A essência da questão 33 sobre cálculos estequiométricos com produtos de combustão
A questão 33 da segunda parte do EGE exige estabelecer matematicamente a fórmula molecular de um composto orgânico desconhecido com base em dados sobre sua combustão em oxigênio. O enunciado geralmente fornece o volume de CO₂ liberado e a massa de H₂O, às vezes acompanhados da massa da substância inicial.
A natureza do composto queimado é determinada pela composição dos produtos de combustão:
- apenas CO₂ e H₂O — hidrocarboneto ou composto oxigenado;
- liberação adicional de N₂ — composto nitrogenado (amina, aminoácido);
- liberação de HCl, HBr, HI — derivado halogenado (os halogênios não formam substâncias simples na combustão, apenas halogenidretos);
- formação de carbonato de sódio ou potássio — a substância inicial era um sal de ácido carboxílico.
Algoritmo de resolução
- Encontrar as quantidades de substância dos produtos de combustão: n(CO₂), n(H₂O), e se necessário n(N₂), n(HHal).
- Passar para as quantidades de átomos dos elementos na substância inicial.
- Realizar a verificação da presença de oxigênio por meio da massa da substância inicial.
- Obter a fórmula empírica.
- Utilizar as informações do enunciado (propriedades, reações) para deduzir a fórmula estrutural exata.
- Escrever a equação da reação solicitada — isso garante a terceira pontuação.
Passagem dos produtos para a quantidade de átomos
O princípio «uma caixa — doces dentro»:
- n(C) = n(CO₂) — há um átomo de carbono em cada molécula de CO₂;
- n(H) = 2·n(H₂O) — há dois átomos de hidrogênio na molécula de água, a quantidade é duplicada;
- n(H) += n(HHal) — quando o halogenidreto é liberado, cada mol dele adiciona um mol de hidrogênio e um mol de halogênio;
- n(N) = 2·n(N₂) — o nitrogênio é liberado na forma de molécula diatômica, portanto a quantidade de átomos é o dobro.
As principais «armadilhas» — a duplicação para a água e para o nitrogênio molecular.
Verificação da presença de oxigênio
Hidrocarbonetos e compostos oxigenados queimam de acordo com um esquema aparentemente idêntico: produzem CO₂ e H₂O. Os átomos de oxigênio nos produtos podem vir tanto da própria substância quanto do oxigênio do ar, portanto é impossível calcular diretamente n(O) na molécula inicial.
A massa da substância inicial é usada para a verificação:
- calcula-se a massa de carbono: m(C) = n(C) · 12;
- calcula-se a massa de hidrogênio: m(H) = n(H) · 1;
- se houver, calcula-se a massa de nitrogênio, halogênio;
- o restante m(substância) − Σm(elementos) é atribuído ao oxigênio.
Se o restante for igual a zero, trata-se de um hidrocarboneto. Se o restante for positivo (por exemplo, 1,6 g), então n(O) = m(O)/16, e o oxigênio faz parte da fórmula. Essa verificação é realizada sempre.
Dedução da fórmula empírica e determinação da classe
A proporção entre as quantidades de átomos fornece a fórmula empírica. Por exemplo, a proporção n(C):n(H) = 1:2 corresponde à fórmula geral CₙH₂ₙ — que são alcenos ou cicloalcanos. A proporção CₙH₂ₙ₊₂ refere-se a alcanos, e CₙH₂ₙ₈ (ou CₙH₂ₙ₋₂) a alcinos ou dienos. A classe do composto é o principal resultado intermediário do cálculo.
O isômero específico é determinado com base em informações adicionais do enunciado: reações características, número de produtos de halogenação, tipo de oxidação, simetria da molécula.
Exemplos de uso das pistas do enunciado
Exemplo 1. O hidrocarboneto C₄H₈ tem estrutura cíclica e, ao reagir com HBr, forma dois derivados bromados. A fórmula CₙH₂ₙ corresponde a alcenos ou cicloalcanos; a menção a um ciclo restringe aos cicloalcanos. O ciclobutano daria apenas um produto, portanto o metilciclopropano é o correto: o HBr abre o ciclo tensionado de três membros, o hidrogênio vai para o átomo mais hidrogenado de acordo com a regra de Markovnikov, e o bromo para o menos hidrogenado, resultando em dois bromobutanos isoméricos.
Exemplo 2. O alcano C₅H₁₂ na cloração dá apenas um derivado monoclorado. Isso só é possível com simetria completa da molécula — todos os átomos de hidrogênio são equivalentes. O 2,2-dimetilpropano (neopentano) atende a essa condição: a simetria radial torna todos os 12 átomos de hidrogênio idênticos, de modo que a substituição em qualquer um deles leva ao mesmo produto.
Exemplo 3. O hidrocarboneto C₅H₁₀ na oxidação com KMnO₄ acidificado dá um ácido carboxílico e uma cetona. Os cicloalcanos C₅–C₆ são estáveis à oxidação, logo trata-se de um alceno. A formação de cetona requer a presença de um átomo de carbono terciário na ligação dupla, e a formação de ácido carboxílico requer a presença de pelo menos dois átomos de carbono de um lado da ligação dupla. O 2-metilbut-2-eno satisfaz as condições: na oxidação, ele produz ácido acético e acetona. A hidrobromação pela regra de Markovnikov resulta em 2-bromo-2-metilbutano.
Pontos-chave
- A questão 33 é resolvida por meio da combinação de cálculos baseados nos produtos de combustão e análise das pistas do enunciado.
- A quantidade de átomos de carbono é igual a n(CO₂), a de hidrogênio a 2·n(H₂O), e a de nitrogênio a 2·n(N₂).
- Os halogênios são liberados na combustão apenas na forma de halogenidretos HHal.
- A verificação do oxigênio através da massa da substância inicial é obrigatória, caso contrário não é possível diferenciar um hidrocarboneto de um composto oxigenado.
- A fórmula empírica determina a classe do composto de acordo com a fórmula geral da série homóloga.
- Um único produto de monocloração de um alcano indica simetria completa da cadeia carbônica.
- A oxidação de um alceno a ácido e cetona indica um átomo de carbono terciário adjacente à ligação dupla.
- A terceira pontuação da questão é concedida pela equação da reação escrita corretamente com a participação da substância deduzida.