Você e seu companheiro de laboratório sintetizaram um composto com a seguinte fórmula,
. 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
. - 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
e .
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
elétrons de valência: escrevemos . - A molécula
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
elétrons não ligantes, ou seja, pares isolados (lone pairs). - Logo o centro Xe tem
domínios de ligação + pares isolados = “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 ). - 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
e duas
.
- Em geometria quadrado‑planar, os quatro ligantes ocupam os vértices de um quadrado; existe a possibilidade de arranjar as duas
de formas diferentes: - “trans”: as duas
ficam em posições opostas (180° uma da outra). - “cis”: as duas
ficam adjacentes (90° entre si).
- “trans”: as duas
- 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,
é mais eletronegativo que , 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
esse é o caso típico).
Passo 5
Ligue polaridade às forças intermoleculares e ao estado físico numa dada
e
.
- 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
. - 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
e energia de vaporização é
onde
é a constante dos gases e
uma constante. Para maior
(forças intermoleculares mais fortes) teremos, a mesma
, um
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
-1,2-dicloroeteno e -1,2-dicloroeteno, valores típicos de ponto de ebulição são aproximadamente (cis) e (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
e conclua.
- Para
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
) 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.