Forças intermoleculares: tipos, exemplos e como cai no Enem
Os três tipos principais são dipolo induzido-dipolo induzido (forças de London), dipolo permanente-dipolo permanente e ligação de hidrogênio; confira mais detalhes
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Forças intermoleculares são atrações entre moléculas, bem mais fracas que as ligações que unem os átomos dentro delas. Os três tipos principais são dipolo induzido-dipolo induzido (forças de London), dipolo permanente-dipolo permanente e ligação de hidrogênio. Quanto mais intensas essas forças, maior tende a ser o ponto de ebulição da substância.
Por que a água ferve a 100 °C, enquanto o metano, de massa molar parecida, é gás muito abaixo de zero? Por que o óleo não se mistura com a água, mas o álcool, sim? As duas respostas dependem do jeito como as moléculas se atraem, e é isso que as provas cobram.
NAVEGUE PELOS CONTEÚDOS
O que são forças intermoleculares
Forças intermoleculares, também chamadas de interações intermoleculares, são as atrações que mantêm as moléculas próximas umas das outras (principalmente pensando-se em líquidos e sólidos). Elas são diferentes das ligações intramoleculares, como a ligação covalente, que unem os átomos dentro de uma mesma molécula. Apesar de serem muito mais fracas, definem estado físico, ponto de ebulição, solubilidade e tensão superficial das substâncias.
Por isso, quando a água ferve, as moléculas de H₂O se afastam, mas continuam sendo H₂O: o que se rompe são as interações entre as moléculas. Revise o que une os átomos em ligações químicas.
Antes de tudo: polaridade das moléculas
Para saber qual força atua em uma substância, o primeiro passo é descobrir se a molécula é polar ou apolar. Isso depende das ligações e da geometria.
Eletronegatividade e polaridade da ligação
Eletronegatividade é a tendência de um átomo atrair os elétrons de uma ligação. Quando átomos com eletronegatividades diferentes se ligam, o mais eletronegativo fica com carga parcial negativa (δ⁻), e o outro, com carga parcial positiva (δ⁺): a ligação é polar. No HF, o flúor concentra os elétrons, e o hidrogênio fica com o polo positivo. No F₂, os átomos são iguais, e a ligação é apolar.
Atenção a um erro comum: o fluoreto de lítio (LiF(s)) não é uma molécula polar. A diferença de eletronegatividade entre lítio e flúor é tão grande que o lítio, praticamente, transfere seu elétron, formando íons Li⁺ e F⁻ unidos por ligação iônica. O LiF é um composto iônico, organizado em retículo cristalino, e não forma moléculas. Essa confusão se dá para vários compostos iônicos cristalinos como NaCl(s), Al2O3 (s)...
Geometria e momento dipolar
Ter ligações polares não basta para a molécula ser polar. Cada ligação polar funciona como um vetor, o momento dipolar, e esses vetores podem se anular. O dióxido de carbono (CO₂) tem duas ligações C=O polares, mas é linear: os vetores têm sentidos opostos, e o momento dipolar resultante é zero. O CO₂ é apolar.
A água também tem duas ligações polares, mas é angular, por causa dos pares de elétrons não ligantes do oxigênio. Os vetores não se cancelam, e a molécula tem um polo negativo no oxigênio e dois polos positivos centrados nos hidrogênios: a água é polar. Pelo mesmo raciocínio, o CCl₄, tetraédrico e simétrico, é apolar, enquanto o CHCl₃ e a amônia (NH₃) são polares. Revise as formas das moléculas em geometria molecular.
Tipos de forças intermoleculares
São quatro os principais tipos de interações intermoleculares:
Dipolo induzido-dipolo induzido ou forças de London
As forças de London, também chamadas de dipolo induzido-dipolo induzido ou forças de dispersão, são as interações típicas das moléculas apolares, como H₂, O₂, CO₂, CH₄ e os hidrocarbonetos. Por um instante, a densidade eletrônica de uma molécula majoritariamente apolar pode se concentrar mais em uma região, criando um dipolo temporário. Esse dipolo deforma a nuvem da molécula vizinha e induz nela outro dipolo, e as duas passam a se atrair.
