Tendências do estado físico na Tabela Periódica para Química HSC

O cloro é um gás. O bromo, diretamente abaixo dele na tabela periódica, é um líquido. O iodo, diretamente abaixo do bromo, é um sólido.

Este é um problema útil. Estes elementos pertencem todos ao Grupo 17 e apresentam comportamento químico semelhante, então por que não têm o mesmo estado físico?

Antes de continuares a ler, faz uma previsão: à medida que descemos no Grupo 17, torna-se mais fácil ou mais difícil separar as partículas umas das outras?

Torna-se mais difícil separá-las. Esta única ideia explica o padrão de gás para líquido e depois sólido ao descer pelo grupo dos halogénios, e dá-nos uma forma de compreender grande parte da tabela periódica sem memorizar o estado de cada elemento.

01O estado físico resulta de uma competição entre atração e movimento térmico

As partículas de uma substância estão sempre em movimento. A temperaturas mais elevadas, têm mais energia térmica e, em média, movem-se de forma mais intensa.

Ao mesmo tempo, as partículas podem atrair-se umas às outras.

Podes imaginar isto como uma festa ligeiramente estranha. O movimento térmico corresponde a todas as pessoas a circularem pela sala. As forças de atração correspondem às razões que fazem com que as pessoas continuem a agrupar-se.

Se as atrações forem fracas em comparação com o movimento térmico das partículas, estas podem afastar-se muito umas das outras e a substância é um gás.

Se as atrações forem suficientemente fortes para manter as partículas próximas, mas não fixas numa única posição, a substância pode ser um líquido.

Se a estrutura mantiver as partículas em posições fixas, com as partículas principalmente a vibrar em torno dessas posições, a substância é um sólido.

A analogia tem limitações. As partículas não tomam decisões, e diferentes substâncias podem ser mantidas unidas por tipos muito diferentes de ligações e atrações. A parte útil é a competição: a energia térmica tende a separar as partículas, enquanto as interações atrativas tendem a mantê-las juntas.

02O estado à temperatura ambiente significa, na realidade, ponto de fusão e ponto de ebulição

Um elemento não é permanentemente sólido, líquido ou gasoso. O seu estado depende da temperatura e da pressão.

Nas questões de Química HSC, “temperatura ambiente” significa normalmente cerca de \(20^\circ\text{C}\) a \(25^\circ\text{C}\), com uma pressão próxima da pressão atmosférica.

A uma pressão fixa:

Suponhamos que um elemento funde a \(10^\circ\text{C}\) e entra em ebulição a \(80^\circ\text{C}\). A \(25^\circ\text{C}\),

\[
10^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<80^\circ\text{C}
\]

portanto, é um líquido.

Isto dá-nos a versão mais precisa do modelo de partículas apresentado anteriormente. Atrações mais fortes exigem, em geral, mais energia para serem superadas, pelo que tendem a originar pontos de fusão ou de ebulição mais elevados.

A tabela periódica é útil porque a posição de um elemento fornece pistas sobre a sua estrutura e ligações, o que nos ajuda depois a raciocinar sobre esses pontos de fusão e de ebulição.

03O padrão geral na tabela periódica

A maioria dos elementos é sólida à temperatura ambiente.

Os gases concentram-se na região superior direita da tabela, além do hidrogénio. Apenas um número muito reduzido de elementos familiares é líquido à temperatura ambiente.

Um primeiro mapa útil é:

Isto é um padrão, não uma lei que te permita colorir a tabela periódica sem pensar.

Por exemplo, o mercúrio é um metal, mas é líquido à temperatura ambiente. O gálio e o césio são sólidos a \(25^\circ\text{C}\), mas ambos fundem pouco acima da temperatura ambiente. Um ambiente quente pode, portanto, fazer diferença perto de uma transição de fase.

A melhor pergunta não é simplesmente: “É um metal ou um não metal?”

Pergunta:

Que partículas ou que tipo de estrutura forma o elemento, e quão difícil é separá-las?

04Por que razão a maioria dos metais é sólida

Um metal não é constituído por pequenas moléculas metálicas separadas. Os seus átomos formam uma estrutura metálica extensa.

No modelo de ligação metálica, os iões metálicos positivos são atraídos pelos eletrões deslocalizados em toda a rede. Para fundir um metal, é necessário superar um número suficiente destas atrações para que as partículas possam mover-se umas em relação às outras.

Isso normalmente exige temperaturas superiores à temperatura ambiente, pelo que a maioria dos metais é sólida a \(25^\circ\text{C}\).

