Pontos de fusão e ebulição

Teoria Completa

Estado físico

Por que o C O 2 é gasoso na temperatura ambiente e a água é líquida? Ou por que, na temperatura ambiente, a madeira é um sólido, mas o O 2 é um gás? E o mais importante: o que isso tudo tem a ver com as forças intermoleculares?

Ok, antes de mais nada, vamos lembrar como as moléculas se organizam em cada fase!

Como as forças intermoleculares são forças de atração eletrostáticas entre cargas opostas nas moléculas, quanto mais próximo uma molécula está da outra, mais forte vai ser essa força de atração entre elas!

Por isso, no sólido, as forças de atração são mais fortes que no líquido, da mesma forma que, no líquido, as interações são mais fortes que nos gases. Ou seja: a coesão da matéria nos estados físicos sólido, gás e líquido é consequência das forças intermoleculares!

Por exemplo: se a gente tiver que comparar as ligações de hidrogênio que a água faz no gelo, na forma líquida ou no vapor, podemos dizer que no gelo as moléculas estão mais fortemente ligadas do que no líquido e do que no vapor!

Mas a água não deixa de fazer ligação de hidrogênio, isso é, a interação intermolecular de uma substância não muda com o estado físico, ela simplesmente fica mais fraca, porque a distância entre as moléculas aumenta!

Mas e substâncias diferentes?

Ainda não respondemos porque o C O 2 é gás e a água é líquida, né?

A água é líquida a temperatura ambiente e na pressão atmosférica porque suas forças de atração (ligação de hidrogênio) são fortes o suficiente para mantê-la no estado líquido! Já outras substâncias são gasosas, como o O 2 ou o C O 2 , porque, na pressão atmosférica, suas interações intermoleculares não são fortes o suficiente para que as moléculas interajam e formem um líquido.

Mas isso não quer dizer que, mudando as condições de temperatura e pressão, a gente não consiga mudar os estados físicos dessas substâncias, ein!

Ponto de ebulição

A gente sabe que na fase gasosa as moléculas estão beeem mais separadas do que em um líquido e que as interações intermoleculares são mais fracas por conta disso, não é?

Isso dá uma ideia de que, para vaporizar um líquido, as moléculas desse líquido precisam vencer as forças intermoleculares para se separarem e formarem vapor!

E é isso mesmo! Para que um líquido entre em ebulição, a gente precisa fornecer energia suficiente para que suas interações intermoleculares enfraqueçam a ponto das moléculas se “separarem” umas das outras!

E agora que vem a grande revelação: quanto mais forte for essa interação intermolecular, mais energia eu preciso fornecer. Consequentemente, maior vai ser o ponto de ebulição da substância!

Ou seja: quanto mais forte a interação molecular, maior é o ponto de ebulição da substância.

Ponto de fusão

No caso do ponto de fusão o raciocínio é exatamente o mesmo: para que as moléculas de um sólido vençam a forte interação intermolecular que mantém elas juntas, precisamos fornecer energia!

Essa energia vai separar as moléculas e elas vão passar do estado sólido para o estado líquido.

Maaaaas, quanto mais forte for a interação intermolecular, mais energia vamos precisar fornecer para separar as moléculas! Então, maior vai ser o ponto de fusão.

Ou seja, quanto mais forte a interação intermolecular, maior o ponto de fusão da substância.

Mas como a gente compara a força das interações intermoleculares?

Ok, a gente já sabe como comparar as forças com moléculas que fazem interações intermoleculares diferentes, né? Por exemplo, sabemos que a água (que faz ligação de hidrogênio), vai ter um ponto de ebulição maior do que o C H 4 (que é uma molécula apolar que interage via dipolo-induzido.

Mas e quando são várias moléculas apolares, ou quando temos moléculas polares que fazem dipolo-dipolo: como a gente sabe qual delas tem uma interação molecular mais forte?

Vamos por partes!

- Moléculas que interagem via forças de London (dipolo-induzido):

Para essas moléculas, precisamos analisar duas coisinhas:

1) A gente viu, no capítulo anterior, a fórmula da energia potencial de moléculas que interagem por dipolo-induzido. Nela, vimos que quanto maior a polarizabilidade das moléculas envolvidas, mais forte a interação entre elas!

