No valor de temperatura de 30^{\circ} \mathrm{C}, o benzeno apresenta tensão superficial igual a 27,56 \mathrm{mN} / \mathrm{m}, enquanto o n-hexano 17,38 \mathrm{mN} / \mathrm{m}. Se ambos são hidrocarbonetos, de fórmula molecular semelhante, explique a grande diferença observada no valor de tensão superficial.

Passo 1

O enunciado dá os valores de tensão superficial à temperatura 30^\circ\mathrm{C} para dois líquidos e pede que eu explique por que esses valores são tão diferentes, apesar de ambos serem hidrocarbonetos. Dados fornecidos:
\gamma(\text{benzeno}) = 27{,}56\\ \mathrm{mN/m},
\gamma(\text{n-hexano}) = 17{,}38\\ \mathrm{mN/m}.
O que se pede: explicar qualitativamente (e didaticamente) a grande diferença observada entre esses dois valores.

Passo 2

O que é tensão superficial e por que ela depende das forças entre moléculas. \n
Tensão superficial \gamma é a energia necessária para aumentar a área livre da superfície de um líquido por unidade de área, ou também a força por comprimento que age ao longo de uma linha na superfície. Fisicamente, ela surge porque uma molécula no interior do líquido sofre forças de coesão de todas as direções; uma molécula na superfície tem menos vizinhos do lado do ar e, portanto, um balanço desigual de forças, o que resulta em uma “pele” que tende a minimizar a área. \n
Conclusão importante (regra prática): quanto maiores e mais fortes forem as forças de coesão intermoleculares no líquido, maior tende a ser \gamma.

Passo 3

Quais tipos de forças intermoleculares importam aqui (explicação didática). \n
Principais forças entre moléculas orgânicas neutras:
  • Forças de London (dispersion forces): surgem de flutuações temporárias da nuvem eletrônica que induzem dipolos instantâneos. Presentes em todas as moléculas; sua intensidade cresce com a polarizabilidade (ou seja, quão “mole” é a nuvem eletrônica).
  • Interações quadrupolo–quadrupolo ou dipolo induzido: moléculas com distribuição de carga não homogênea (mesmo sem dipolo permanente) podem ter momentos de ordem superior, como quadrupolo, que produzem interações direcionais específicas.
  • Ligações de hidrogênio e dipolo–dipolo são fortes, mas aqui não ocorrem porque benzeno e n-hexano são essencialmente apolares. \n
    Portanto, para hidrocarbonetos a chave é a intensidade das forças de London e qualquer contribuição extra de interações electrostáticas de ordem superior (ex.: quadrupolos).

Passo 4

Comparando as estruturas moleculares: \mathrm{C_6H_6} (benzeno) versus \mathrm{C_6H_{14}} (n-hexano). \n
  • Fórmulas moleculares: o enunciado não deu explicitamente, então eu uso as fórmulas conhecidas: benzeno é \mathrm{C_6H_6} e n-hexano é \mathrm{C_6H_{14}}. Ambos têm massa molar parecida, mas estruturas bem diferentes.
  • Benzeno: anel aromático planar com elétrons \pi deslocalizados encima do anel. Esses elétrons formam uma nuvem eletrônica relativamente mais “delocalizada” e polarizável. Além disso, o benzeno possui um momento de quadrupolo (distribuição de carga que não é uniforme) que permite interações eletrostáticas específicas entre anéis.
  • n-Hexano: cadeia alifática linear saturada, com elétrons ligados em ligações \sigma. A nuvem eletrônica é menos polarizável por unidade estrutural comparada à nuvem \pi do benzeno, e não há quadrupolo bem definido como no anel aromático. A cadeia é flexível, com muitas conformações.

Passo 5

Como essas diferenças estruturais afetam as forças intermoleculares e, portanto, a tensão superficial. \n
  • Polarizabilidade e forças de London: a presença dos elétrons \pi deslocalizados no benzeno aumenta a polarizabilidade efetiva da molécula. Mais polarizável = flutuações eletrônicas maiores = forças de London mais fortes. Logo, moléculas de benzeno se atraem com mais intensidade que moléculas de n-hexano de massa aproximada.
  • Interações de quadrupolo: o benzeno tem um quadrupolo que permite atrações orientadas entre anéis (interações \pi \pi e quadrupolo–quadrupolo), adicionando uma contribuição coesiva além da pura dispersão. n-Hexano não tem esse tipo de interação direcional.
  • Empacotamento e rigidez: o benzeno é planar e relativamente rígido; isso permite um empacotamento eficiente e uma superfície mais “organizada”, aumentando a coesão superficial. O n-hexano é flexível e adota muitas conformações, o que reduz a eficiência do empacotamento e a densidade de contatos fortes na superfície.
    Resultado: o benzeno apresenta maior coesão molecular à superfície do que o n-hexano, portanto \gamma(\text{benzeno}) é bem maior.

Passo 6

Conectando com os números do enunciado (pequeno cálculo e interpretação). \n
Dado:
\gamma(\text{benzeno}) = 27{,}56\\ \mathrm{mN/m},\qquad \gamma(\text{n-hexano}) = 17{,}38\\ \mathrm{mN/m}.
A razão entre os valores é
\frac{\gamma(\text{benzeno})}{\gamma(\text{n-hexano})} = \frac{27{,}56}{17{,}38}\approx 1{,}586.
Isto significa que a tensão superficial do benzeno é cerca de 58{,}6\% maior que a do n-hexano — uma diferença grande e coerente com a ideia de que o benzeno tem interações intermoleculares significativamente mais fortes (por causa da maior polarizabilidade, interações \pi e quadrupolo, e melhor empacotamento).

Passo 7

Um resumo em termos práticos para a prova (frase curta e memorável). \n
Regra prática: "Mais força coesiva → maior \gamma". No caso, o benzeno tem forças de coesão maiores que o n-hexano por causa dos elétrons \pi deslocalizados (mais polarizabilidade), das interações quadrupolo–quadrupolo e do empacotamento planar; por isso a sua tensão superficial é bem maior.

Resposta

Porque o benzeno ( \mathrm{C_6H_6}) tem elétrons \pi deslocalizados que aumentam a polarizabilidade e permite interações \pi \pi/quadrupolo além das forças de London, e é molecularmente mais rígido e melhor empacotável; essas características aumentam a coesão intermolecular e, portanto, sua tensão superficial ( 27{,}56\\ \mathrm{mN/m}) em comparação com o n-hexano ( 17{,}38\\ \mathrm{mN/m}).

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