No entanto, existem diferenças importantes entre os metais. A ligação metálica não tem exatamente a mesma intensidade em todos os elementos. O tamanho atómico, a carga, a configuração eletrónica e a estrutura cristalina têm todos importância.

É por isso que “metal = sólido” é uma previsão inicial útil, mas não uma regra exata.

O mercúrio é a famosa exceção à temperatura ambiente: é líquido.

05Por que razão a região superior direita contém tantos gases

Agora observa a região superior direita da tabela periódica.

Vários não metais existem sob a forma de moléculas pequenas:

• hidrogénio, \(\ce{H2}\)
• azoto, \(\ce{N2}\)
• oxigénio, \(\ce{O2}\)
• flúor, \(\ce{F2}\)
• cloro, \(\ce{Cl2}\)

As ligações covalentes dentro destas moléculas podem ser muito fortes. A ligação \(\ce{N#N}\) do azoto, por exemplo, certamente não é fraca.

Mas fazer o azoto entrar em ebulição não exige que quebremos todas as ligações \(\ce{N#N}\).

Esta distinção é fundamental.

Quando uma substância molecular simples funde ou entra em ebulição, superamos principalmente as forças intermoleculares entre as suas moléculas. As ligações covalentes dentro de cada molécula permanecem intactas.

Moléculas pequenas tendem a apresentar forças de dispersão de London relativamente fracas entre si, pelo que muitos destes elementos têm pontos de ebulição muito inferiores à temperatura ambiente. São gases a \(25^\circ\text{C}\).

06Os halogénios mostram esta tendência de forma muito clara

Considera o Grupo 17.

Os pontos de fusão e de ebulição aumentam substancialmente à medida que descemos no grupo.

Porquê?

Cada molécula torna-se maior e contém mais eletrões. A sua nuvem eletrónica torna-se mais polarizável, o que significa que a distribuição dos seus eletrões pode ser deformada com maior facilidade.

Isto origina dipolos temporários mais fortes e, consequentemente, forças de dispersão de London mais fortes entre moléculas vizinhas.

É necessária mais energia para separar as moléculas.

Assim, à mesma temperatura de \(25^\circ\text{C}\):

• a energia térmica mantém facilmente as moléculas de \(\ce{Cl2}\) afastadas umas das outras num gás
• as moléculas de \(\ce{Br2}\) permanecem próximas, mas móveis, num líquido
• as atrações entre as moléculas de \(\ce{I2}\) são suficientemente fortes para que o iodo permaneça sólido

07Não atribuas a causa à ligação dentro da molécula

Uma explicação comum é esta:

O iodo é sólido porque a ligação covalente \(\ce{I-I}\) é mais forte do que a ligação \(\ce{Cl-Cl}\).

Esta não é a explicação correta para a tendência dos estados físicos.

Fundir iodo não exige que todas as ligações \(\ce{I-I}\) sejam quebradas. As moléculas de \(\ce{I2}\) permanecem como \(\ce{I2}\).

A mudança importante é que as moléculas ganham energia suficiente para se moverem umas em relação às outras. Estamos a superar atrações intermoleculares, e não a separar a molécula em átomos de iodo.

Um hábito útil em exames é perguntar:

Estou a separar moléculas umas das outras ou a separar átomos dentro de uma molécula?

Na fusão e na ebulição de substâncias moleculares simples, normalmente é a primeira situação.

08O oxigénio e o enxofre mostram que a posição no grupo não explica tudo

O oxigénio e o enxofre pertencem ambos ao Grupo 16.

Poderias, portanto, prever estados semelhantes. No entanto, o oxigénio é um gás à temperatura ambiente, enquanto o enxofre é um sólido.

Parte da explicação é o tamanho, mas existe outro detalhe importante: as suas moléculas elementares não têm o mesmo tamanho.

O oxigénio existe normalmente sob a forma de pequenas moléculas de \(\ce{O2}\). O enxofre elementar comum à temperatura ambiente contém moléculas de \(\ce{S8}\), muito maiores.

Uma molécula de \(\ce{S8}\) tem muitos mais eletrões e uma nuvem eletrónica muito maior. Consequentemente, as suas forças de dispersão de London são muito mais fortes.

09Gases nobres: átomos maiores, mas ainda gases

O Grupo 18 apresenta-nos outra tendência clara.

Os gases nobres existem como átomos individuais, e não como moléculas. Entre esses átomos, as principais atrações são forças de dispersão de London.