Essa atração cresce com o tamanho da molécula: quanto maior a massa molar, maior o número de elétrons e torna-se mais fácil deformar a nuvem eletrônica. Por isso, entre os halogênios, flúor e cloro são gases à temperatura ambiente, o bromo é líquido e o iodo é sólido. Ela também cresce com a superfície de contato: moléculas maiores conseguem interagir mais do que moléculas ramificadas.
As forças de London existem entre todas as moléculas, inclusive as polares; nas apolares, representam o único tipo de interação presente.
Dipolo permanente-dipolo permanente
A interação dipolo permanente-dipolo permanente ocorre entre moléculas polares. O polo positivo de uma molécula atrai o polo negativo da vizinha, e as moléculas tendem a se alinhar. Nesses casos, o dipolo é dito “permanente” porque ele é resultado do acúmulo de cargas de ligações polares. É o caso do HCl, por exemplo (em que o cloro é o polo negativo e o hidrogênio, o positivo), e de substâncias como H₂S e acetona. Por ser permanente, essa atração supera as forças de London entre moléculas de tamanho parecido.
Ligação de hidrogênio
A ligação de hidrogênio é um caso especial e mais intenso de interação entre dipolos. Ela acontece quando o hidrogênio está ligado diretamente a flúor, oxigênio ou nitrogênio, átomos pequenos e muito eletronegativos. O H, com carga muito positiva nessas ligações, é atraído por um par de elétrons de F, O ou N de outra molécula. Exemplos clássicos são água, amônia, HF, álcoois e ácidos carboxílicos.
Por muito tempo, essa interação foi chamada de "ponte de hidrogênio", nome que ainda aparece em livros e questões. Hoje, o termo recomendado é ligação ou interação de hidrogênio. Apesar do nome, é uma força intermolecular, muito mais fraca que uma ligação covalente.
Íon-dipolo: a interação das soluções iônicas
A interação íon-dipolo ocorre entre um íon e uma molécula polar. Não é uma força intermolecular no sentido estrito, porque um dos participantes não é molécula, mas é estudada junto por explicar a dissolução de sais em água. Quando o cloreto de sódio se dissolve, os íons Na⁺ são cercados pelo oxigênio das moléculas de água, e os íons Cl⁻, pelos hidrogênios. É a solvatação, ou hidratação, quando o solvente é a água.
| Tipo de interação | Onde ocorre | Exemplos | Intensidade relativa |
|---|---|---|---|
| Dipolo induzido (London) | Entre moléculas apolares (e em todas as moléculas) | H₂, CO₂, CH₄, I₂ | Mais fraca |
| Dipolo-dipolo | Entre moléculas polares | HCl, H₂S, acetona | Intermediária |
| Ligação de hidrogênio | H ligado a F, O ou N | H₂O, NH₃, HF, etanol | Forte |
| Íon-dipolo | Entre íon e molécula polar | NaCl dissolvido em água | Mais forte |
Intensidade das forças e propriedades das substâncias
Em ordem crescente de intensidade, para moléculas de tamanho parecido: forças de London < dipolo permanente-dipolo permanente < ligação de hidrogênio < íon-dipolo.
Ponto de ebulição
Para ferver, o líquido precisa de energia para separar as moléculas: quanto mais intensas as forças intermoleculares, maior o ponto de ebulição. O metano (CH₄), apolar, ferve a cerca de −162 °C; a acetona, polar, a cerca de 56 °C; e a água, com ligações de hidrogênio, a 100 °C.
A série dos hidretos da família do oxigênio mostra dois efeitos ao mesmo tempo. Do H₂S ao H₂Te, o ponto de ebulição sobe porque a massa molar aumenta e, com ela, as forças de London. A água, a menor da série, deveria ferver na temperatura mais baixa, mas ferve na mais alta, graças às ligações de hidrogênio.
| Substância | Massa molar (g/mol) | Interação característica | Ponto de ebulição (°C) |
|---|---|---|---|
| CH₄ | 16 | Dipolo induzido | -162 |
| HCl | 36,5 | Dipolo-dipolo | -85 |
| H₂O | 18 | Ligação de hidrogênio | 100 |
| H₂S | 34 | Dipolo-dipolo | -60 |
| H₂Se | 81 | Dipolo-dipolo | -41 |
| H₂Te | 129,6 | Dipolo-dipolo | -2 |
Nos alcanos, hidrocarbonetos apolares, o ponto de ebulição aumenta com a cadeia: metano, etano e propano são gases; alcanos maiores formam líquidos como os da gasolina. Para compostos com a mesma fórmula molecular, a presença de ramificação diminui o ponto de ebulição, porque reduz a superfície de contato. O pentano de cadeia normal ferve a cerca de 36 °C; o 2,2-dimetilpropano, mais compacto, a cerca de 10 °C.
