Pontos de fusão

O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual essa substância começa a mudar da fase sólida para a fase líquida. Nessa temperatura, as fases líquida e sólida estão em equilíbrio. Com calor adicional, a substância derreterá completamente. Mas o que determina o ponto de fusão de uma substância? Vamos pensar em sólidos e líquidos. As moléculas de um sólido se mantêm em uma estrutura rígida e ordenada chamada rede, enquanto as moléculas de um líquido têm interações mais fracas e se movem.

O aquecimento de um sólido transfere energia para as moléculas. Com energia suficiente, as moléculas superam as forças que as mantêm na rede e começam a se mover. Em outras palavras, se aquecermos um sólido o suficiente, ele derrete em um líquido. Portanto, o ponto de fusão depende da energia necessária para superar as forças entre as moléculas, ou as forças intermoleculares, mantendo-as na rede. Quanto mais fortes forem as forças intermoleculares, mais energia é necessária, portanto, maior será o ponto de fusão.

Muitas forças intermoleculares dependem de quão fortemente os átomos da molécula atraem elétrons - ou de sua eletronegatividade. Nitrogênio, oxigênio, flúor e cloro são altamente eletronegativos, enquanto carbono, hidrogênio e enxofre são apenas moderadamente eletronegativos. As ligações entre átomos com eletronegatividades significativamente diferentes são polares. Por exemplo, uma ligação carbono-oxigênio típica é polar, mas uma ligação carbono-hidrogênio típica não é.

Os elétrons de uma molécula passam mais tempo em torno de seus átomos mais eletronegativos, dando-lhe uma leve carga negativa desse lado e uma leve carga positiva do outro lado. Isso é chamado de dipolo. Se o dipolo não for cancelado por um dipolo igual e oposto na mesma molécula, a molécula tem um dipolo permanente e é polar.

Agora, vamos discutir três forças intermoleculares importantes: ligações de hidrogênio, interações dipolo-dipolo e forças de dispersão de London. A ligação de hidrogênio ocorre entre um átomo que retira elétrons com um par de elétrons solitário e um hidrogênio ligado a um átomo mais eletronegativo. As ligações de hidrogênio estão entre as forças intermoleculares mais fortes.

As interações dipolo-dipolo ocorrem entre moléculas polares. Em uma interação dipolo-dipolo atraente, o lado negativo de um dipolo se alinha com o lado positivo de outro dipolo. As interações dipolo-dipolo são geralmente mais fracas do que as ligações de hidrogênio.

As forças de dispersão de London vêm de mudanças breves e aleatórias na distribuição de elétrons de uma molécula, que causam mudanças correspondentes em moléculas próximas. Essas mudanças aleatórias acontecem em todas as moléculas, então esta é uma das poucas interações disponíveis para moléculas apolares. As forças de dispersão de Londres estão entre as forças intermoleculares mais fracas.

Anteriormente, previmos que forças intermoleculares mais fortes correspondiam a pontos de fusão mais altos. Podemos ver isso em ação com hexadecano, 2-hexadecanona e ácido hexadecanóico. À medida que a força das interações intermoleculares disponíveis para cada molécula aumenta, o mesmo acontece com o ponto de fusão.

As forças intermoleculares não são o único fator que determina o ponto de fusão de uma substância. Sua pureza afeta significativamente seus pontos de fusão e congelamento em um efeito chamado 'depressão do ponto de congelamento'. Este efeito significa que uma solução tem um ponto de congelamento mais baixo do que o solvente puro. É por isso que as ruas são polvilhadas com sal quando fica muito frio. Se alguma água se acumular na rua, o sal se dissolve rapidamente para formar uma solução com um ponto de congelamento muito mais baixo do que a água pura.

Em um sólido, as impurezas são incorporadas à estrutura da rede. Essas áreas geralmente têm interações intermoleculares mais fracas, tornando partes da estrutura mais fáceis de interromper. Assim, em comparação com um sólido puro, a fusão começa em uma temperatura mais baixa e ocorre em uma faixa de temperatura mais ampla.

Neste laboratório, você medirá os pontos de fusão de dois compostos orgânicos conhecidos e, em seguida, analisará uma mistura para explorar como as impurezas afetam a faixa do ponto de fusão.