidrogênio — caso especial forte de interação dipolar envolvendo H ligado a O, N ou F.
- Ligações iônicas / energia reticular — entre íons em um cristal iônico; geralmente muito mais fortes que as interações entre moléculas neutras.
Passo 3
O que são as forças de London (forças de dispersão)?
- Explicação simples: movimentos instantâneos dos elétrons criam dipolos temporários; dipolos temporários induzem dipolos em moléculas vizinhas, resultando em atrações fracas.
- Características úteis para provas:
- Presentes em todas as moléculas (até nas apolares).
- A intensidade aumenta com a polarizabilidade, que cresce com o número de elétrons / massa molar e com a área de superfície da molécula.
- Ordens de grandeza típicas: alguns kJ·mol^{-1} por interação (valores pequenos comparados a ligações químicas).
- Consequência prática: moléculas pequenas e apolares (poucos elétrons, pouca superfície) têm forças de London muito fracas e, portanto, pontos de ebulição/solidificação muito baixos — tendem a ser gases.
Passo 4
Aplicando isso ao etano
:
- Estrutura: molécula apolar, cadeia curta (dois carbonos), sem grupos polares.
- Forças intermoleculares dominantes: exclusivamente forças de London (não há dipolo permanente, nem possibilidade de ligação de hidrogênio).
- Molaridade e dados práticos (úteis em prova): massa molar aproximada
; ponto de ebulição . - Conclusão: à temperatura ambiente (e também em CNTP) a energia térmica vence facilmente as fracas forças de London, por isso
é gás.
Passo 5
O que é dipolo–dipolo e ligação de hidrogênio? Como distinguí-las:
- Dipolo–dipolo: entre moléculas que têm um momento dipolar permanente (diferença de eletronegatividade entre átomos que cria pólos + e -). Energia maior que London, mas ainda moderada.
- Ligação de hidrogênio (H-bond): caso especial forte quando há
ligado a , ou e esse interage fortemente com um par de elétrons não-ligantes de outro átomo . É muito importante porque adiciona interações direcionais fortes entre moléculas. - Ordens de grandeza (aproximações úteis para prova):
- forças de London:
a , - ligações de hidrogênio:
a , - ligações iônicas / energia reticular: centenas de
.
- forças de London:
Passo 6
Aplicando ao etanol
:
- Estrutura: possui o grupo hidroxila
. Isso o torna polar e capaz de formar ligações de hidrogênio do tipo: o do pode doar uma H‑bond para o par de elétrons do O de outra molécula de etanol. - Consequências:
- Além das forças de London, há ligações de hidrogênio intermoleculares significativas, que “ligam” moléculas de etanol entre si formando uma rede fluida.
- Massa molar maior que a do etano (
), o que também aumenta um pouco as forças de dispersão, mas o fator decisivo é o H‑bond.
- Dado prático: ponto de ebulição
; ponto de fusão . - Conclusão: à temperatura ambiente ou em CNTP o etanol permanece líquido porque as ligações de hidrogênio mantêm as moléculas próximas mesmo com a agitação térmica.
Passo 7
O que é ligação iônica e energia reticular (lattice energy)?
- Compostos iônicos são formados por cátions e ânions (no caso:
e ). - No estado sólido, os íons ordenam-se em uma rede cristalina com fortes atrações eletrostáticas entre cargas opostas.
- A energia necessária para separar esses íons em fase gasosa (energia reticular) é muito alta (tipicamente centenas de
), muito maior que energias de H‑bond ou dispersion. - Consequência: compostos iônicos tendem a ter pontos de fusão e ebulição muito altos e serem sólidos à temperatura ambiente, salvo se forem muito voláteis ou tiverem estruturas incomuns.
Passo 8
Aplicando ao etanoato de sódio
(acetato de sódio):
- Estrutura: sal iônico formado pelo ânion etanoato
e pelo cátion . - Forças intermoleculares dominantes: fortes interações eletrostáticas iônicas mantendo um retículo cristalino estável.
- Dado prático: ponto de fusão do acetato de sódio anidro
— muito maior que temperaturas ambientes. - Conclusão: em CNTP o composto é sólido porque as forças iônicas no cristal não são superadas pela energia térmica disponível.
Passo 9
Comparação compacta (energia ↔ estado):
-
: apolar, só dispersion → forças fracas → baixo ponto de ebulição ( ) → gás. -
: polar + capaz de H‑bond → interações intermoleculares bem mais fortes → ponto de ebulição elevado ( ) → líquido. -
: íon–íon em rede cristalina → energia reticular muito alta → ponto de fusão muito alto ( ) → sólido.
Passo 10
Dicas rápidas para a prova (como decidir rápido o estado):
- Identifique: molécula apolar pequena → tende a ser gás; presença de
, → procure por H‑bonds → tende a subir ponto de ebulição (líquido ou sólido); composto iônico → sólido (salvo exceções). - Consulte mentalmente ordens de grandeza: dispersion (fraco), H‑bond (moderado a forte), iônico (muito forte).
- Aproveite dados conhecidos de pontos de ebulição/fusão de compostos simples para comparar quando necessário.
Resposta
Etano (
) — gás: molécula apolar e pequena; só tem forças de London fracas, logo tem ponto de ebulição muito baixo.
Etanol ( ) — líquido: molécula polar com grupo
que forma ligações de hidrogênio intermoleculares fortes, elevando o ponto de ebulição.
Etanoato de sódio ( ) — sólido: sal iônico com fortes interações eletrostáticas numa rede cristalina (energia reticular alta), resultando em ponto de fusão muito elevado.
Etanol (
Etanoato de sódio (