Solubilidade
A regra prática é "semelhante dissolve semelhante": substâncias polares tendem a se dissolver em solventes polares, e apolares em apolares. A água dissolve sal e açúcar, mas não o óleo, de cadeias longas e apolares.
O etanol tem uma parte polar, o grupo OH, que faz ligações de hidrogênio com a água, e uma parte apolar, a cadeia carbônica, que interage com hidrocarbonetos. Por isso, mistura-se tanto com a água quanto com a gasolina. Esse comportamento é a base do teste que mede o teor de etanol na gasolina: ao agitar a gasolina com água, o etanol passa para a fase aquosa.
Sabões e detergentes têm uma cabeça iônica ou polar, que interage com a água, e uma cauda longa apolar, que interage com a gordura. As caudas envolvem a sujeira gordurosa e formam micelas, que a água consegue carregar. Mais sobre a polaridade das moléculas orgânicas em propriedades dos compostos orgânicos.
Tensão superficial, viscosidade e estado físico
As moléculas da superfície de um líquido, por conta da diferença de interações intermoleculares em relação às moléculas no interior do líquido, são “puxadas” para dentro pelas vizinhas, o que cria uma espécie de película: a tensão superficial. Na água, as ligações de hidrogênio tornam esse efeito capaz de sustentar alguns insetos.
A viscosidade também cresce com a intensidade das interações: a glicerina, com três grupos OH por molécula, escorre bem mais devagar que a água. Já o estado físico resume o equilíbrio entre atração e agitação térmica: interações fracas favorecem gases; mais fortes, líquidos e sólidos.
A anomalia da água e as ligações de hidrogênio na vida
Na maioria das substâncias, o sólido é mais denso que o líquido. A água é uma exceção: ao congelar, as ligações de hidrogênio organizam as moléculas em uma estrutura cristalina hexagonal, com mais espaços vazios. Por isso, o gelo, com densidade de cerca de 0,92 g/cm³, é menos denso que a água líquida, com cerca de 1,0 g/cm³, e flutua.
Em regiões frias, lagos congelam de cima para baixo: o gelo na superfície funciona como isolante térmico, e a água continua líquida embaixo, onde os peixes sobrevivem.
As ligações de hidrogênio também são essenciais para a vida. No DNA, as duas fitas se mantêm unidas por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas: adenina e timina formam duas; citosina e guanina, três. Como essas interações são mais fracas que as covalentes, as fitas podem se separar na duplicação sem que a molécula se desfaça. Nas proteínas, elas ajudam a manter a estrutura espacial, que o aquecimento intenso desfaz.
Como comparar pontos de ebulição passo a passo
Para ordenar substâncias pelo ponto de ebulição, siga esta sequência:
- Verifique se há compostos iônicos. Substâncias iônicas, como NaCl, têm pontos de ebulição muito mais altos que as moleculares.
- Defina a polaridade de cada molécula pelas ligações e pela geometria.
- Identifique a interação predominante: H ligado a F, O ou N indica ligação de hidrogênio; molécula polar sem esse H, dipolo permanente-dipolo permanente; molécula apolar, dipolo induzido-dipolo induzido.
- Se a interação for do mesmo tipo, compare o tamanho: maior massa molar e maior superfície de contato tendem a elevar o ponto de ebulição; ramificações o reduzem.
- Conte os grupos que fazem ligação de hidrogênio: mais grupos OH ou NH por molécula significam interações mais intensas.
Como cai no Enem e nos vestibulares
No levantamento do Aprova Total, que soma a última década de provas, a macroárea Moléculas e Propriedades responde por cerca de 8,6% da Química do Enem, e forças intermoleculares é o subtópico mais frequente dentro dela. O tema reaparece em Química Orgânica, quando a prova cobra a polaridade de moléculas orgânicas para explicar solubilidade e ponto de ebulição. Nos vestibulares, o assunto tem peso na UFSC, na Fuvest e na UFRGS.
