Solubilidade e viscosidade

Teoria Completa

E aí, tudo bom?

Já vimos que as forças intermoleculares são bem importantes e são responsáveis por váaarios fenômenos físicos, né? Vamos ver mais alguns deles!

Solubilidade

A solubilidade é suuuper explicada pelas forças intermoleculares, e ela é bem importante! Ok, vamos pensar em um solvente polar, como a água. As moléculas da água fazem ligação de hidrogênio, né? Se eu misturo na água uma substância qualquer, ela tem que quebrar algumas ligações de hidrogênio para interagir com a substância que eu coloquei!

Daí, se eu coloco uma substância como o óleo, que interage por dipolo-induzido, ele não vai conseguir quebrar as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água e, por isso, não vai ser solvatado!

Mas, se eu coloco uma substância que também faz ligações de hidrogênio, como o etanol, ( C H 3 C H 2 O H ) , as ligações de hidrogênio que as moléculas da água fazem entre si são substituídas por ligações de hidrogênio que a água vai fazer com o etanol 😉

Existe uma regra, chamada “semelhante dissolve semelhante”. Ela diz que moléculas polares dissolvem moléculas polares, e moléculas apolares dissolvem moléculas apolares!

Isso acontece porque, nesses casos, a gente consegue substituir as interações intermoleculares solvente-solvente pelas interações intermoleculares solvente-soluto.

O mais importante de lembrar desse rolê todo é: as moléculas polares são melhores solventes para moléculas polares e íons, enquanto moléculas apolares solubilizam melhor moléculas apolares!

Sabão: hidrofobia e hidrofilia

O sabão explica bem essa regra, já que ele tem uma parte polar e uma parte apolar... Sabões e detergentes são loooongas cadeias carbônicas com uma ponta iônica (e, portanto, polar!). Essa estrutura é importante para o efeito deles porque eles conseguem interagir tanto com gorduras (que são apolares), quanto com a água (que é polar).

Essa estrutura é muiiito imporante para a ação de limpeza dos sabões/detergentes! Por interagir com as gorduras/óleos e com a água, eles conseguem carregar essa gordura junto com a água de enxague.

A parte que interage com a água (polar) é chamada hidrofílica e a que não interage de jeito nenhum com a água (apolar) é chamada hidrofóbica.

Obs: essa classificação de hidrofílica/hidrofóbica vale para qualquer substância, não só para o sabão! 😊

Viscosidade

A viscosidade é uma propriedade física dos líquidos, e nada mais é do que a resistência ao escoamento! Ou seja: quanto mais viscoso um líquido for, mais lento é o escoamento desse líquido...

Mas o que ela tem a ver com as interações intermoleculares?

Quanto mais forte for a interação intermolecular, mais juntas as moléculas ficam, e mais difícil é o escoamento do líquido, já que as moléculas não se afastam facilmente!

Ou seja: quanto mais forte as interações moleculares entre as moléculas de um líquido, maior a viscosidade!

Só tem um problema: a viscosidade não depende só das forças intermoleculares, ela também depende da facilidade que a molécula se rearranja durante o escoamento do fluido!

Confuso? Vamos analisar esses dados aqui:

Essa tabela compara as viscosidades de diferentes líquidos numa unidade comum de viscosidade, o centipoise ( c P ) .

O mercúrio é exceção, porque seus átomos formam uma espécie de ligação metálica que deixa seus átomos muito juntinhos, então vamos ignorar ele ahahah

O que importa aqui é saber comparar as diferentes interações! É fácil reparar que as moléculas que fazem ligação de hidrogênio costumam ter viscosidade maior, né? Entre a água e o benzeno (que faz forças de dispersão de London), percebemos que a água tem maior viscosidade, e isso é mesmo o esperado!

Mas entre as moléculas que fazem ligação de hidrogênio, a questão de se ajustar às outras moléculas faz bastante diferença! Por exemplo: a viscosidade da água é relativamente baixa porque, quando quebramos as ligações de hidrogênio para o líquido escoar, as moléculas se rearranjam rapidamente nas ligações de hidrogênio, já que a água é uma molécula pequeninha.