Como moléculas grandes e volumosas tem mais elétrons que moléculas pequenas, elas tendem a ser mais polarizáveis. Daí a gente tira uma relação entre a massa molecular das substâncias e a força da interação dipolo-induzido:

Quanto maior a massa molecular da substância, mais forte vai ser a interação dipolo-induzido que ela realiza!

2) Além disso, a forma das moléculas também influencia nas interações por dipolo-induzido, principalmente em moléculas orgânicas! Por exemplo, o n-pentano e o 2,2-dimetil-propano. Ambos tem a mesma fórmula química ( C 5 H 12 ) , mas dá uma olhadinha nas moléculas:

Você concorda que é beeeem mais fácil para as moléculas de pentano se aproximarem umas das outras? E que a aproximação é bem importante para a interação intermolecular? Por isso, o pentano tem maior ponto de ebulição – suas interações intermoleculares são mais fortes!

Quanto maior a superfície de contato entre as moléculas, melhor elas vão interagir e mais forte vai ser sua interação por forças de London!

- Moléculas que fazem dipolo-dipolo

Ok, para comparar essas é um pouco mais complicado, já que depende do quanto as forças de London são revelantes para a molécula.. Mas de uma forma geral, tem 2 regrinhas:

1) Se as moléculas tiverem massas e formas parecidas, as interações dipolo-induzido são mais ou menos as mesmas e quem decide são as interações dipolo-dipolo!

Daí você tem que olhar a polaridade das moléculas! Moléculas mais polares vão ter ponto de ebulição maior, porque as interações dipolo-dipolo vão ser mais fortes 😊

2) Se as massas forem muito diferentes, as interações dipolo-induzido tendem a ser mais decisivas e você faz naquele esquema: mais pesada, mais forte as interações!

Obs: Uma dica bem sincera: normalmente os problemas te dão dados ou de polaridade ou de massa, e aí é só você ir pelo que o problema dá (maior massa ou mais polar = maior força nas interações!)

Dá uma olhadinha nesse gráfico aí de baixo. Ele relaciona massa molecular com temperatura de ebulição e resume bem essas relações todas:

Vamos praticar bastante pra entender esse monte de coisa? o/

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Exercício Resolvido #1

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.5

Identifique, apresentando suas razões, que substância em cada par tem, provavelmente, o ponto de fusão normal mais alto:

a) HCl ou NaCl;

b) C 2 H 5 O C 2 H 5 (dietil-éter) ou C 4 H 9 O H (butanol) ;

c) C H I 3 ou C H F 3   ;

d) C 2 H 4 ou C H 3 O H

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Passo 1

Para descobrirmos qual das substâncias tem o ponto de fusão mais alto, precisamos pensar na interação intermolecular que cada uma faz! Quanto mais forte a interação intermolecular, maior o ponto de fusão...

a) O H C l é um composto molecular, enquanto o N a C l   é iônico. Isso quer dizer que as moléculas do HCl vão interagir por dipolo-dipolo (já que ele é polar), mas as moléculas do NaCl vão interagir por íon-íon, que é extremamente mais forte!!!

Ou seja, o ponto de fusão do NaCl vai ser muiiiiiiiiiito maior que o do HCl.

Passo 2

b) O dietil-éter é formado por uma cadeia carbônica ligada no oxigênio e ligada a mais dois carbonos. Isso é, as duas ligações que o oxigênio faz são O - C . Ele é uma molécula polar, como a gente pode ver aqui:

(Só substituir um dos Hs ligados ao C por um C H 3 😊).

Consequentemente, o dietil-éter faz dipolo-dipolo.

O butanol também é polar, mas, pela presença da hidroxila (OH), ele tem um diferencial: a ligação O - H . Essa ligação garante que essa substância faça ligação de hidrogênio, que é mais forte do que a dipolo-dipolo.

Portanto, o butanol tem um ponto de fusão maior.

Passo 3

c) Ambas as moléculas são polares e fazem dipolo-dipolo. Agora, precisamos usar os critérios de comparação para saber qual vai ter interações mais fortes!

