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ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 1 Prof. Guilherme Alves Aula 18 - Propriedades Físicas dos Compostos Orgânicos vestibulares.estrategia.com EXTENSIVO 2024 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO 4 1. RECAPITULAÇÃO – FORÇAS INTERMOLECULARES 5 FORÇAS DE DISPERSÃO DE LONDON 6 FORÇAS DIPOLO-DIPOLO 8 LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO 9 FORÇAS ÍON-DIPOLO 10 OUTRAS INTERAÇÕES ENTRE PARTÍCULAS 11 COMPARAÇÃO QUANTITATIVA ENTRE AS INTERAÇÕES ENTRE AS PARTÍCULAS 13 2. TEMPERATURA DE FUSÃO E EBULIÇÃO 15 3. SOLUBILIDADE 25 GRUPO POLARES E A SOLUBILIDADE 26 AUMENTO DA CADEIA HIDROCARBÔNICA E A SOLUBILIDADE 27 AUMENTO DO NÚMERO DE GRUPOS POLARES E A SOLUBILIDADE 28 INFLUÊNCIA IÔNICA NA SOLUBILIDADE 28 4. EFEITOS ELETRÔNICOS NOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 30 EFEITOS INDUTIVOS 30 EFEITOS MESOMÉRICOS OU RESSONANTES 33 5. CONCEITOS MODERNOS DE ÁCIDO E BASE 35 TEORIA DE ARRHENIUS 35 TEORIA DE BRÖNSTED-LOWRY 37 TEORIA DE LEWIS 40 6. FUNÇÕES ORGÂNICAS COM PROPRIEDADES ÁCIDAS 45 FUNÇÕES ORGÂNICAS ÁCIDAS 45 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 3 INFLUÊNCIA DE GRUPOS SUBSTITUINTES NA ACIDEZ DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 47 7. FUNÇÕES ORGÂNICAS COM PROPRIEDADES BÁSICAS 54 INFLUÊNCIA DE GRUPOS SUBSTITUINTES NA BASICIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 57 8. QUESTÕES FUNDAMENTAIS 58 9. QUESTÕES EXTRAS - DISCURSIVAS 61 10. GABARITO DAS QUESTÕES FUNDAMENTAIS 71 11. GABARITO DAS QUESTÕES EXTRAS 72 12. CONSIDERAÇÕES FINAIS 78 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 4 INTRODUÇÃO Olá, tudo bem? Estamos de volta à Química Orgânica. Sem dúvida, esta é uma das aulas mais importantes para o seu vestibular. A partir da compreensão das propriedades que estudaremos aqui, será possível entender muitas aplicações e usos para muitos compostos orgânicos. Esta aula está dividida nos seguintes tópicos: Leia toda a teoria com muita atenção, faça o máximo de questões possível, tente explicar o que você aprendeu a alguém próximo (e aproveita para tirar uma onda de expert no assunto hehehe), faça resumos, grave o áudio de você se explicando... sei lá. Estude! E, claro, jamais durma com dúvida. Estamos combinados? Bons estudos! Grande abraço! Professor Guilherme Alves Propriedades físicas dos compostos orgânicos Temperatura de fusão e ebulição Solubilidade Acidez e Basicidade ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 5 1. RECAPITULAÇÃO – FORÇAS INTERMOLECULARES As moléculas podem ser polares ou apolares, ou seja, uma molécula pode ser considerada polar, se apresentar uma região carregada ou parcialmente carregada positivamente e outra região carregada ou parcialmente carregada negativamente. Se ela é considerada apolar, normalmente não apresenta formação de cargas. Por causa dessas características, quando duas moléculas polares se aproximam, elas interagem devido às forças eletrostáticas de atração entre as regiões de cargas opostas. Com relação a essas interações, podemos defini-las como forças que ocorrem entre moléculas, nos estados sólido e líquido, já que no estado gasoso essas forças de interação praticamente não existem ou são muito fracas, devido à grande dispersão entre as moléculas no sistema. As interações (ou forças) intermoleculares são mais fracas do que as ligações interatômicas, porém possuem grande importância no estudo da Química, visto que têm grande influência sobre, principalmente: Sabe-se que existem três principais (não únicos) tipos de forças atrativas entre moléculas: forças dipolo-dipolo, de dispersão de London e de ligação de hidrogênio. Essas forças são também chamadas forças de van der Waals, em homenagem a Johannes van der Waals, que desenvolveu a equação para determinar o desvio de gases do comportamento ideal. Outro tipo de força atrativa, a força íon-dipolo, é importante em soluções. Todas as quatro forças são eletrostáticas por natureza, envolvendo atrações entre espécies positivas e negativas. De acordo com a Lei de Coulomb, discutida em Física, a força de atração entre duas cargas obedece à seguinte relação: 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝐾 · 𝑞 · 𝑞 𝑑 onde K é uma constante, q1 e q2 são as cargas e d representa a distância que separa as cargas. Sendo assim, podemos fazer as seguintes generalizações: Apectos relacionados às propriedades físicas dos compostos, como ponto de fusão e ponto de ebulição Aspectos relativos à solubilidade de gases, de líquidos e de sólidos em seus solventes; Aumentam as cargas parciais das moléculas aumentam as forças intermoleculares maior força atrativa ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 6 FORÇAS DE DISPERSÃO DE LONDON As forças de dipolo induzido, também conhecidas como forças de London ou forças de Van der Waals, estão presentes em moléculas apolares. Lembre-se que os elétrons, nas moléculas apolares, estão distribuídos igualmente entre seus átomos, desse modo, não há dipolo resultante (carga negativa ou positiva). Entretanto, quando uma outra molécula apolar se aproxima, ocorre uma indução de carga, isto é, os elétrons da molécula tendem a se acumular mais em uma região da molécula ou átomo. Esse fenômeno leva a formação de polos (positivo e negativo) fracos na molécula. A molécula, agora com polos, induz outras moléculas a também formarem dipolos. Assim, ocorre uma pequena atração eletrostática entre as moléculas. Para ilustrar melhor esse procedimento, utilizaremos o F2 como exemplo. A indução de polos por outra molécula de F2, assim como a representação da força dipolo induzido está representado abaixo: Esse tipo de força, dipolo induzido, é de baixa magnitude, logo, espera-se para moléculas apolares baixos pontos de fusão e ebulição. Isso porque, quanto mais fracas forem as interações entre as moléculas, mais fácil será para separá-las, ou seja, passar do estado sólido para o líquido ou do líquido para o gasoso. Isto significa que maior seria a temperatura necessária para liquefazer