Você e seu companheiro de laboratório sintetizaram um composto com a seguinte fórmula, \mathrm{XeC} \ell_{2} \mathrm{~F}_{2}. O seu composto é líquido e do seu colega é um gás (nas mesmas condições de temperatura e pressão). Explique como os dois compostos com mesma fórmula podem existir em diferentes fases nas mesmas condições de pressão e temperatura.

Passo 1

O enunciado dá as seguintes informações e faz a pergunta abaixo.
  • Informação: existem duas espécies com a mesma fórmula química \mathrm{XeCl_{2}F_{2}}.
  • Informação adicional: uma das espécies é líquida e a outra é gasosa quando colocadas nas mesmas condições de temperatura e pressão.
  • Pergunta: explique como dois compostos com a mesma fórmula podem aparecer em fases diferentes nas mesmas condições de T e p.

Passo 2

Primeiro vamos inferir a geometria provável da molécula central e quantos pares de elétrons ela tem (isso é importante para saber que tipos de isômeros geométricos são possíveis).
  • Xenônio neutro tem \,8 elétrons de valência: escrevemos \,8.
  • A molécula \mathrm{XeCl_{2}F_{2}} tem quatro ligações Xe–halogênio (duas com Cl e duas com F). Cada ligação usa um par compartilhado ligado ao Xe, portanto o Xe usa 4 pares de ligação.
  • Restam ao Xe 8 - 4 = 4 elétrons não ligantes, ou seja, 2 pares isolados (lone pairs).
  • Logo o centro Xe tem 4 domínios de ligação + 2 pares isolados = 6 “domínios eletrônicos”. Pela regra VSEPR, seis domínios eletrônicos preferem uma geometria eletrônica octaédrica; com dois pares isolados em posições opostas a geometria molecular resultante é “quadrado planar” (como em \mathrm{XeF_4}).
  • Conclusão deste passo: a molécula é plausivelmente quadrado-planar em torno do Xe, com quatro lugares no plano para os halogênios.

Passo 3

Agora identifique os isômeros geométricos possíveis numa estrutura quadrado‑planar com dois \mathrm{Cl} e duas \mathrm{F}.
  • Em geometria quadrado‑planar, os quatro ligantes ocupam os vértices de um quadrado; existe a possibilidade de arranjar as duas \mathrm{Cl} de formas diferentes:
    • “trans”: as duas \mathrm{Cl} ficam em posições opostas (180° uma da outra).
    • “cis”: as duas \mathrm{Cl} ficam adjacentes (90° entre si).
  • Essas duas disposições são isômeros geométricos (estereoisômeros). Eles têm mesma fórmula e mesma massa molecular, mas distribuição espacial diferente dos átomos.

Passo 4

Explique como a diferença espacial leva a propriedades físicas diferentes: polaridade molecular e forças intermoleculares.
  • Cada ligação Xe–halogênio tem um dipolo (vetor) apontando em direção ao átomo mais eletronegativo. Aqui, \mathrm{F} é mais eletronegativo que \mathrm{Cl}, mas tanto Xe–F quanto Xe–Cl têm dipolos responsáveis por um momento dipolar de ligação.
  • Em um isômero trans quadrado‑planar, a simetria da molécula (centro de inversão / alto grau de simetria) faz com que os vetores-dipolo dos ligantes se cancelem. O resultado é uma molécula globalmente apolar (momento dipolar líquido próximo de zero).
  • Em um isômero cis quadrado‑planar, a simetria é menor e os vetores-dipolo não se cancelam completamente; sobra um momento dipolar líquido não-nulo — a molécula é polar.
  • Resumindo: trans → apolar; cis → polar (isso depende da colocação exata dos ligantes, mas para \mathrm{XeCl_2F_2} esse é o caso típico).

Passo 5

Ligue polaridade às forças intermoleculares e ao estado físico numa dada T e p.
  • Tipos de interações entre moléculas:
    • Forças de dispersão de London (presentes em todas as moléculas);
    • Forças dipolo–dipolo (presentes quando as moléculas são polares);
    • (não há ligações de hidrogênio relevantes aqui).
  • Moléculas polares experimentam dipolo–dipolo além das forças de dispersão, logo têm interações intermoleculares mais fortes e, tipicamente, maior entalpia de vaporização \Delta H_{\text{vap}}.
  • A tendência a estar no estado gasoso ou líquido a uma dada temperatura é controlada pela pressão de vapor da substância: quanto maiores as forças intermoleculares, menor a pressão de vapor à mesma temperatura.
  • A relação qualitativa (Clausius–Clapeyron) que liga pressão de vapor p e energia de vaporização é
\ln p = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R\,T} + C,
onde R é a constante dos gases e C uma constante. Para maior \Delta H_{\text{vap}} (forças intermoleculares mais fortes) teremos, a mesma T, um p menor.
  • Portanto, à mesma temperatura: o isômero polar (cis) terá pressão de vapor menor (mais fácil permanecer líquido) e o isômero apolar (trans) terá pressão de vapor maior (mais fácil permanecer gasoso).

Passo 6

Dê um exemplo concreto análogo para fixar a ideia.
  • Um caso clássico é o das isomerias cis/trans em compostos orgânicos: para \mathrm{cis}-1,2-dicloroeteno e \mathrm{trans}-1,2-dicloroeteno, valores típicos de ponto de ebulição são aproximadamente \,60^\circ\mathrm{C} (cis) e \,48^\circ\mathrm{C} (trans). A diferença existe apesar das mesmas fórmulas e massas, por causa da polaridade diferente e consequente diferença nas forças intermoleculares.
  • Isso ilustra como a mesma fórmula pode dar b.p. e pressões de vapor bem distintas se a geometria (e a polaridade) mudar.

Passo 7

Conecte tudo ao caso \mathrm{XeCl_{2}F_{2}} e conclua.
  • Para \mathrm{XeCl_{2}F_{2}} espera‑se, por VSEPR, isômeros cis e trans em geometria quadrado‑planar.
  • O isômero cis será polar → forças intermoleculares mais fortes → pressão de vapor menor → pode ser líquido nas condições dadas.
  • O isômero trans será apolar (ou muito menos polar) → forças intermoleculares mais fracas → pressão de vapor maior → pode ser gás nas mesmas condições.
  • Observação extra (opcional para prova): além da polaridade, detalhes como empacotamento molecular no líquido/sólido e interações específicas entre halogênios também podem influenciar pontos de ebulição, mas o efeito dominante aqui é a diferença de polaridade e das forças intermoleculares resultante da geometria isomérica.

Resposta

Porque são isômeros geométricos (arranjos diferentes dos ligantes em torno do \mathrm{Xe}) com geometrias que geram polaridades distintas: um isômero (por exemplo o cis) é polar e, por isso, tem forças intermoleculares dipolo–dipolo mais fortes e pressão de vapor menor — ficando líquido nas condições dadas — enquanto o outro isômero (por exemplo o trans) é essencialmente apolar, tem forças intermoleculares mais fracas e pressão de vapor maior — permanecendo gasoso nas mesmas condições.

Exercícios relacionados