Como o I é muito mais pesado que o F, a massa molar do C H I 3 vai ser muito maior do que a massa molar do C H F 3 , e, portanto, suas interações serão mais fortes!

Assim, o ponto de fusão do C H I 3 é maior.

Passo 4

d) O C 2 H 4 é uma molécula apolar, como a gente pode ver aqui:

Assim, ele faz dipolo-induzido, ou forças de dispersão. Já o metanol é uma molécula polar que contém uma ligação O - H e, portanto, faz ligação de hidrogênio, que é beeem mais forte.

Assim, o C H 3 O H vai ter um ponto de fusão maior!

Resposta

a) NaCl

b) C 4 H 9 O H

c) C H I 3

d) C H 3 O H

Exercício Resolvido #2

Exercício Vestibular FUVEST.

Uma das propriedades que determina maior ou menor concentração de uma vitamina na urina é a sua solubilidade em água.

a) Qual dessas vitaminas é mais facilmente eliminada na urina? Justifique.

b) Dê uma justificativa para o ponto de fusão da vitamina C ser superior ao da vitamina A.

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Passo 1

a) Embora as duas vitaminas sejam solúveis em água (já que são polares), a vitamina mais facilmente eliminada na urina vai ser aquela que tem mais ligações O - H   para fazer pontes de hidrogênio com a água – a vitamina C.

Passo 2

b) Pela mesma razão da letra (a) – a presença das ligações O - H .   Como a vitamina C tem mais ligações O - H , as ligações de hidrogênio são mais presentes na vitamina C, o que aumenta muito seu ponto de ebulição.

Resposta

Exercício Resolvido #3

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.85

A trimetilamina [ C H 3 3 N ] entra em ebulição a 3 o C , a propilamina ( C H 3 C H 2 C H 2 N H 2 ) entra em ebulição a 49 o C .

(a) A que se deve a diferença nos pontos de ebulição?

(b) A propilamina é completamente miscível em água; a trimetilamina tem solubilidade em água razoavelmente alta. A que se devem esses dados, considerando que o isobutano [ C H 3 3 C H ] é consideravelmente menos solúvel que a trimetilamina?

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Passo 1

a) Ambas as moléculas são polares, porém a propilamina tem uma ligação N - H , extremamente polarizada e que permite que ela faça ligação de hidrogênio. Por isso, o ponto de ebulição da propilamina é mais alto: suas interações intermoleculares são mais fortes.

Passo 2

b) O isobutano é uma molécula apolar: uma cadeia carbônica ramificada. Por isso, sua solubilidade é tão baixa, já que a água é um solvente polar. Quando trocamos o C H   por um átomo mais eletronegativo (o N ), a molécula se torna polar, com a carga parcial negativa localizada no nitrogênio. Ainda assim, essa molécula faz dipolo-dipolo, o que não é o ideal para a solubilildade em água.

Já a propilamina tem a ligação N - H , o que permite que ela faça ligação de hidrogênio, o mesmo tipo de interação da água: e, por isso, ela é completamente solúvel.

Resposta

Exercício Resolvido #4

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.18

Dois alunos devem estudar dois compostos puros. Eles observaram que o composto A ferve em 37 o C e o composto B, em 126 o C . Eles, porém, não tem mais tempo para outras análises. Examine as afirmações sobre os dois compostos. Em cada caso, indique se elas são justificadas pelos dados, estão erradas ou poderiam ser verdadeiras ou falsas.

a) O composto B tem a massa molecular maior.

b) O composto A é mais viscoso.

c) O composto B está sujeito a forças intermoleculares mais intensas.

d) O composto B tem tensão superficial maior.

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Passo 1

a)

A gente não tem muita informação sobre esses compostos. A príncipio teríamos que saber os tipos de interações intermoleculares de cada uma das substâncias mas como não sabemos disso, temos que nos basear só no efeito que a massa molecular tem no ponto de ebulição.

Geralmente o composto que tem massa molecular maior é uma molécula maior, que vai ter mais superfície de interação. Isso significa que se eu ponho duas moléculas grandes, uma de frente com a outra, a interação entre elas vai ser mais forte do que a interação entre duas moléculas pequenas.