Já o etanol ou o glicerol ( H O C H 2 C H O H C H 2 O H ) , por exemplo, são mais viscosos não só por conta das ligações de hidrogênio, mas porque é mais complicado se reajustar e formar novas ligações de hidrogênio enquanto o fluido se movimenta!

Tensão superficial

As moléculas de um líquido interagem com as moléculas que estão a sua volta em todas as direções. Maaas as moléculas da superfície são puxadas para baixo e para o lado, já que não tem moléculas do líquido acima dela, como mostra a figura:

A tensão superficial é o resultado dessa força da superfície... Cria-se como se fosse uma película na superfície do líquido! Essa película permite, por exemplo, que alguns insetos caminhem na água:

E como que ela se relaciona com as interações intermoleculares?

Quanto mais forte forem as interações intermoleculares entre as moléculas do líquido, mais forte vai ser essa força que puxa as moléculas da superfície, e maior vai ser a tensão superficial!

Muitas informações nesse capítulo, né? Vamos praticar para fixar melhor? 😊

Expandir

Exercício Resolvido #1

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 374-Exercício 9.21

Qual seria o melhor solvente, água ou benzeno, para cada uma das seguintes substâncias:

a) K C l ;

b) C C l 4 ;

c) C H 3 C O O H ?

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Passo 1

Esse exercício é a aplicação direta da regra semelhante dissolve semelhante! Para a gente saber qual vai ser o melhor solvente, basta saber quem é polar/apolar 😊

A água é o exemplo clássico de solvente polar, que faz ligação de hidrogênio como interação intermolecular. Já o benzeno é formado de uma cadeia carbônica cíclica e cheia de duplas ligações, que tem seu momento dipolo resultante igual à 0 e é, portanto, apolar. Ele interage por dipolo-induzido.

Isso quer dizer que a água vai dissolver bem moléculas polares e íons e o benzeno moléculas apolares.

Passo 2

a) O K C l   é um sal, ou seja, um composto iônico – e extremamente polar!

A água é um solvente melhor porque, quando colocado em água, o K C l vai ter seus íons solvatados e envolvidos por moléculas de água, como no esquema abaixo, só que com a carga positiva sendo o K + :

Assim, a água é um solvente melhor, que vai interagir com os íons por interação íon-dipolo.

Passo 3

b) O C C l 4 é uma molécula apolar, já que sua geometria faz com que os momentos dipolos se anulem. Por isso, o melhor solvente é o benzeno, que vai conseguir interagir com a molécula por dipolo-induzido.

Passo 4

c) Essa questão fica um pouco mais difícil, já que o C H 3 C O O H tem uma parte polar (o C O O H )   e uma cadeia carbônica (que compõe uma parte apolar). Maaaas, como nesse caso a cadeia carbônica é muito pequena, podemos considerar que essa molécula tem um caráter mais polar do que apolar!

Assim, a água vai ser um solvente melhor que o benzeno nesse caso.

Se a cadeia carbônica fosse beeeem maior, talvez o benzeno fosse melhor do que a água para solvatar esse ácido.

Resposta

a) Água.

b) Bezeno.

c) Água.

Exercício Resolvido #2

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 374-Exercício 9.23

Os seguintes grupos são encontrados em algumas moléculas orgânicas. Quais são hidrofílicos e quais são hidrofóbicos?

a) - N H 2 ;

b) - C H 3 ;

c) - B r ;

d) - C O O H ?

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Passo 1

a) O N H 2 é o grupamento amina. Ele é formado pelo nitrogênio (um átomo bastaaaante eletronegativo, que tem par de elétrons livres quando completa seu octeto) e 2 hidrogênios.

A gente sabe que, por ter ligações N - H , esse grupamento pode fazer ligações de hidrogênio, mas é um pouco complicado saber se ele vai ser polar ou apolar, então vamos partir de uma molécula que a gente já conhece: o N H 3 .

A gente sabe que o N H 3 é polar porque sua geometria e seus momentos dipolo são assim, né?

Se a gente trocar um H por uma cadeia carbônica, a resultante do momento dipolo vai continuar sendo maior que 0 , porque o carbono é menos eletronegativo que o nitrogênio e, por mais que o valor da resultante mude, os vetores não vão se anular!