e também para evaporar a referida substância. Até por isso, via de regra, as substâncias leves, formadas por dois átomos, que apresentam forças dipolo induzido, se apresentam na forma gasosa à temperatura ambiente. São exemplos de algumas substâncias que fazem dipolo induzido os gases nobres e H2, O2, F2, Cl2, Br2, I2, CO2, CH4, CCl4 etc. Aumenta a distância entre as moléculas diminuem as forças intermoleculares menor força atrativa ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 7 A facilidade com que a distribuição de cargas em uma molécula pode ser distorcida por um campo elétrico externo é chamada polarizabilidade. Podemos pensar na polarizabilidade de uma molécula como uma medida da 'maciez' de sua nuvem eletrônica; quanto maior a polarizabilidade de uma molécula, mais facilmente sua nuvem eletrônica será distorcida para dar um dipolo momentâneo. O processo de indução de um dipolo depende diretamente da facilidade com que os elétrons de uma molécula podem se movimentar ou ser polarizados. Dessa forma, o tamanho das moléculas é um fator considerado determinante para a polarizabilidade. Moléculas com nuvens eletrônicas grandes, como o bromo (Br2), tendem a ser mais facilmente polarizadas do que moléculascom nuvens eletrônicas pequenas, como o hidrogênio (H2). Assim, moléculas mais polarizáveis têm forças de dispersão de London mais fortes. Em geral, moléculas maiores tendem a ter maiores polarizabilidades porque elas têm maior número de elétrons, que estão mais afastados do núcleo. A intensidade das forças de dispersão de London, portanto, tendem a aumentar com o aumento do tamanho molecular. Uma vez que o tamanho molecular e a massa geralmente assemelham-se, as forças de dispersão tendem a aumentar em intensidade com o aumento da massa molecular. Assim, os pontos de ebulição dos halogêneos e dos gases nobres, por exemplo, aumentam com o aumento da massa molecular. As forças de dispersão ocorrem entre todas as moléculas, não importa se elas são polares ou apolares. As moléculas polares sofrem interações dipolo-dipolo, mas elas também sofrem forças de dispersão ao mesmo tempo. Na realidade, estima-se que as forças de dispersão são responsáveis por mais de 80% da atração total entre as moléculas; as atrações dipolo-dipolo respondem pelo resto. Quando comparadas as forças relativas das atrações intermoleculares, as seguintes generalizações devem ser consideradas: 1. Quando as moléculas têm massas moleculares e formas comparáveis, as forças de dispersão são aproximadamente iguais. Nesse caso, as diferenças em magnitudes das forças atrativas devem- ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 8 se às diferenças nas forças de atração dipolo-dipolo, com a maioria das moléculas polares tendo as atrações mais fortes. 2. Quando as moléculas diferem muito em suas massas moleculares, as forças de dispersão tendem a ser decisivas. Nesse caso, as diferenças nas magnitudes das forças atrativas podem geralmente ser associadas com as diferenças nas massas moleculares, com a molécula mais massiva tendo as atrações mais fortes. A ligação de hidrogênio, que abordaremos a seguir, é um tipo de interação intermolecular tipicamente mais forte que as forças de dispersão. FORÇAS DIPOLO-DIPOLO As forças de dipolo permanente, também denominadas como dipolo-dipolo, estão presentes em moléculas polares (exceto aquelas que apresentam ligação de hidrogênio). Lembre-se que nas moléculas polares, já existem cargas parciais negativas e positivas. Desse modo, a carga negativa de uma molécula irá atrair a carga negativa de outra. Para entender esse conceito, vamos utilizar a molécula de HCl como exemplo. Certamente, você se lembra que essa molécula é polar. Além disso, deve se recordar que o átomo de cloro é mais eletronegativo que o hidrogênio, assim, ele irá conter a carga negativa parcial e o hidrogênio a carga parcial positiva. Desse modo, haverá atração entre a carga negativa da molécula de HCl com a carga positiva de outra molécula. A força dipolo permanente presente na molécula de HCl está representada abaixo: A preexistência dos dipolos nas moléculas polares leva a uma atração mais intensa entre elas. Desta forma, a força dipolo permanente é mais forte do que a força dipolo induzido. Nesse sentido, moléculas com esse tipo de força vão apresentar pontos de fusão e ebulição maiores do que as moléculas, de massa semelhante, com o tipo de força dipolo induzido. Ou seja, se elas estão mais fortemente unidas, maior será a energia necessária para afastá-las: fenômeno que acontece na passagem de sólido para líquido e de líquido para gasoso. São exemplos de algumas substâncias que fazem dipolo permanente HCl, HBr, HI, H2S, H2Se, H2Te, PH3, AsH3, CO, SO2 etc. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 9 LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO Uma interação do tipo ligação de hidrogênio ocorre pela atração entre o átomo de hidrogênio de uma ligação H—X, em que X é um elemento altamente eletronegativo (F, N ou O), e um par de elétrons isolado do átomo X de uma outra molécula. As ligações de hidrogênio são forças de intensidade alta e existem basicamente duas razões para sua intensidade ser maior do que as interações do tipo dipolo: A diferença de eletronegatividade entre o hidrogênio e os átomos ligantes (F, N e O) faz com que o par de elétrons fique bem afastado do átomo de hidrogênio, tornando-o praticamente um próton desblindado. O pequeno tamanho do átomo de hidrogênio faz com que ele possa ficar extremamente próximo ao par de elétrons isolado da molécula adjacente, aumentando a atração eletrostática. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 10 Ligação de hidrogênio: H ligado a FON FORÇAS ÍON-DIPOLO Uma força íon-dipolo existe entre um íon e a carga parcial em certo lado de uma molécula polar. As moléculas polares são dipolos; elas têm um lado positivo e outro negativo. A interação íon dipolo consiste na atração de um íon por uma molécula polar. Os íons positivos são atraídos pelo lado negativo de um dipolo, enquanto os negativos são atraídos pelo lado positivo, como mostrado na Figura. A magnitude da atração aumenta conforme a carga do íon ou a magnitude do dipolo aumenta. As forças íon-dipolo são especialmente importantes em soluções de substâncias iônicas em líquidos polares, como uma solução de NaCl em água. Os íons serão atraídos pela molécula de água que, como vimos anteriormente, é polar e, por isso, possui cargas parciais negativas e positivas. A região da molécula de água de carga positiva será atraída pelo íon de carga negativa (Cl-) e a região de carga negativa pelo íon de carga positiva (Na+). O esquema a seguir apresenta a atração entre os íons e a água. Fique atento à orientação das cargas da água em relação ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 11 aos íons, ao solvatar, por exemplo, o Cl-, as moléculas de água são posicionadas de modo que seus polos positivos ficam voltados para o íon. A interação íon-dipolo é bastante intensa devido a atração eletrostática (atração entre cargas) entre os íons e as cargas presentes nas moléculas polares. Por isso, essa força será ainda mais intensa que a ligação de hidrogênio. OUTRAS INTERAÇÕES ENTRE PARTÍCULAS Recapitulamos as principais interações entre as moléculas, porém, como sabemos, a matéria não é formada somente por moléculas. A caracterização da composição de uma substância pode ser: atômica, molecular ou iônica. As partículas que formam a unidade de repetição que caracteriza uma substância pode ser chamada de constituinte. As forças de coesão desses constituintes são classificadas de acordo com o esquema abaixo. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 12 Interação dipolo-dipolo induzido A interação dipolo – dipolo induzido refere-se à interação entre uma molécula polar com uma molécula apolar. Como a molécula apolar não apresenta polos definidos, a força entre essas moléculas é de baixa intensidade. Um exemplo desse processo é o sistema heterogêneo formado por água e óleo. A separação das fases ocorre por causa da fraca interação água e óleo, ou seja, dipolo-dipolo induzido. Portanto, as moléculas de água interagem entre elas por ligação de hidrogênio, enquanto as moléculas de óleo interagem entre si por dipolo – dipolo induzido . Interação íon-íon A interação íon-íon apresenta elevada intensidade devido à ligação iônica. Por causa da elevada intensidade de atração entre as partículas iônicas, os compostos iônicos apresentam-se sólidos a temperatura ambiente e possuem elevada temperatura de fusão e ebulição. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18– PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 13 COMPARAÇÃO QUANTITATIVA ENTRE AS INTERAÇÕES ENTRE AS PARTÍCULAS As ligações iônica, covalente e metálica são as mais fortes e determinam a natureza do constituinte. Essas ligações originam a fórmula de suas substâncias. A intensidade das interações (ou forças) intermoleculares em diferentes substâncias, seja nas interações entre as moléculas ou íons e moléculas, varia em uma grande faixa, mas elas são muito mais fracas que ligações iônicas e covalentes. Dessa forma, é necessário menos energia para vaporizar um líquido ou fundir um sólido do que para quebrar ligações covalentes em moléculas. Por exemplo, é necessário apenas 16 kJ/moI para vencer as atrações intermoleculares entre as moléculas de HCl em HCl líquido para vaporizá-lo. Em contrapartida, a energia necessária para romper a ligação entre o hidrogênio e o cloro no HCl em átomos de H e Cl é 431 kJ/mol. Portanto, quando uma substância molecular como HCl passa de sólido para líquido e para gás, as moléculas em si permanecem intactas, ou seja, não há quebra de ligação, apenas distanciamento das moléculas caracterizando um novo estado físico. Muitas propriedades dos líquidos, incluindo os pontos de ebulição, refletem a intensidade das forças intermoleculares. Por exemplo, uma vez que as forças entre as moléculas de HCI são tão fracas, HCI entra em ebulição a apenas - 85°C à pressão atmosférica. O líquido entra em ebulição quando se formam bolhas de seu vapor. As moléculas de um líquido devem vencer as forças de atração para separar-se e formar um vapor. Quanto mais forte as forças de atração, maior é a ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 14 temperatura na qual o líquido entra em ebulição. De forma similar, o ponto de fusão de um sólido aumenta à medida que as forças intermoleculares ficam mais fortes. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 15 2. TEMPERATURA DE FUSÃO E EBULIÇÃO A fusão é a passagem do estado sólido para o estado líquido, enquanto a ebulição é a passagem do estado líquido para o estado gasoso, cuja pressão de vapor é igual à pressão atmosférica. As substâncias apresentam um único valor de temperatura durante a mudança de estado físico, contudo, misturas apresentam variação nessa temperatura. Para que ocorra a fusão ou a ebulição de um composto, suas moléculas devem adquirir energia cinética suficiente para escapar das forças de atração exercidas pelas moléculas adjacentes. Ou seja, quanto maior for a interação entre as moléculas, maior será a energia necessária para romper as forças de atração entre moléculas adjacentes. Com isso: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 16 Embora os compostos iônicos não façam parte desse contexto, é importante lembrar que eles existem e possuem interações muito mais fortes. Existem três critérios que contribuem na determinação da temperatura de fusão e ebulição dos compostos orgânicos: Ao comparar a temperatura de fusão e ebulição de substâncias orgânicas, o primeiro critério a ser analisado deve ser intensidade das interações intermoleculares. Influência da intensidade das interações intermoleculares Quanto maior a intensidade das interações intermoleculares, maior a aproximação das partículas e, assim, maior a temperatura de fusão e de ebulição. Fusão e ebulição de compostos orgânicos Intensidade das interações intermoleculares Massa molecular Formato das moléculas ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 17 As forças de London, dipolo