Ao descer no grupo, do hélio em direção ao xénon e ao radão:

• os átomos tornam-se maiores
• contêm mais eletrões
• as suas nuvens eletrónicas tornam-se mais polarizáveis
• as forças de dispersão tornam-se mais fortes
• os pontos de ebulição aumentam

Isso significa que o xénon deveria ser sólido à temperatura ambiente?

Não.

O seu ponto de ebulição aumentou em comparação com o do hélio ou do néon, mas continua muito abaixo de \(25^\circ\text{C}\). A temperatura ambiente continua, portanto, a ser suficientemente elevada para que o xénon seja um gás.

Este é um aviso útil. Uma propriedade pode aumentar ao descer num grupo sem aumentar o suficiente para atravessar a fronteira entre gás e líquido ou entre líquido e sólido.

10Ao longo de um período, o padrão não é uniforme

É tentador procurar uma única regra simples da esquerda para a direita.

Algo como:

O raio atómico diminui ao longo de um período, por isso os elementos deveriam passar gradualmente de sólido para líquido e depois para gás.

Isto não funciona porque o tipo de estrutura muda ao longo de um período.

Considera alguns elementos do Período 3:

• o sódio, o magnésio e o alumínio têm estruturas metálicas e são sólidos
• o silício tem uma estrutura covalente gigante e é sólido
• o fósforo e o enxofre formam sólidos moleculares à temperatura ambiente
• o cloro forma pequenas moléculas de \(\ce{Cl2}\) e é um gás
• o árgon é monoatómico e é um gás

Repara no que aconteceu. Não nos limitámos a tornar um único tipo de partícula cada vez menor.

Passámos de uma rede metálica para uma estrutura covalente gigante, depois para substâncias moleculares e, por fim, para átomos individuais.

Esta mudança de estrutura é extremamente importante.

Portanto, não existe uma regra fiável que diga “avança três posições para a direita e o estado passa de sólido para gás”. É necessário identificar que tipo de substância cada elemento forma.

11As estruturas covalentes gigantes são novamente diferentes

O carbono e o silício fornecem outro contraste útil com os não metais moleculares simples.

No diamante, cada átomo de carbono está ligado covalentemente numa rede tridimensional gigante. O silício também forma uma estrutura covalente gigante.

Não existem moléculas separadas de \(\ce{C}\) ou \(\ce{Si}\) que possam simplesmente afastar-se umas das outras.

Para fundir uma substância covalente gigante, é necessário superar muitas ligações covalentes fortes na estrutura extensa. Isto exige uma grande quantidade de energia.

Estas substâncias são, portanto, sólidas à temperatura ambiente.

É por isso que a regra “os não metais são gases” é inútil. Alguns não metais são gases, alguns são sólidos moleculares e o carbono pode formar sólidos covalentes gigantes.

A estrutura é importante.

12Um método de decisão melhor do que memorizar cores numa tabela periódica

Quando te pedirem para usar a posição na tabela periódica para discutir o estado provável de um elemento, segue estas perguntas pela ordem indicada.

1. É um metal, um não metal ou um elemento que provavelmente forma uma estrutura covalente gigante?
   A maioria dos metais e dos elementos com estruturas covalentes gigantes será sólida à temperatura ambiente.

2. Se for um elemento molecular, qual é o tamanho das suas moléculas?
   Nuvens eletrónicas maiores significam normalmente maior polarizabilidade e forças de dispersão mais fortes.

3. Estás a comparar estruturas semelhantes?
   As tendências de tamanho são especialmente úteis dentro de uma família como os halogénios ou os gases nobres. São muito menos úteis se uma substância for uma rede covalente gigante e outra for constituída por átomos individuais.

4. Se forem fornecidos pontos de fusão e de ebulição, usa-os.
   Não substituas dados reais por uma tendência memorizada.

5. Mantém as condições constantes.
   Um estado à temperatura ambiente é uma afirmação relativa a uma determinada temperatura e pressão, e não uma propriedade eterna do elemento.

13Os padrões mais úteis para recordar

Não precisas de memorizar 118 estados separados para responder à maioria das questões de HSC.

