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2ª série · Química
Estrutura da Matéria e Ligações Químicas · Ligações químicas e propriedades dos materiais

Polaridade e forças intermoleculares

Por que o óleo de cozinha não se mistura com a água, mas some na gasolina? E por que a água, uma molécula tão pequena, é líquida à temperatura ambiente, enquanto o metano, de tamanho parecido, é gás? A resposta está em como os elétrons se distribuem nas moléculas e em como as moléculas se atraem umas às outras.

Geometria e polaridade da molécula

Numa ligação covalente entre átomos de eletronegatividades diferentes, os elétrons ficam mais perto do átomo mais eletronegativo. Esse átomo fica com carga parcial negativa ($\delta^-$) e o outro, com carga parcial positiva ($\delta^+$). A ligação é polar.

Cada ligação polar pode ser representada por uma seta, o vetor momento dipolar ($\vec{\mu}$), que aponta do polo positivo para o negativo. Mas a molécula inteira só é polar se a soma desses vetores não der zero.

Moléculas de CO2 linear, com dipolos que se anulam, e de H2O angular, com dipolos que se somam CO₂ (linear) H₂O (angular) C O O μ → esquerda μ → direita μR = 0 (apolar) O H H μR ≠ 0 (polar)

No $\text{CO}_2$, as duas ligações $\text{C=O}$ são polares, mas apontam em sentidos opostos e se anulam: a molécula é apolar. Na água, a geometria angular faz os vetores se somarem: a molécula é polar, com o oxigênio negativo e os hidrogênios positivos.

Veja como a geometria decide em outros casos:

Molécula Geometria Ligações polares? Molécula
$\text{CH}_4$ tetraédrica pouco polares, simétricas apolar
$\text{BF}_3$ trigonal plana sim, simétricas apolar
$\text{NH}_3$ piramidal sim, assimétricas polar
$\text{HCl}$ linear (2 átomos) sim polar
$\text{O}_2$, $\text{Cl}_2$ linear não (mesmo elemento) apolar
Pratica★☆☆Por começar
A molécula de gás carbônico, $CO_2$, tem geometria linear, e a molécula de água, $H_2O$, tem geometria angular. Indique qual das duas é polar e qual é apolar, e explique…

A molécula de gás carbônico, $CO_2$, tem geometria linear, e a molécula de água, $H_2O$, tem geometria angular. Indique qual das duas é polar e qual é apolar, e explique em uma ou duas frases o papel da geometria nessa classificação.

Resolver
Pratica★★☆Por começar
Considere as moléculas $BF_3$ (trigonal plana) e $NH_3$ (piramidal). As ligações $B-F$ e $N-H$ são ambas polares. Explique por que $BF_3$ é apolar e $NH_3$ é polar,…

Considere as moléculas $BF_3$ (trigonal plana) e $NH_3$ (piramidal). As ligações $B-F$ e $N-H$ são ambas polares. Explique por que $BF_3$ é apolar e $NH_3$ é polar, usando o conceito de momento dipolar resultante e a geometria de cada molécula.

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Forças intermoleculares

Moléculas neutras também se atraem. Essas atrações, chamadas forças intermoleculares, são bem mais fracas que as ligações covalentes ou iônicas, mas decidem se uma substância é gás, líquida ou sólida. Existem três tipos principais:

Força Quando atua Exemplo
Dipolo induzido (forças de London) em todas as moléculas; é a única nas apolares $\text{CH}_4$, $\text{I}_2$
Dipolo permanente entre moléculas polares $\text{HCl}$, $\text{SO}_2$
Ligação de hidrogênio H ligado a F, O ou N, atraído por um F, O ou N de outra molécula $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{HF}$
  • London: os elétrons se movem e, por instantes, a nuvem eletrônica fica mais densa de um lado. Surge um dipolo temporário, que induz outro na molécula vizinha. Quanto maior a nuvem eletrônica (mais elétrons, moléculas maiores), mais intensa a força.

  • Dipolo permanente: o polo positivo de uma molécula atrai o polo negativo da outra.

  • Ligação de hidrogênio: um caso especial e bem forte de dipolo permanente. O hidrogênio, muito positivo por estar ligado a $\text{F}$, $\text{O}$ ou $\text{N}$ (átomos pequenos e muito eletronegativos), é atraído por um par de elétrons livre de outra molécula.

Em ordem geral de intensidade: London < dipolo permanente < ligação de hidrogênio (para moléculas de tamanho parecido).

Pratica★☆☆Por começar
Cite o nome da força intermolecular predominante em cada substância a seguir: $CH_4$, $HCl$ e $H_2O$. Escolha entre dipolo induzido (forças de London), dipolo permanente…

Cite o nome da força intermolecular predominante em cada substância a seguir: $CH_4$, $HCl$ e $H_2O$. Escolha entre dipolo induzido (forças de London), dipolo permanente e ligações de hidrogênio.

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Pratica★☆☆Por começar
Para que uma molécula forme ligações de hidrogênio, o hidrogênio precisa estar ligado a certos elementos muito eletronegativos. Cite quais são esses elementos e dê um…

Para que uma molécula forme ligações de hidrogênio, o hidrogênio precisa estar ligado a certos elementos muito eletronegativos. Cite quais são esses elementos e dê um exemplo de substância, além da água, que faça esse tipo de interação.

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Pontos de ebulição

Para ferver uma substância é preciso vencer as forças entre as moléculas. Quanto mais fortes as forças intermoleculares, maior o ponto de ebulição (PE).