induzido, são interações principais em compostos apolares. Os principais compostos apolares, na Química Orgânica, são os hidrocarbonetos. A seguir são apresentadas substâncias que apresentam massas moleculares próximas e compara- se as temperaturas de fusão e ebulição em função dos tipos de interações intermoleculares: O OH OH O H O Ácido acético Etanol Acetaldeído Éter dimetílico Propano (ligação de hidrogênio) (ligação de hidrogênio) (dipolo-dipolo) (dipolo-dipolo) (Forças de London) Tebulição: 118 °C Tfusão: 16 °C Tebulição: 78 °C Tfusão: -114 °C Tebulição: 20 °C Tfusão: -123 °C Tebulição: -23 °C Tfusão: -138 °C Tebulição: -42 °C Tfusão: -188 °C Aumento da polaridade Aumento da intensidade da interação intermolecular Aumento da temperatura de fusão e ebulição Perceba que a temperatura de ebulição do ácido acético é maior que a temperatura de ebulição do etanol. A substância formada por moléculas de ácido acético apresenta dois tipos de interações polares: a hidroxila (-OH) realiza ligações de hidrogênios e a carbonila (-CO) realiza interações dipolo- dipolo. Enquanto isso, o etanol realiza, apenas, ligação de hidrogênio. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 18 Em um composto orgânico, quanto maior o número de grupos polares, maior a interação entre as moléculas e, consequentemente, maior a temperatura de fusão e ebulição. Com base na análise do tipo de força intermolecular, podemos fazer previsões e comparações de pontos de ebulição e fusão de compostos orgânicos. O raciocínio é o seguinte: forças intermoleculares “fortes” resultam em pontos de ebulição e fusão “altos”. Forças intermoleculares “fracas” resultam em pontos de ebulição e fusão “baixos”. Por que o ácido 2-hidroxipropanoico apresenta temperatura de ebulição menor que do que o ácido propanoico? O OH O OH OH Ácido propanoico Ácido 2-hidroxipropanoico Tebulição = 141 °C Tebulição = 122 °C Era de se esperar que o ácido 2-hidroxipropanoico por apresentar duas hidroxilas, apresenta-se maior valor de temperatura de ebulição, mas isso não é observado experimentalmente. As hidroxilas presentes no ácido 2-hidroxipropanoico são vicinais, ou seja, estão posicionadas em carbonos vizinhos. Devido a essa proximidade, ocorre uma interação intramolecular entre as hidroxilas ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 19 e, também, entre os polos positivos (regiões em azul) e polos negativos (regiões em vermelho) dos grupos polares. Essa interação interna das hidroxilas na molécula diminui a atração por hidroxilas de outras moléculas, deixando as moléculas mais soltas. Portanto, a diminuição da interação entre moléculas, promove um decréscimo da temperatura de ebulição. Frisando que esse fenômeno ocorre entre hidroxilas de carbonos vizinhos (hidroxilas vicinais). Influência da massa molecular Para moléculas com o mesmo tipo de interação intermolecular, o primeiro fator que deve ser analisado para se comparar as temperaturas de ebulição e fusão é a massa molecular. Segundo os princípios da inércia, quanto maior a massa de um corpo, maior a resistência desse corpo em alterar o seu estado. Logo, A seguir são apresentados compostos que apresentam o mesmo tipo de interação intermolecular. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 20 Propan-1-ol etanol metanol Ligação de hidrogênio Ligação de hidrogênio Ligação de hidrogênio Massa molecular: 60 u Massa molecular: 46 u Massa molecular: 32 u Tebulição: 97 °C Tebulição: 78,5 °C Tebulição: 64 °C Aumento da massa molecular Aumento da temperatura de ebulição O aumento na massa molecular aumenta também aumenta o número de elétronsque podem ser movimentados, o que facilita a polarização da nuvem eletrônica, ocasionando uma elevação nas interações entre moléculas e, consequentemente, elevação das temperaturas de fusão e ebulição. Influência da Superfície de contato ou área de dispersão de cargas (formato da molécula) Para moléculas com o mesmo tipo de interação intermolecular e mesma fórmula molecular, a comparação das temperaturas de ebulição e fusão deve ser feita com base no número de ramificações. A disposição dos átomos no espaço interfere em como as moléculas interagem entre si. Quanto mais afastadas estiverem, mais fraca serão as interações. Portanto, quanto mais linear o composto orgânico, mais facilmente as moléculas se acoplam e maior a interação intermolecular. Quanto maior o número de ramificações, menor será a temperatura de ebulição. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 21 À medida que o número de ramificações aumenta, a estrutura torna-se menos compacta, ou seja, sua área superficial diminui e, consequentemente, diminui o contato entre as moléculas. Podemos dizer que as ramificações dificultam a aproximação das moléculas, aumentando a distância entre elas e, consequentemente, diminuem a força eletrostática de atração entre as moléculas vizinhas. Da Física, sabemos que força eletrostática é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas: 𝑭𝒆𝒍𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 ∝ 𝟏 𝒅𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂𝒔 𝟐 Logo, o distanciamento causado pela maior quantidade de ramificações faz com que a força de atração entre as moléculas diminua e, consequentemente, diminua a energia necessária para separá-las (pontos de fusão e ebulição). Legal essa abordagem, né? Observe os dados dos compostos abaixo: pentano Neopentano Forças de London Forças de London C5H12 C5H12 Tebulição: 36 °C Tebulição: 9,5 °C Tanto o pentano, quanto o neopentano apresentam o mesmo tipo de interação intermolecular e mesmo valor de massas moleculares. Porém, o acoplamento das moléculas de pentano é mais fácil do que o das moléculas de neopentano. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 22 Pentano (Teb: 36 °C) Neopentano (Teb: 9,5 °C) A insaturação também dificulta o acoplamento entre as moléculas, portanto, quanto maior o número de insaturações, menor a temperatura de ebulição. Hexano C6H14 (86 u) Hex-1-eno C6H12 (84 u) Hexa-1,5-dieno C6H10 (82 u) Tebulição: 69 °C Tebulição: 63 °C Tebulição: 60 °C Aumento da saturação Aumento da massa Aumento da temperatura de ebulição O posicionamento de um grupo também interfere na intensidade das interações intermoleculares. Quanto mais linear, maior a temperatura de ebulição. Exemplo: OH OH OH OH Pentan-1-ol Pentan-2-ol Pentan-3-ol 3-metilbutan-2-ol ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 23 Tebulição = 138 °C Tebulição = 119 °C Tebulição = 115 °C Tebulição = 112 °C Quanto mais ramificado for o composto, menor a temperatura de ebulição. Portanto, O posicionamento de grupos dissubstituídos em anel benzênico, conferem diferentes polaridades, portanto, diferentes temperaturas de fusão e ebulição. O xileno é o nome comercial do dimetilbenzeno. Existem três xilenos: orto-xileno, meta-xileno e para-xileno. O para-xileno apresenta os grupos metil orientados de forma simétrica, assim, confere menor polaridade. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 24 Orto-xileno Meta-xileno Para-xileno Tebulição = 144 °C Tebulição = 139 °C Tebulição = 138 °C Aumento da polaridade Aumento da temperatura de ebulição (PUC SP/2017) As propriedades das substâncias moleculares estão relacionadas com o tamanho da molécula e a intensidade das interações intermoleculares. Considere as substâncias a seguir, e suas respectivas massas molares. CH3 C CH3CH3 CH3 dimetilpropano CH3 CH2 C CH3 O butanona CH3 CH2 C O OH ácido propanoico CH3–CH2–CH2–CH2–CH3 pentano CH3–CH2–CH2–CH2–OH butan-1-ol A alternativa que melhor associa as temperaturas de ebulição (Teb) com as substâncias é ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 25 Comentários: Primeiramente, quanto maior a intensidade das interações intermoleculares, maior a temperatura de ebulição. Pode-se classificar os compostos orgânicos listados em três tipos de interações: ligação de hidrogênio, dipolo-dipolo e forças de London. As interações intermoleculares das ligações de hidrogênio são mais fortes que a dipolo-dipolo, que são mais fortes que as forças de London. A temperatura de ebulição do ácido propanoico é maior que a do butan-1-ol. Tanto o ácido quanto o butan-1-ol apresentam hidroxila, mas o ácido apresenta o grupo carbonila que confere um caráter polar mais acentuado. Assim, a temperatura de ebulição do ácido é maior que a do álcool. Comparando as temperaturas de ebulição dos hidrocarbonetos pentano e dimetilpropano, sabe- se que quanto maior o número de ramificações, menor o acoplamento entre as moléculas e, assim, menor a temperatura de ebulição. A temperatura de ebulição do pentano é maior do que a do dimetilpropano. Assim, a ordem crescente das temperaturas de ebulição é: Dimetilpropano < pentano < butanona < butan-1-ol < ácido propanoico Gabarito: A 3. SOLUBILIDADE As interações existentes entre os compostos são o principal fator a ser analisado quando queremos fazer uma previsão sobre, por exemplo, a solubilidade. De modo geral, substâncias apolares se dissolvem em solventes apolares, enquanto substâncias polares se dissolvem em solventes polares. A solubilidade dos compostos orgânicos é resultado da interação entre as moléculas. Geralmente, semelhante dissolve semelhante, ou seja, polar dissolve polar e apolar dissolve apolar. Ligações de hidrogênio Dipolo-dipolo Forças de London Butan-1-ol Ácido propanoico Butanona Pentano Dimetilpropano ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 26 Ao analisar a polaridade dos compostos orgânicos, é necessário identificar a contribuição das porções polares e apolares das moléculas. Um composto será solúvel em água se apresentar um grande grupo polar em relação ao resto da molécula apolar. O inverso também é verdadeiro. A seguir são listados diversos grupos e suas contribuições para as polaridades: Muito Polar Polar Pouco Polar Apolar (iônico) (ligação de hidrogênio) (dipolo-dipolo) (Forças de London) –COO- X+ –OH –C=O –CxHy –SO3- X+ –NH– ou –NH2 –C–O–C– –F, –C, –Br e –I (halogênios) Aumento da polaridade Quanto maior a polaridade de um composto orgânico, maior a tendência em se dissolver em algum material polar. Os materiais que se dissolvem em água são classificados como materiais hidrofílicos ou lipofóbicos. A água é um solvente bastante polar, portanto, quanto maior a polaridade dos compostos orgânicos, maior a probabilidade dele se dissolver em água. Os compostos orgânicos mais polares são encontrados nas formas iônicas. Os materiais que se dissolvem em óleo são chamados de materiais lipofílicos ou hidrofóbicos. Quanto maior a sequência hidrocarbônica (carbono e hidrogênio) de um composto orgânico, maior a sua capacidade lipofílica. Para entender a real influência dos grupos substituintes nas polaridades das moléculas, a seguir são listados alguns casos comparativos. GRUPO POLARES E A SOLUBILIDADEAbaixo são apresentados os dados de solubilidade dos compostos abaixo em água a 20°C: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 27 Substância: OH O Cl Nome: Butan-2-ol Butanona 2-clorobutano Butano Solubilidade em água a 20°C 4,0 mol/L 3,8 mol/L 0,009 mol/L 0,001 mol/L Aumento da polaridade Aumento da solubilidade em água Perceba que quanto maior a polaridade do grupo, maior a solubilidade em água. ↑ polaridade do grupo substituinte ↑ solubilidade em água AUMENTO DA CADEIA HIDROCARBÔNICA E A SOLUBILIDADE A seguir são apresentados os dados de solubilidade de uma série de compostos orgânicos em água, a 20°C, variando a quantidade de carbonos da cadeia (as propriedades químicas são semelhantes e as físicas variam gradativamente): Substância: OH OH OH OH Nome: Propan-1-ol Butan-1-ol Pentan-1-ol hexan-1-ol Solubilidade em água a 20°C Infinita 0,9 mol/L 0,25 mol/L 0,06 mol/L Aumento da apolaridade ou aumento da cadeia hidrocarbônica Aumento da solubilidade em água ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 28 Perceba que quanto maior a cadeia carbônica do composto orgânico, maior a influência do caráter apolar, logo, menor a solubilidade dos compostos em água. ↑ cadeia carbônica ↓ solubilidade em água AUMENTO DO NÚMERO DE GRUPOS POLARES E A SOLUBILIDADE A seguir são apresentados