Ou seja: por comparação, podemos concluir que o - N H 2 ligado a uma cadeia carbônica é polar, e, portanto, hidrofílico.

Passo 2

b) O - C H 3 é uma ramificação da cadeia carbônica, e a gente sabe que um carbono ligado à 4 ligantes é tetraédrico e tem sua resultante de dipolo = 0 . Ou seja, esse grupo é apolar e hidrofóbico.

Passo 3

c) - B r

Esse é o composto mais difícil, porque uma cadeia carbônica com - B r na frente é uma molécula polar (o B r é mais eletronegativo que o C da cadeia carbônica e, portanto, ele puxa os elétrons da ligação pra si, gerando uma carga parcial negativa no B r   e um momento dipolo).

Porém, só o grupamento - B r não é capaz de interargir bem com a água, já que, por mais que o B r   tenha uma carga parcial negativa nesse caso, ele não faz ligação de hidrogênio e nem é uma carga efetiva.

Assim, a água teria que desfazer as interações que faz entre si (que são extremamente fortes), para interagir por dipolo-dipolo com o B r , e isso não acontece, já que a ligação dipolo-dipolo é mais fraca.

Assim, esse grupamento é hidrofóbico!

Passo 4

d) O - C O O H é o grupamento típico dos ácidos carboxílicos. Ele é desenhado assim:

Onde aquele deltinha azul indica onde tá a carga parcial positiva e o deltinha vermelho indica onde estão as cargas parciais negativas. E tem aquele R ali, que é a cadeia carbônica ligada a esse grupo.

Podemos ver que, além de várias cargas parciais (o que garante a polaridade do grupo), temos também uma ligação O - H , que mostra que esse grupo pode fazer ligação de hidrogênio!

Assim, ele vai ser hidrofílico!

Resposta

a) Hidrofílico.

b) Hidrofóbico.

c) Hidrofóbico.

d) Hidrofílico.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria.

Explique o efeito de sabões e detergentes, usando como base a imagem abaixo.

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Passo 1

Sabões e detergentes são formados por íons como o estearato, representado na imagem, que contêm uma parte polar (ponta hidrofílica, que interage com a água via íon-dipolo) e uma parte apolar (cadeia carbônica, hidrofóbica).

Então vamos “traduzir” o que a imagem tá mostrando. A gente tem água (tá escrito ali embaixo na direita ó) e uma gota de óleo, aquela coisa meio amarelada ali. E o que os íons estearato estão fazendo? Repara que eles mergulham a parte apolar deles no óleo, enquanto a ponta hidrofílica interage com a água.

Assim, a gota de óleo fica estabilizada na água com a ajuda desses agentes surfatantes, e a gente consegue eliminar essas gotas com água corrente 😊

Resposta

Exercício Resolvido #4

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 13.3

Indique o tipo de interação soluto-solvente que deve ser mais importante em cada uma das seguintes soluções:

a) C C l 4 em benzeno ( C 6 H 6 ) ;

b) C a C l 2 em água;

c) propanol ( C H 3 C H 2 C H 2 O H ) em água;

d) H C l em acetronila ( C H 2 C N )

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Passo 1

Para analisar a interação soluto-solvente presente em cada solução, precisamos analisar as interações que cada uma das espécies faz quando estão puras!

a) O C C l 4 é uma molécula apolar, que faz dipolo-induzido como interação intermolecular. O benzeno também. Os dois, em solução, também interagem por dipolo-induzido, já que são moléculas apolares.

O tipo de interação intermolecular soluto-solvente é, portanto, dipolo-induzido 😊

Mas o que é importante a gente reparar é que, como a interação soluto-solvente tem a mesma força da interação solvente-solvente, o soluto consegue ser dissolvido sem problemas!

Passo 2

b) O C a C l 2 é um sal, e como todo sal, quando colocado em água, se separar em íons. Esses íons vão ser solvatados pela água e a interação soluto-solvente predominante é a íon-dipolo.

Essa interação é mais forte que a ligação de hidrogênio que a água faz sozinha, e por isso essa dissolução ocorre sem o menor problema.

