Questão de química do vestibular: cálculo da fórmula de substância por produtos de combustão

Algoritmo para resolução da questão 33 do ENEM russo (EGE) de química: cálculo da quantidade de átomos a partir dos produtos de combustão, verificação da presença de oxigênio, dedução da fórmula empírica e determinação da substância com base nas pistas do enunciado.

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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:

Algoritmo de resolução

  1. Encontrar as quantidades de substância dos produtos de combustão: n(CO₂), n(H₂O), e se necessário n(N₂), n(HHal).
  2. Passar para as quantidades de átomos dos elementos na substância inicial.
  3. Realizar a verificação da presença de oxigênio por meio da massa da substância inicial.
  4. Obter a fórmula empírica.
  5. Utilizar as informações do enunciado (propriedades, reações) para deduzir a fórmula estrutural exata.
  6. 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»:

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:

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

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