os dados de solubilidade dos compostos abaixo em água a 20°C: Substância: OH OH OH Nome: fenol o-hidroxifenol Solubilidade em água a 20°C: 0,89 mol/L 3,9 mol/L Perceba que quanto maior o número de grupos polares, maior a solubilidade em água. ↑ número de grupos polares ↑ solubilidade em água INFLUÊNCIA IÔNICA NA SOLUBILIDADE A estrutura mais polar para um composto orgânico é quando esse se encontra na forma iônica. Existem diversas reações capazes de formar íons a partir de compostos orgânicos: ionização, neutralização, saponificação etc. A seguir são apresentados os dados de solubilidade dos compostos abaixo em água a 25 °C: Substância: O OH O O Na ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 29 Nome: Ácido benzoico Benzoato de sódio Solubilidade em água a 20°C: 0,03 mol/L 4,36 mol/L Perceba que a influência iônica no composto orgânico aumentou em mais de 100 vezes a solubilidade em água. Portanto, conclui-se que os compostos orgânicos iônicos são solúveis em água. ↑ caráter iônico ↑↑ solubilidade em água (IBMEC SP Insper/2019) A indústria de alimentos emprega diversos aditivos em seus produtos, como vitaminas, corantes e agentes para prevenção da degradação do produto. Na figura, são representadas as fórmulas estruturais de quatro dessas substâncias empregadas pela indústria de alimentos. (Ribeiro, E.; Seravalli, E. Química dos Alimentos, Editora Blucher, 2007. Adaptado) Dentre essas substâncias, as que são solubilizadas em água durante a preparação dos alimentos industrializados são aquelas correspondentes às fórmulas estruturais identificadas por a) II e III. b) I e II. c) II e IV. d) I e IV. e) III e IV. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 30 Comentários: A seguir é apresentada a análise das polaridades das moléculas listadas. As substâncias II e III apresentam prevalência de cadeias hidrocarbônicas (grupos de hidrocarbonetos), logo, apresentam maior caráter apolar e são pouco solúveis em água, que é polar. As substâncias I e IV apresentam muitos grupos que aumentam muito a polaridade, porque os grupos indicados como “muito polar” realizam ligações de hidrogênio. Gabarito: D 4. EFEITOS ELETRÔNICOS NOS COMPOSTOS ORGÂNICOS Os efeitos eletrônicos provocam uma distribuição desigual de elétrons no interior da molécula, gerando regiões de maiores e menores densidades eletrônicas (δ), que são representadas respectivamente por δ– e δ+. Essas diferenças de densidade eletrônica dentro da própria molécula são um fator interno que pode facilitar ou dificultar as reações orgânicas (portanto, já fique ligado, utilizaremos esse tópico em Reações Orgânicas, mais a frente). Os dois principais efeitos eletrônicos são: efeito indutivo e efeito mesomérico. Falaremos sobre cada um deles agora. EFEITOS INDUTIVOS Correspondem à atração ou repulsão de elétrons em uma ligação sigma (simples). A distribuição desigual do par de elétrons compartilhado em uma ligação sigma provoca uma polarização da ligação que ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 31 pode deixar o carbono parcialmente positivo (Cδ+) ou negativo (Cδ–). Os efeitos indutivos são ocasionados pela diferença de eletronegatividade entre os átomos. Existem dois tipos de efeito indutivo, que são: Efeito indutivo negativo (I–) Ocorre pelo deslocamento dos elétrons compartilhados em direção a um dos átomos que constitui a ligação, ou seja, é a atração de elétrons em uma ligação sigma. A capacidade que o átomo possui de atrair elétrons em uma ligação, eletronegatividade, é transmitida ao longo do espaço pelas ligações sigmas. Os principais átomos e grupos que promovem esse efeito nas moléculas orgânicas são: Aumento da Eletronegatividade Aumento do efeito de retirada de elétrons da molécula Esses átomos e grupos diminuem a densidade eletrônica da cadeia, gerando, nos carbonos, uma carga parcial positiva. Os principais grupos que promovem o efeito indutivo negativo são os halogênios. Observe, a seguir, o efeito elétrico ocasionado na cadeia carbônica do 1-cloropentano devido à presença do cloro. As figuras a seguir representam os mapas de potencial eletrostático das moléculas de benzeno e hexafluorobenzeno, respectivamente. Observe a mudança de distribuição de densidade eletrônica nessas moléculas ocasionada pelo efeito indutivo negativo do flúor. Lembre-se de que a cor azul representa densidade eletrônica positiva e a vermelha, densidade eletrônica negativa. Efeitos indutivos Indutivo negativo (I-) atração ou retirada de densidade eletrônica da molécula Indutivo positivo (I+) doação ou liberação de densidade eletrônica para a molécula -F -Cl -Br -I -OR -NH2 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 32 Por se tratar de um efeito elétrico, os efeitos indutivos se enfraquecem à medida que aumenta a distância do átomo ou grupo que o provoca. O enfraquecimento está sendo representado no exemplo anterior pelo tamanho do sinal da densidade eletrônica, que vai diminuindo ao longo da cadeia do 1- cloropentano. Efeito indutivo positivo (I+) Ao contrário do efeito indutivo negativo, o efeito positivo promove a repulsão de elétrons em uma ligação sigma. Esse efeito causa um aumento da densidade eletrônica do carbono que está ligado ao grupo que o promove. Os principais átomos e grupos que promovem esse efeito nas moléculas orgânicas são: Aumento do efeito I+ Os principais grupos que promovem o efeito indutivo positivo são os grupos alquilas (derivados de alcanos). Quanto mais deslocalizada estiver a carga positiva do carbocátion, maior é a sua estabilidade. A deslocalização da carga positiva pode ser avaliada por mapas de potencial eletrostáticos. Na figura a seguir estão representados quatro carbocátions e seus respectivos mapas eletrostáticos. Observe: -NHR- -O- -CR3 -CHR2 -CH2R -CH3 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADESFÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 33 Quanto maior é a intensidade da cor azul, menor é a deslocalização da carga positiva e, consequentemente, menor é a estabilidade. A capacidade de promover o efeito indutivo positivo dos