Passo 3

c) O propanol tem uma cadeia carbônica de 3 carbonos + uma hidroxila, grupo funcional dos álcools e que contém uma ligação O - H . A presença dessa ligação garante que esses álcools façam ligação de hidrogênio, além das interações por dipolo-induzido...

Com a água, a interação mais relevante vai ser a ligação de hidrogênio que a molécula vai ser capaz de fazer.

Ela é a mais relevante porque, se o propanol não fosse capaz de fazer ligações de hidrogênio, ele não ia conseguir igualar a força das interações solvente-soluto à força das interações solvente-solvente e, portanto, não ia conseguir “separar” as moléculas de água e ser solvatado!

Passo 4

d) A acetronila é um composto polar, já que a ligação C - N   é suuuper polarizada, e que interage por dipolo-dipolo. O H C l   é um ácido que interage da mesma maneira, já que tem sua única ligação polarizada e é, portanto, polar.

Esses dois, quando colocados em solução, vão interagir por dipolo-dipolo (2 moléculas polares sem ligações H - F O N ), e a interação solvente-soluto tem a mesma força da interação solvente-solvente, então tá tudo tranquilo! 😊

Resposta

a) Dipolo-induzido.

b) Íon-dipolo.

c) Ligação de hidrogênio.

d) Dipolo-dipolo.

Exercício Resolvido #5

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 13.4

Classifique a interação solvente-soluto nas seguintes soluções da mais fraca para a mais forte, e indique o principal tipo de interação em casa caso:

a) K C l em água;

b) C H 2 C l 2 em benzeno ( C 6 H 6 );

c) metanol ( C H 3 O H ) em água.

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Passo 1

Para classificar as interações por força, precisamos identificar qual interação cada solvente/soluto faz...

a) O K C l é um sal, e, quando colocado em água, seus íons são solvatados pelas moléculas de água, através da interação íon-dipolo!

Como essa interação é feita entre uma carga efetiva (um cátion ou um ânion) e uma molécula polar, ela é beeem forte.

Passo 2

b) O C H 2 C l 2 e o benzeno interagem por dipolo-induzido, já que o benzeno é uma molécula apolar e o C H 2 C l 2 é um halogênio, formado pelo C l + uma cadeia carbônica, que é apolar.

Passo 3

c) O metanol e a água são capazes de fazer ligações de hidrogênio, já que ambos tem a ligação O - H .   Assim, apesar da cadeia carbônica apolar do metanol, eles fazem ligação de hidrogênio, que é mais forte.

Resposta

A força das interações é:

Letra a: íon dipolo > letra c: ligação de hidrogênio > letra b: dipolo-induzido.

Exercício Resolvido #6

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.23

Prediga que líquido, em cada um dos seguintes pares, tem a maior tensão superficial:

a) cis-dicloro-eteno ou trans-dicloro-eteno

b) benzeno em 20 o C ou benzeno em 60 o C ?

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Passo 1

A tensão superficial varia de acordo com a força das interações intermoleculares: quanto maior a interação entre as moléculas, maior a tensão superficial. Assim, basta procurar qual substância faz uma interação intermolecular mais forte!

a) A diferença entre o trans e o cis, no caso do dicloroeteno, é a polaridade! Quando a gente faz os momentos dipolo das duas moléculas, a gente vê que a molécula trans vai ser apolar e a cis, polar:

Por isso, a molécula trans vai interagir por dipolo-induzido, enquanto a molécula cis interage por dipolo-dipolo. Como a interação entre moléculas polares, que tem cargas parciais, é mais forte que entre moléculas apolares, o composto cis vai ter uma tensão superficial maior do que o composto trans.

Passo 2

b) Nesse caso, precisamos pensar no conceito de tensão superficial. A tensão superficial é medida pela força que as moléculas da superfície de um líquido são puxadas pelas outras, né? Quando a gente aumenta a temperatura, as moléculas ficam mais agitadas, e tem uma tendência a terem suas interações intermoleculares “afrouxadas”/enfraquecidas, até que são quebradas e o líquido passa para o estado gasoso. Mas, mesmo antes de chegar na fase gás, quanto maior for a temperatura, mais fraca vão ser as interações intermoleculares!

Quanto mais fracas as interações intermoleculares, mais fraca a tensão superficial...