Mantém estes padrões em mente:

• a maioria dos elementos é sólida à temperatura ambiente
• a maioria dos metais é sólida, sendo o mercúrio a exceção líquida mais conhecida
• o hidrogénio é um gás apesar de se encontrar acima do Grupo 1
• o azoto, o oxigénio, o flúor e o cloro são gases
• os gases nobres são gases à temperatura ambiente
• o bromo é líquido à temperatura ambiente
• ao descer num grupo de substâncias moleculares ou monoatómicas comparáveis, o aumento do tamanho e da polarizabilidade reforça frequentemente as forças de dispersão de London
• atrações mais fortes entre partículas produzem geralmente pontos de fusão e de ebulição mais elevados
• ao longo de um período, a mudança de estrutura significa que não existe uma única regra uniforme para o estado físico

Acima de tudo, explica o padrão através da estrutura e das atrações, em vez de tratares a tabela periódica como um teste de memorização por cores.

14Perguntas e soluções

Pergunta 1

Um elemento tem um ponto de fusão de \(-12^\circ\text{C}\) e um ponto de ebulição de \(47^\circ\text{C}\) à pressão atmosférica.

Qual é o seu estado a \(25^\circ\text{C}\)? Explica o teu raciocínio.

Solução 1

O elemento é líquido a \(25^\circ\text{C}\).

O seu ponto de fusão é inferior à temperatura ambiente, por isso já fundiu. O seu ponto de ebulição é superior à temperatura ambiente, por isso ainda não entrou em ebulição.

A comparação relevante é

\[
-12^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<47^\circ\text{C}.
\]

Como \(25^\circ\text{C}\) se encontra entre os pontos de fusão e de ebulição, o estado estável nestas condições é líquido.

O princípio importante é que o estado é determinado pela temperatura em relação às temperaturas de mudança de fase, e não pela atribuição permanente do rótulo “sólido”, “líquido” ou “gás” a um elemento.

Pergunta 2

O cloro é um gás à temperatura ambiente, enquanto o iodo é um sólido.

Um estudante explica a diferença dizendo: “A ligação covalente \(\ce{I-I}\) é mais forte, por isso as moléculas de iodo não se conseguem separar.”

Identifica o problema desta explicação e apresenta uma explicação melhor.

Solução 2

A explicação concentra-se na interação errada. O estado à temperatura ambiente depende principalmente das forças entre as moléculas, e não da quebra da ligação covalente dentro de cada molécula.

O cloro existe como \(\ce{Cl2}\), enquanto o iodo existe como \(\ce{I2}\).

Quando o cloro entra em ebulição ou o iodo funde, as moléculas diatómicas normalmente não se separam em átomos individuais. As ligações covalentes \(\ce{Cl-Cl}\) ou \(\ce{I-I}\) permanecem intactas.

Em vez disso, as moléculas estão a ser separadas das moléculas vizinhas.

Uma molécula de \(\ce{I2}\) tem mais eletrões e uma nuvem eletrónica maior e mais polarizável do que \(\ce{Cl2}\). Isto produz forças de dispersão de London mais fortes entre moléculas de \(\ce{I2}\).

Por isso, o iodo tem pontos de fusão e de ebulição muito mais elevados. A \(25^\circ\text{C}\), o iodo permanece sólido, enquanto o cloro já se encontra muito acima do seu ponto de ebulição e é um gás.

A armadilha consiste em confundir ligações covalentes intramoleculares com forças intermoleculares.

Pergunta 3

Um estudante faz esta previsão sobre o Período 3:

“O raio atómico geralmente diminui da esquerda para a direita, por isso os estados dos elementos deveriam mudar gradualmente de sólido para líquido e depois para gás.”

Explica por que razão esta previsão não é fiável. Refere pelo menos três tipos diferentes de estrutura elementar encontrados ao longo do período.

Solução 3

A previsão não é fiável porque o tipo de estrutura muda ao longo do Período 3, pelo que o tamanho atómico, por si só, não pode determinar o estado.

À esquerda do período, o sódio, o magnésio e o alumínio formam estruturas metálicas gigantes. A ligação metálica estende-se por toda a rede, e os três são sólidos à temperatura ambiente.

O silício forma uma estrutura covalente gigante. Ligações covalentes fortes estendem-se por toda a rede, pelo que o silício também é sólido.

Mais à direita, o fósforo, o enxofre e o cloro formam substâncias moleculares. Os seus estados físicos dependem fortemente das forças intermoleculares entre essas moléculas. O cloro tem pequenas moléculas de \(\ce{Cl2}\), com forças de dispersão relativamente fracas, e é um gás à temperatura ambiente.

O árgon é constituído por átomos individuais, com apenas forças de dispersão fracas entre eles, e também é um gás.