grupos alquila diminui a carga positiva do carbono. Por isso, a ordem de estabilidade dos carbocátions é 3o > 2o >1o > metila. Essa mesma argumentação também pode ser utilizada para justificar a ordem de estabilidade dos radicais. Muitas teorias já foram criadas para explicar esse efeito, mas nenhuma delas se mostrou plenamente satisfatória. EFEITOS MESOMÉRICOS OU RESSONANTES Correspondem à atração ou repulsão de elétrons em ligações π (pi), portanto, são característicos de compostos insaturados. Envolvem elétrons de ligações pi alternadas ou vizinhas de átomos que possuem par de elétrons isolado. Esse tipo de efeito está diretamente relacionado ao fenômeno denominado ressonância. Existem dois tipos de efeito mesomérico que são: Efeito mesomérico negativo (M–) Promove a atração de elétrons de uma ligação pi, diminuindo a densidade eletrônica da cadeia. Os grupos capazes de promover esse efeito possuem como principais características serem insaturados e possuírem átomos com maior eletronegatividade que o carbono. Os principais são os que possuem o Efeitos Mesoméricos mesomérico negativo (M-) atração ou retirada de elétrons π mesomérico positivo (M+) doação ou liberação de elétrons π ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 34 grupo carbonila. A seguir está sendo representado o efeito mesomérico negativo promovido pela carbonila do grupo carboxila na cadeia do ácido propenoico ou acrílico. A carbonila retira os elétrons pi da cadeia, produzindo uma estrutura de ressonância contendo um carbocátion. Principais grupos: O R O H O N + O – O OR O N O C N Efeito mesomérico positivo (M+) Promove a doação de elétrons não compartilhados para a cadeia carbônica através da ressonância com uma ligação pi, portanto, aumenta a densidade eletrônica da cadeia. Os grupos capazes de promover esse efeito possuem como principais características serem saturados e possuírem átomos nos quais existem pares de elétrons livres ou não compartilhados. A ressonância do par de elétrons não compartilhado e a ligação pi vizinha (conjugada) gera uma estrutura de ressonância que possui um carbânion. Principais grupos: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 35 5. CONCEITOS MODERNOS DE ÁCIDO E BASE Para o bom entendimento de muitas reações químicas envolvendo compostos orgânicos, os conceitos de acidez e basicidade são de extrema importância. As definições de Arrhenius são limitadas a sistemas aquosos, ou seja, que utilizam a água como solvente. Por isso, foi necessária a criação de novos conceitos mais amplos. Os dois conceitos mais utilizados hoje em dia são os de Brönsted-Lowry (protônico) e o de Lewis (eletrônico), que serão revisados a seguir. Porém, antes de prosseguir, é importante ressaltar que não existe uma teoria que seja incorreta. Não significa que a mais atual seja mais correta que a mais antiga. São perspectivas diferentes de um mesmo ponto, portanto, todas tem a sua importância. A teoria de Arrhenius, por exemplo, foi muito importante na explicação de um grande número de fenômenos conhecidos e forneceu as bases científicas da química analítica. Por exemplo, com base na teoria de Arrhenius, criou-se: Arrhenius Brönsted-Lowry Lewis Ácido: espécie química que libera o íon H+. Ácido: espécie química que libera próton (H+). Ácido: espécie química receptora de elétron. Base: espécie química que libera o íon OH-. Base: espécie química que captura próton (H+). Base: espécie química doadora de elétron. TEORIA DE ARRHENIUS De forma objetiva, Arrhenius propôs que Ácido é toda substância que em água produz íons H+ (íon hidrogênio ou hidrônio) e base é toda aquela que em água produz OH- (íon hidróxido). Outros enunciados mais completos para a teoria de Arrhenius são encontrados na literatura: A lei de ação das massas A lei da diluição de Ostwald A equação de Nernst O conceito de pH O efeito tampão ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 36 Mais tarde, o conceito de ácido de Arrhenius foi reescrito, pois percebeu-se que o cátion hidrogênio (H+) se liga à água (H2O), formando o cátion hidrônio (H3O+), como segue: H+ + H2O → H3O+ Desta forma, podemos entender o conceito de ácido de Arrhenius como toda substância que em água produz íons H3O+. Deriva-se dessa teoria ácido-base, a reação mais geral de neutralização ácido base, que produz água: H3O+ + OH- → 2 H2O ou H+ + OH- → H2O Seguem alguns exemplos de ácidos e bases de Arrhenius em meio aquoso: Ácido sulfúrico: H2SO4 () + 2 H2O () → 2 H3O+ (aq) + SO4 2- (aq) Ácido nítrico: HNO3 () + H2O () → H3O+ (aq) + NO3-- (aq) Hidróxido de potássio: KOH (aq)→ K+ + OH- Hidróxido de magnésio: Mg(OH)2 (aq) → Mg2+ + 2 OH- A teoria de Arrhenius torna muito simples identificar o ácido e a base de Arrhenius. Perceba que nos exemplos acima todos os ácidos apresentam o H em sua fórmula molecular, enquanto todas as bases apresentam OH. Vamos agora explicar as duas principais limitações da teoria de Arrhenius para entendermos daqui a pouco como as próximas teorias superam essas dificuldades: 1ª limitação: restringe a experimentos em meio aquoso. Hoje sabemos que muitas substâncias apresentam caráter ácido ou básico também em meios não aquosos; Ácido: todo composto que, em solução aquosa, sofre ionização, produzindo como único íon positivo o cátion hidrogênio (H+). Base ou hidróxido: todo composto que, em solução aquosa, sofre dissociação iônica, liberando como único íon negativo o ânion hidróxido (OH-). ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 37 2ª limitação: não explica o fato de substâncias que não apresentam H+ ou OH- se dissolverem em água e formarem substâncias ácidas ou básicas. Exemplos: Amônia (NH3) em água produz OH-. Veja: 𝑁𝐻 + 𝐻 𝑂 ⇌ 𝑁𝐻 + 𝑂𝐻 Carbonato de sódio (Na2CO3) também produz OH- em meio aquoso. 𝑁𝑎 𝐶𝑂 → 2𝑁𝑎 + 𝐶𝑂 + 𝐻 𝑂 ⇌ 𝐻𝐶𝑂 + 𝑂𝐻 Gás carbônico (CO2) produz H+. 