Portanto, o benzeno a 20 o C tem uma tensão superficial maior do que o benzeno a 60 o C .

Resposta

a) O cis-dicloro-eteno.

b) O benzeno a 20 o C .

Exercício Resolvido #7

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 197-Exercício 5.25

Coloque as seguintes moléculas na ordem de viscosidade crescente em 50 o C : C 6 H 5 S H ,   C 6 H 5 O H ,   C 6 H 6 .

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Passo 1

A viscosidade de um líquido varia com as forças intermoleculares: quanto mais forte as interações que as moléculas do líquido faz, mais difícil o escoamento, e maior a viscosidade.

Assim, o que temos que comparar entre as 3 substâncias é a interação intermolecular 😊

  • C 6 H 5 S H
  • É uma molécula polar, composta por um anel C 6 H 6 que teve um hidrogênio substituído pelo grupamento SH! Por isso, as moléculas de C 6 H 5 S H fazem dipolo-dipolo como interação intermolecular!

  • C 6 H 6
  • É o benzeno: apolar! É um dos solventes apolares mais famosos, e faz dipolo-induzido (ou forças de dispersão).

  • C 6 H 5 O H

O benzeno que teve um hidrogênio trocado por um grupamento -OH: se chama fenol e é polar. Além de ser polar, ele tem a ligação O - H , que permite que suas moléculas façam ligação de hidrogênio!

Resposta

Comparando a força das interações intermoleculares: C 6 H 5 O H   l i g a ç ã o   d e   h i d r o g ê n i o >   C 6 H 5 S H   d i p o l o - d i p o l o > C 6 H 6 d i p o l o - i n d u z i d o .  

Como quanto mais forte a interação intermolecular, maior a viscosidade...

Ordem crescente de viscosidade:

C 6 H 6 < C 6 H 5 S H < C 6 H 5 O H

Exercício Resolvido #8

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 11.23

(a) De que modo a viscosidade e a tensão superficial dos líquidos mudam à medida que as forças intermoleculares tornam-se mais intensas?

(b) Como a viscosidade e a tensão superficial de líquidos variam com o aumento da temperatura?

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Passo 1

(a) Tanto as viscosidades quanto as tensões superficiais de líquidos aumentam à medida que as forças intermoleculares tornam-se mais fortes.

A viscosidade aumenta com o aumento da força das interações intermoleculares porque fica mais difícil o escoamento do líquido já que, para escoar, ele precisa desfazer suas interações e refazê-las depois.

A tensão superficial é maior quando a interação intermolecular é mais forte porque as moléculas da superfície são puxadas com mais força para o líquido.

Passo 2

(b) A tensão superficial e a viscosidade diminuem conforme a temperatura e a energia cinética média das moléculas aumentam. Isso porque quando a gente aumenta a temperatura, a gente enfraquece as interações intermoleculares graças à agitação das moléculas!

Resposta

As respostas são os desenvolvimentos nos passos 1 e 2.

Exercício Resolvido #9

Adaptado de BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 5.25

Explique as seguintes observações:

(a) a tensão superficial de C H B r 3 é maior que a da C H 4 .

(b) Com o aumento da temperatura, o óleo flui mais rapidamente por um tubo estreito.

(c) As gotas de chuva que se ajuntam em um capô encerado de um automóvel têm forma aproximadamente esférica.

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Passo 1

a) Quanto mais forte a interação intermolecular, maior a tensão superficial. Assim, basta saber qual dos dois interage mais fortemente. O C H B r 3 é uma molécula polar e, portanto, faz dipolo-dipolo. Enquanto o C H 4   é uma molécula apolar que faz dipolo-induzido.

Passo 2

b) À medida que a temperatura aumenta, a viscosidade do óleo diminui porque as energias cinéticas médias das moléculas aumentam e, consequentemente, as forças intermoleculares são enfraquecidas.

Passo 3

(c) As forças intermoleculares entre a água (que é polar) e a cera de carro (que é apolar) são fracas, a cera é inclusive hidrofóbica. Assim, a água vai tentar interagir o mínimo possível com a cera e a grande tensão superficial da água vai puxar o líquido para a forma com a menor área superficial, uma esfera.

Resposta

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