Substância Força predominante PE (°C)
$\text{CH}_4$ London −162
$\text{HCl}$ dipolo permanente −85
$\text{H}_2\text{O}$ ligação de hidrogênio 100

A água é uma molécula leve, mas suas ligações de hidrogênio a deixam líquida a temperatura ambiente. Já o metano, só com London, ferve a −162 °C.

Tamanho também importa. Entre moléculas com o mesmo tipo de força, a maior tem PE maior, pois sua nuvem eletrônica é maior e as forças de London são mais intensas. Veja os halogênios, todos apolares:

Halogênio Estado a 25 °C
$\text{F}_2$ gás
$\text{Cl}_2$ gás
$\text{Br}_2$ líquido
$\text{I}_2$ sólido

A nuvem eletrônica cresce de $\text{F}_2$ para $\text{I}_2$, as forças de London aumentam e o estado físico passa de gás a sólido.

Ramificação. Entre isômeros de mesma fórmula, a molécula alongada tem mais superfície de contato e mais London; a ramificada, mais compacta, tem PE menor.

Pratica★★☆Por começar
Observe os pontos de ebulição aproximados de três substâncias: | Substância | Fórmula | Ponto de ebulição (°C) | |---|---|---| | Metano | $CH_4$ | -162 | | Cloreto de…

Observe os pontos de ebulição aproximados de três substâncias:

Substância Fórmula Ponto de ebulição (°C)
Metano $CH_4$ -162
Cloreto de hidrogênio $HCl$ -85
Água $H_2O$ 100

Relacione a ordem crescente dos pontos de ebulição com o tipo de força intermolecular predominante em cada substância.

Resolver
Pratica★★★Por começar
Os halogênios $F_2$, $Cl_2$, $Br_2$ e $I_2$ são moléculas apolares. À temperatura ambiente, o flúor e o cloro são gases, o bromo é líquido e o iodo é sólido. Explique…

Os halogênios $F_2$, $Cl_2$, $Br_2$ e $I_2$ são moléculas apolares. À temperatura ambiente, o flúor e o cloro são gases, o bromo é líquido e o iodo é sólido. Explique essa tendência considerando as forças de London e o tamanho das nuvens eletrônicas. Depois, argumente por que o iodo se dissolve melhor em um solvente apolar, como o hexano, do que em água, e indique o que você esperaria da solubilidade do $I_2$ em etanol, que tem uma parte polar e uma parte apolar.

Resolver

Solubilidade: semelhante dissolve semelhante

Para uma substância se dissolver em outra, as novas interações soluto–solvente precisam ser parecidas com as que existiam antes. Daí a regra:

Por isso:

  • o óleo (apolar) não se mistura com a água (polar, ligações de hidrogênio), mas se dissolve na gasolina (apolar);

  • o sal de cozinha (iônico) e o açúcar (muitos grupos $-\text{OH}$) se dissolvem na água;

  • o iodo ($\text{I}_2$, apolar) se dissolve bem em hexano e mal em água.

Moléculas com duas partes. O etanol tem uma parte polar ($-\text{OH}$, que faz ligação de hidrogênio) e outra apolar (cadeia carbônica). Por isso se mistura tanto com a água quanto, em boa medida, com a gasolina. É o que torna possível a mistura etanol–gasolina nos postos. Quanto maior a cadeia apolar, menos solúvel em água é o álcool.

Pratica★★☆Por começar
Ana ficou em dúvida ao ver que o óleo de cozinha não se mistura com a água, mas se dissolve bem na gasolina. Explique esse fato usando a polaridade das substâncias e a…

Ana ficou em dúvida ao ver que o óleo de cozinha não se mistura com a água, mas se dissolve bem na gasolina. Explique esse fato usando a polaridade das substâncias e a regra "semelhante dissolve semelhante". Cite o tipo de interação que predomina entre as moléculas de água.

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Pratica★★★Por começar
O etanol, $CH_3CH_2OH$, e o éter dimetílico, $CH_3OCH_3$, têm a mesma fórmula molecular, $C_2H_6O$. O etanol ferve a cerca de 78 °C, e o éter dimetílico, a cerca de -24…

O etanol, $CH_3CH_2OH$, e o éter dimetílico, $CH_3OCH_3$, têm a mesma fórmula molecular, $C_2H_6O$. O etanol ferve a cerca de 78 °C, e o éter dimetílico, a cerca de -24 °C. Compare as duas substâncias quanto às forças intermoleculares possíveis entre suas moléculas e explique a grande diferença entre os pontos de ebulição. Em seguida, discuta qual das duas deve se misturar melhor com a água e por quê.

Resolver

De volta ao início: o óleo não se mistura com a água porque é apolar e a água é polar, com fortes ligações de hidrogênio; na gasolina, também apolar, ele se dissolve. E a água é líquida, ao contrário do metano, justamente por essas ligações de hidrogênio.

Resumo

  • Uma molécula é polar quando o momento dipolar resultante não é zero; depende das ligações e da geometria.

  • Moléculas simétricas ($\text{CO}_2$, $\text{BF}_3$, $\text{CH}_4$) são apolares; angulares e piramidais ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$) são polares.

  • Forças intermoleculares: London (todas, crescem com o tamanho), dipolo permanente (polares) e ligação de hidrogênio (H ligado a F, O ou N).

  • Quanto mais fortes as forças intermoleculares, maior o ponto de ebulição.

  • Semelhante dissolve semelhante: polar em polar, apolar em apolar.

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