Se quanto maior é a interação maior é o ponto de ebulição então a gente pode dizer que quanto maior a massa, maior será o ponto de ebulição, beleza?

Então, se os compostos A e B fossem muito semelhantes, o fato de B ter ponto de ebulição superior, indicaria que ele tem massa superior. Mas não sabemos nada sobre os compostos. B pode ser uma molécula pequenininha que faz ligação de hidrogênio.. e A ser uma molécula maior que interaje por dipolo-induzido :/ Então ela pode ser tanto falsa quanto verdadeira.

Passo 2

b)

Essa é falsa porque, por mais que a viscosidade dependa da força intermolecular (e aí quanto maior o ponto de ebulição, maior a viscosidade), ela também depende do tamanho das moléculas e de como elas se arranjam. Olha só esses dados:

A água tem um ponto de ebulição maior que o tetracloro-metano, mas tem uma viscosidade menor, porque como suas moléculas são pequenininhas, elas se rearranjam facilmente no escoamento! 😊

Ou seja, só com esses dados não conseguimos concluir qual tem a maior viscosidade.

Passo 3

c)

Simmm! Essa está correta. Isso porque o ponto de ebulição de uma substância depende de suas interações intermoleculares. Quanto mais forte elas forem, maior o ponto de ebulição.

Passo 4

d)

Essa também está correta. Isso porque a tensão superficial depende da interação intermolecular: quanto mais forte as moléculas interagirem, mais elas puxam as moléculas da superfície e aumentam a tensão superficial. Assim, o B tem ponto de ebulição maior, portanto interações mais fortes e uma tensão superficial maior.

Resposta

a) Não é possível afirmar

b) Não é possível afirmar

c) Verdadeira

d) Verdadeira

Exercício Resolvido #5

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.84

Quando um átomo ou um grupo de átomos é substituído por um átomo de H no benzeno ( C 6 H 6 ), o ponto de ebulição varia. Explique a ordem dos seguintes pontos de ebulição: C 6 H 6   ( 80 o C ) ,   C 6 H 5 C l   ( 132 o C ) ,   C 6 H 5 B r   ( 156 o C ) ,   C 6 H 5 O H   ( 182 o C ) .

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Passo 1

Quando substituímos um átomo de H no benzeno, podemos tornar a molécula polar, adicionando um átomo mais eletronegativo, que vai concentrar a carga parcial da molécula. Por isso, o ponto de ebulição tende a subir quando substituímos o H: as moléculas polares vão fazer interações mais fortes que o dipolo-induzido que o benzeno faz.

Quando adicionamos um substituinte que contém uma ligação O - H ,   O - N   o u   O - F , esse substituinte vai fazer ligação de hidrogênio e vai aumentar ainda mais o ponto de ebulição, já que a ligação de hidrogênio é uma das interações mais fortes. Por isso o C 6 H 5 O H tem um ponto de ebulição tão alto.

Já entre o C l e o B r   como substituintes, é bem difícil de prever o que vai acontecer. O C l é mais eletronegativo que o B r , o que deveria gerar um momento dipolo maior e, assim, maior ponto de ebulição. Mas não é isso que foi observado. Dado que o ponto de ebulição do composto com B r é maior do que aquele com C l , o ponto decisivo foi a massa molar desses caras: o B r é mais pesado que o C l e, provavelmente por isso, seu ponto de ebulição vai ser maior.

Resposta

Exercício Resolvido #6

Adaptado de BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.87

Usando a seguinte lista de pontos de ebulição normais para uma série de hidrocarbonetos, estime o ponto de fusão normal para o octano, C 8 H 18 , usando como dado: propano ( C 3 H 8 , – 42,1 o C ), butano ( C 4 H 10 ,   – 0,5 o C ), pentano ( C 5 H 12 ,   36,1 o C ), hexano ( C 6 H 14 ,   68,7 o C ), heptano ( C 7 H 16 ,   98,4 o C ). Explique a tendência nos pontos de ebulição.

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Passo 1

Como todos são hidrocabonetos (e, portanto, apolares), todos fazem dipolo-induzido como interação intermolecular. Assim, para compará-los, precisamos olhar a massa molecular e as ramificações dos hidrocarbonetos, caso as massas sejam semelhantes. De um modo geral, moléculas maiores tem maior superfície de contato, o que aumenta a interação entre as moléculas e, consequentemente, seus pontos de ebulição.