O erro do estudante é assumir que apenas uma variável muda ao longo do período. Na realidade, a ligação e a estrutura também mudam, e essas mudanças podem ter um efeito maior no comportamento de fusão e ebulição do que o raio atómico, por si só.

Pergunta 4

Estão disponíveis os seguintes dados aproximados para três halogénios.

Determina o estado de cada elemento a \(70^\circ\text{C}\).

Um estudante observa que o bromo já não é líquido e afirma que a tendência normal dos estados físicos no Grupo 17 “deixou de funcionar”. Explica o problema desta conclusão.

Solução 4

A \(70^\circ\text{C}\), o cloro é um gás, o bromo é um gás e o iodo é um sólido. Isto não contradiz a tendência periódica.

Para o cloro,

\[
70^\circ\text{C}>-34^\circ\text{C},
\]

portanto, a temperatura está acima do seu ponto de ebulição. O cloro é um gás.

Para o bromo,

\[
70^\circ\text{C}>59^\circ\text{C},
\]

portanto, o bromo também se encontra acima do seu ponto de ebulição e é um gás.

Para o iodo,

\[
70^\circ\text{C}<114^\circ\text{C},
\]

portanto, o iodo permanece abaixo do seu ponto de fusão e é um sólido.

A tendência do Grupo 17 não desapareceu. Os pontos de fusão e de ebulição continuam a aumentar fortemente do cloro para o bromo e depois para o iodo, porque as forças intermoleculares de dispersão se tornam mais fortes ao descer no grupo.

O que mudou foi a temperatura de observação.

A \(25^\circ\text{C}\), o bromo encontra-se entre os seus pontos de fusão e de ebulição e é líquido. A \(70^\circ\text{C}\), a mesma substância encontra-se acima do seu ponto de ebulição e é gasosa.

A armadilha consiste em tratar o “estado à temperatura ambiente” como se fosse um estado intrínseco que um elemento tivesse de manter a qualquer temperatura.

Pergunta 5

Os átomos de xénon são muito mais pesados e contêm mais eletrões do que os átomos de silício.

Por isso, um estudante prevê que o xénon deveria ser sólido à temperatura ambiente, enquanto o silício deveria ser um gás, argumentando que “mais eletrões significam forças de dispersão mais fortes”.

Sem te baseares apenas em estados memorizados, explica por que razão esta previsão falha.

Solução 5

O silício é sólido à temperatura ambiente, enquanto o xénon é um gás. A regra do estudante falha porque os dois elementos têm estruturas completamente diferentes.

A afirmação sobre o número de eletrões contém uma ideia útil: dentro de uma série comparável, uma nuvem eletrónica maior e mais polarizável pode produzir forças de dispersão de London mais fortes.

Por exemplo, esse raciocínio ajuda a explicar por que razão o xénon tem um ponto de ebulição superior ao de gases nobres mais leves, como o néon.

Mas o silício não é mantido unido principalmente por forças de dispersão de London entre partículas separadas de silício.

O silício forma uma rede covalente gigante. Cada átomo está ligado a outros por ligações covalentes fortes que se estendem por toda a estrutura. Fundir silício exige, portanto, energia suficiente para romper muitas ligações covalentes fortes.

O xénon é constituído por átomos separados. As atrações entre esses átomos são forças de dispersão de London. Estas tornam-se mais fortes ao descer no Grupo 18, mas continuam suficientemente fracas para que o ponto de ebulição do xénon permaneça abaixo da temperatura ambiente.

A suposição implícita do estudante foi que “mais eletrões” podia ser comparado diretamente entre substâncias com tipos de ligação completamente diferentes.

Uma ordem de raciocínio mais segura é:

primeiro identifica a estrutura, depois identifica a atração importante e, por fim, aplica as tendências de tamanho e polarizabilidade dentro de estruturas comparáveis.

15O que esta ideia prepara a seguir

As tendências do estado físico são, na realidade, uma introdução a uma competência mais ampla em Química HSC: relacionar estrutura, ligações e forças intermoleculares com propriedades físicas mensuráveis.

Quando conseguires explicar por que razão o cloro, o bromo e o iodo têm estados diferentes, o passo seguinte é explicar as tendências reais dos seus pontos de fusão e de ebulição. O mesmo raciocínio estende-se depois às substâncias moleculares de forma mais geral, incluindo por que razão alguns compostos são gases voláteis, alguns são líquidos e outros formam sólidos com pontos de fusão elevados.