No Enem, o mais comum é um contexto do cotidiano, como um combustível ou um produto de limpeza, em que você liga polaridade, interação e propriedade.
Questão 1
Os hidrocarbonetos são moléculas orgânicas com uma série de aplicações industriais. Por exemplo, eles estão presentes em grande quantidade nas diversas frações do petróleo e normalmente são separados por destilação fracionada, com base em suas temperaturas de ebulição. O quadro apresenta as principais frações obtidas na destilação do petróleo em diferentes faixas de temperaturas.
| Fração | Faixa de Temperatura (°C) | Exemplos de produto(s) | Número de átomos de carbono (hidrocarbonetos de fórmula geral CnH2n+2) |
|---|---|---|---|
| 1 | Até 20 | Gás natural e gás de cozinha (GLP) | C1 a C4 |
| 2 | 30 a 180 | Gasolina | C6 a C12 |
| 3 | 170 a 290 | Querosene | C11 a C16 |
| 4 | 260 a 350 | Óleo diesel | C14 a C18 |
SANTA MARIA, L. C. et al. Petróleo: um tema para o ensino de química. Química Nova na Escola, n. 15, maio 2002 (adaptado).
Na fração 4, a separação dos compostos ocorre em temperaturas mais elevadas porque
a) suas densidades são maiores
b) o número de ramificações é maior.
c) sua solubilidade no petróleo é maior
d) as forças intermoleculares são mais intensas.
e) a cadeia carbônica é mais difícil de ser quebrada.
Resposta: [D]
A fração 4 contém os hidrocarbonetos com as maiores cadeias carbônicas, ou seja, com maior superfície de contato entre elas. Por isso, o número de forças intermoleculares existentes é maior para esses compostos, sendo mais difícil de rompê-las (separá-las).
Questão 2
O despejo acidental de óleo nos oceanos tem ocasionado incontáveis prejuízos à vida marinha e à economia de regiões costeiras. Métodos tradicionais de tratamento do despejo geram resíduos de difícil descarte e nem sempre são eficazes. Por isso, pesquisadores desenvolveram um filtro capaz de separar óleo e água. O dispositivo é montado sobre uma malha de aço com uma sequência de camadas. A primeira camada é formada por um polímero de carga positiva, a segunda é composta por nanopartículas de sílica (SiO2), a terceira é formada pelo mesmo polímero e a última é um surfactante, conforme apresentado na figura.
Representação esquemática do dispositivo
BROWN, P. S.; BHUSHAN, B. Mechanically durable, superoleophobic coatings prepared by layer-by-layer technique for anti-smudge and oil-water separation. Scientific Reports, v. 5, mar. 2015 (adaptado).
Na utilização desse dispositivo, a retenção do óleo ocorre
a) no surfactante.
b) na camada superior de polímero.
c) nas nanopartículas de sílica.
d) na camada inferior de polímero.
e) na malha de aço.
Resposta: [A]
A retenção do óleo ocorre no surfactante, pois suas moléculas possuem uma parte apolar, com afinidade pelo óleo, e uma parte polar, com afinidade pela água. Essa estrutura permite que o surfactante interaja com o óleo e favoreça sua captura na superfície do dispositivo. Além disso, o material foi projetado para separar o óleo da água por meio das diferentes interações entre as substâncias e as camadas que compõem o filtro, possibilitando a retenção seletiva do óleo.
Resumo: forças intermoleculares
- São atrações entre moléculas, mais fracas que as ligações covalentes.
- A polaridade depende das ligações e da geometria: CO₂ é apolar; H₂O é polar.
- Dipolo induzido (London): moléculas apolares; cresce com a massa molar e a superfície de contato.
- Dipolo-dipolo: moléculas polares.
- Ligação de hidrogênio: H ligado a F, O ou N; a mais intensa entre moléculas.
- Íon-dipolo: íon e molécula polar, como na dissolução de sais em água.
- Interações mais intensas elevam ponto de ebulição, viscosidade e tensão superficial.
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