A gente vê que cada vez que a gente aumenta o número de carbonos (e, consequentemente, a massa molecular), o ponto de ebulição aumenta. Esse é o esperado já que moléculas maiores são mais polarizáveis, isso é, é mais fácil de criar dipolos e de interagir por dipolo-induzido.

Como os pontos de ebulição sobem mais ou menos 30 o C por carbono adicionado, a gente pode estimar o ponto de ebulição do octano em 130 o C .

Resposta

Exercício Resolvido #7

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.18

O etilenoglicol ( H O C H 2 C H 2 O H ), a principal substância em anticongelantes, tem ponto de ebulição normal de 199 o C . Em contrapartida, o álcool etílico ( C H 3 C H 2 O H ) entra em ebulição 78 o C a pressão atmosférica. O éter dimetílico etilenoglicol ( C H 3 O C H 2 C H 2 O C H 3 ) tem ponto de ebulição normal de 83 o C , e o éter etil-metil ( C H 3 C H 2 O C H 3 ) tem ponto de ebulição normal de 11 o C .

(a) Explique por que a substituição de um hidrogênio no oxigênio por C H 3 geralmente resulta em um ponto de ebulição mais baixo.

(b) Quais são os fatores mais importantes responsáveis pela diferença nos pontos de ebulição dos dois éteres?

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Passo 1

a) Quando a gente tira o H e substitui por um C H 3   no oxigênio, a gente desfaz a ligação O - H , que permite que as moléculas interajam por ligação de hidrogênio. Como elas vão interagir por dipolo-dipolo agora, uma interação mais fraca, o ponto de ebulição fica mais baixo.

Passo 2

b) Os dois éteres são moléculas polares que fazem dipolo-dipolo como interação intermolecular. Para compará-los, precisamos olhar 2 coisas: a massa molecular e a polaridade das moléculas! O éter dimetílico etilenoglicol tem uma massa bem maior que o éter etil-metil, e, por isso, seu ponto de ebulição é maior.

Mas a gente também pode justificar pela polaridade: como o primeiro éter tem 2 oxigênios, que são átomos extremamente eletronegativos e concentram a carga parcial negativas neles. Por isso, ele tende a ser mais polar que o éter etil-metil, que só tem 1 oxigênio.

Resposta

Exercício Resolvido #8

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.27

Os pontos de ebulição dados abaixo correspondem às substâncias da lista. Faça corresponder os pontos de ebulição e as substâncias, levando em conta as intensidades relativas das forças intermoleculares.

Pontos de ebulição (° C ): - 162 ; - 88,5 ; 28 ; 36 ; 64,5 ; 78,3 ; 82,5 ; 140 ; 205 ; 290 .

Substâncias:

Dica: O ponto de ebulição do C H 3 2 C H C H 2 C H 3 é 28 o C e o do C H 3 O H é 64,5 o C .

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Passo 1

Ok, antes de mais nada, respira ahahahah Essas moléculas são um pouco bizarras mas se a gente for com calma vai dar tudo certo!

Antes de mais nada, vamos separá-las em moléculas que tem ligação O - H   (e, portanto, vão fazer ligação de hidrogênio, a interação mais forte), moléculas polares que não fazem ligação de hidrogênio, e moléculas apolares.

A partir disso, a gente compara as moléculas do mesmo grupo e tenta achar os pontos de ebulição!

As moléculas apolares são as que fazem as interações mais fracas – dipolo-induzido – e, portanto, tem ponto de ebulição mais baixo. É o caso do C H 4 , do C H 3 C H 3 , do   C H 3 C H 2 3 C H 3   e   d o   C H 3 2 C H C H 2 C H 3 .

Precisamos olhar 2 coisas para compará-las: primeiro, a massa. Quanto maior a massa molecular, maior o ponto de ebulição. Depois, se as massas forem parecidas, precisamos olhar se as moléculas são muito ramificadas ou não.

Assim... C H 4 = - 162 o C e C H 3 C H 3 = - 88 o C