A lógica da transição das frações mássicas para a fórmula
A questão 33 do exame de química no modelo com frações mássicas dos elementos é resolvida com a mesma lógica do problema de produtos de combustão: o objetivo é obter a fórmula empírica da substância orgânica e, em seguida, utilizando os dados do enunciado, estabelecer a fórmula molecular e a estrutura.
A técnica-chave é igualar 100% a 100 gramas da substância. Se o enunciado indicar, por exemplo, que a substância contém 11,97% de nitrogênio, 51,28% de carbono, 27,35% de oxigênio e 9,4% de hidrogênio, basta escrever: «Suponha que a massa da substância seja de 100 g». Assim, as frações mássicas em porcentagem convertem-se automaticamente nas massas dos elementos em gramas: 11,97 g de nitrogênio, 51,28 g de carbono e assim por diante.
Algoritmo para o cálculo da fórmula empírica
- Escrever: «Suponha que a massa da substância seja igual a 100 g».
- Converter porcentagens em gramas para cada elemento.
- Dividir a massa de cada elemento pela sua massa molar para obter a quantidade de matéria (em mols).
- Encontrar o menor valor entre as quantidades obtidas e dividir todos os valores por ele para obter a razão molar dos átomos.
- Se necessário, multiplicar a proporção por um número inteiro para obter índices inteiros.
- Escrever a fórmula empírica.
Exemplo: a substância contém 72% de C, 21,33% de O, 6,67% de H. Em 100 g há 72 g de carbono (72/12 = 6 mol), 21,33 g de oxigênio (21,33/16 ≈ 1,33 mol), 6,67 g de hidrogênio (6,67/1 = 6,67 mol). A divisão por 1,33 resulta na proporção C : H : O ≈ 4,5 : 5 : 1, que, após ser duplicada, conduz a índices inteiros.
A composição de um sal de ácido carboxílico pode incluir um metal: se o enunciado fornecer as porcentagens de hidrogênio, carbono, oxigênio e, por exemplo, cálcio, o cálcio também é incluído no cálculo da quantidade de matéria (m/40 para o Ca).
Vantagem em relação ao problema de produtos de combustão
O cálculo por frações mássicas é mais simples do que por produtos de combustão: há menos etapas intermediárias e menos margem para erro. Nos produtos de combustão, frequentemente surgem dificuldades na verificação da massa de oxigênio e no recálculo através do CO₂ e H₂O. Aqui, as massas dos elementos são obtidas diretamente a partir do enunciado, e o risco de erro aritmético é mínimo.
Análise do enunciado: pistas sobre a classe do composto
O cálculo fornece apenas a fórmula bruta; a estrutura e a classe da substância são determinadas por análise da parte textual do enunciado. Dicas típicas:
- A reação com hidróxido de diaminoprata (solução amoniacal de óxido de prata) é um sinal de alcino terminal: a ligação tripla está obrigatoriamente localizada na extremidade da cadeia, e não no meio.
- Desidratação de álcool terciário gera um alceno, sendo que a cadeia carbônica contém pelo menos quatro átomos de carbono e uma ramificação no antigo átomo terciário.
- Cloração radicalar de um hidrocarboneto líquido com formação de um único monocloroderivado aponta para uma molécula de alta simetria (por exemplo, neopentano); o estado líquido refere-se a hidrocarbonetos a partir dos pentanos.
Dicas sobre os produtos de oxidação pelo KMnO₄
A oxidação com solução acidificada de permanganato de potássio é uma fonte poderosa de informações sobre a estrutura.
- A formação de um ácido carboxílico monobásico e liberação de CO₂ é possível para: alcenos com grupo terminal =CH₂ ou =CHR, alcinos terminais, bem como homólogos do benzeno com cadeia lateral (por exemplo, o etilbenzeno é oxidado a ácido benzoico com liberação de CO₂; a ligação C–C junto ao anel aromático é preservada, eliminando-se o átomo de carbono terminal).
- Os alcadienes, em regra, sofrem oxidação completa a CO₂ (o butadieno-1,3 gera ácido oxálico, que é instável e se decompõe em CO₂), ou formam um ácido dibásico (o isopreno produz um ácido dibásico metil-substituído). Portanto, a formação de um ácido monobásico não é característica para dienos.
- A formação de um ácido dibásico com grupos carboxila em posições adjacentes sem liberação de CO₂ é uma indicação praticamente inequívoca de o-xileno (1,2-dimetilbenzeno), que se oxida a ácido o-ftálico. A preservação de todos os átomos de carbono sem desprendimento de CO₂ é típica de homólogos do benzeno em que cada cadeia lateral é metílica.
- A disposição adjacente, meta ou para de grupos funcionais quase sempre sugere um anel benzênico.
Combinação de cálculos e análise do enunciado
A questão 33 parece ser puramente matemática, mas na prática é um simbiose entre química orgânica e aritmética: o cálculo fornece a fórmula bruta, enquanto o texto do enunciado restringe o leque de estruturas possíveis a um isômero específico. Recomenda-se trabalhar simultaneamente com ambas as partes: as conclusões preliminares do enunciado (classe, presença de ligações insaturadas, anel aromático, metal) são confirmadas pelos resultados numéricos, e o cálculo ajuda a escolher entre várias opções estruturais.
Pontos-chave
- Igualar 100% a 100 g da substância é uma técnica padrão para converter frações mássicas em massas de elementos.
- A fórmula empírica é obtida dividindo-se as massas dos elementos pelas suas massas molares e normalizando pelo menor valor.
- A composição de um sal de ácido carboxílico pode incluir um metal — sua massa também é incluída no cálculo.
- A reação com solução amoniacal de óxido de prata indica um alcino terminal.
- A desidratação de um álcool terciário produz um alceno ramificado com pelo menos 4 átomos de carbono.
- A formação de ácido monobásico e CO₂ na oxidação por KMnO₄ é característica de alcenos, alcinos terminais e homólogos do benzeno.
- Um ácido dibásico com grupos COOH adjacentes, sem liberação de CO₂ — indício de o-xileno.
- Os cálculos e a análise do enunciado devem ser usados em conjunto, o que aumenta a confiabilidade da resposta.