𝐶𝑂 + 𝐻 𝑂 → 𝐻 𝐶𝑂 ⇌ 𝐻 + 𝐻𝐶𝑂 Apesar dessas limitações, essa teoria é bastante útil para o estudo de ácidos inorgânicos como veremos mais adiante. TEORIA DE BRÖNSTED-LOWRY Segundo a teoria proposta por Johannes Nicolaus Brönsted (1879 - 1974) e Thomas Martin Lowry (1874 - 1936), ácido é um doador de próton, na forma de H+, enquanto base é um receptor de próton. Segundo essa teoria, uma reação de neutralização consiste na transferência de um ou mais prótons do ácido para base. Segundo Brönsted-Lowry, podemos dizer que uma substância com características ácidas é aquela que tende a doar próton(s). Do mesmo modo, uma substância com tendência básica é aquela que tende a receber próton(s). Na teoria protônica, até mesmo a água funciona como uma base quando recebe H+ de um ácido para formar H3O+. A teoria de Brönsted-Lowry também introduz dois novos termos: ácido conjugado e base conjugada. Um ácido, após reagir com uma base, forma uma base conjugada. De forma análoga, uma base, após reagir com um ácido, forma um ácido conjugado. Esses conceitos serão extensivamente utilizados no entendimento da força de ácidos e bases, principalmente aqui, na orgânica. Seguem alguns exemplos de ácidos e bases de Brönsted-Lowry: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18– PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 38 A grande vantagem da teoria de ácidos e bases de Brönsted-Lowry está na abordagem do meio em que essas substâncias estão presentes, não sendo restringida, como a teoria de Arrhenius, a meios aquosos, em que ácidos liberam íons hidrônio, e bases liberam hidroxila. No exemplo acima, a água recebeu um próton do HCl, portanto é uma base. A substância conjugada a ela, o íon hidrônio (H3O+), é um ácido, chamado ácido conjugado. O HCl, que doou o próton, é o ácido, e, portanto, o cloreto (Cl–), formado pela perda desse próton, é chamado de base conjugada. O fato de essas reações serem reversíveis deu origem a uma definição muito importante: Ácidos e bases conjugados são aqueles que se diferem por um H+. Se o ácido é forte, sua base conjugada será fraca, e vice-versa. Algumas espécies podem se comportar ora como ácido, ora como base na presença de determinadas substâncias. Essas espécies são chamadas de anfipróticas, ou anfóteras. Um exemplo de substância anfótera é a água. Observem-se as reações a seguir: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 39 Como a teoria de Brönsted-Lowry envolve equilíbrio químico, um ácido será tão mais forte quanto maior for a sua constante de ionização ácida: 𝐻𝐴( ) + 𝐻 𝑂( ) ⇄ 𝐻 𝑂( ) + 𝐴( ) ↑ 𝐾 = [𝐻 𝑂 ] · [𝐴 ] ↑ [𝐻𝐴] ↓ Como 𝐾 é 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑎 [𝐻 𝑂 ] · [𝐴 ], quanto maior a concentração da base conjugada [𝐴 ] mais forte é o ácido que a produziu e mais deslocada está a reação no sentido de formação produtos. Isso também significa que a base conjugada produzida é estável o bastante para não receber H+ e formar 𝐻𝐴 de origem novamente. Resumindo, o ácido será tão mais forte quanto mais estável for a base conjugada que ele formar. Esta estabilidade pode ser explicada por alguns efeitos eletrônicos (que veremos adiante) nas moléculas orgânicas, que serão capazes de dissipar ou distribuir a carga do ânion formado por toda a molécula ou por uma região maior, o que resultará em uma menor densidade eletrônica concentrada em uma única região, o que facilitaria a recepção de H+, reagindo no sentido inverso. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 40 TEORIA DE LEWIS Em 1923, Gilbert Newton Lewis resolveu colocar um fim no que ele chamava de “culto ao próton” e, com isso, sugeriu uma nova definição para ácidos e bases. Esse fato ocorreu no mesmo ano em que foi proposta a teoria de Brönsted-Lowry. A sua definição consiste no seguinte postulado: Ácido é toda espécie química, molécula ou íon, que recebe pares eletrônicos isolados, formando ligações coordenadas. Base é toda espécie química, molécula ou íon, que cede pares de elétrons isolados, formando ligações coordenadas. Essa definição de Lewis é a mais abrangente definição para ácidos e bases, simplesmente pelo fato de não se restringir somente às espécies hidrogênio e/ou hidroxila. Uma grande vantagem da Teoria de Lewis é que ela consegue explicar reações que não envolvem transferências (movimentações) de espécies iônicas (cátions e/ou ânions). A maneira mais abrangente de entendermos a teoria eletrônica é assumirmos que o ácido é uma espécie química que possui orbitais vazios, os quais podem acomodar elétrons, enquanto a base possui par de elétrons disponíveis para doar ou compartilhar com uma espécie ácida. Esse entendimento, em nível de orbitais da teoria eletrônica. Podemos representar o par de elétrons por (:) e a reação ácido-base como segue: Na reação abaixo, nota-se que no RNH2 há um par de elétrons livres, enquanto no AlCl3, o alumínio está com falta de um par de elétrons para completar o seu octeto. Esse fato torna possível uma reação do tipo ácido base de Lewis. Outro exemplo muito interessante é o dos éteres que apresentam um comportamento como base de Lewis. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 41 A Teoria de Lewis consegue explicar as teorias de Arrhenius e de Brönsted-Lowry. Tomemos como exemplo a protonação da água pelo HCl: Perceba que, na perspectiva de Lewis, a água, que possui pares de elétrons não ligantes no átomo de oxigênio, funciona como uma base de Lewis. Por outro lado, o hidrogênio, que está perdendo o par de elétron da ligação para o cloro que é mais eletronegativo, passa a possuir orbital vazio para receber elétrons do oxigênio. Os principais ácidos Lewis cobrados em vestibulares são aqueles que, somente, a teoria de Lewis explica o seu comportamento ácido. Ácidos de Lewis em destaque Compostos Exemplo Explicação Compostos de Alumínio AlCl3 Orbital vazio Compostos de Boro BF3 Orbital vazio Tanto o boro quanto o alumínio são exceções da regra do octeto, estabilizam-se com 6 elétrons na camada de valência e apresentam um orbital vazio. Analisando o boro, por exemplo, na formação do composto BF3. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 42 Os átomos de boro, quando combinado a outros e formando moléculas, apresentam um orbital vazio e, por isso, sempre apresentam a possibilidade de receber elétrons. Os compostos de boro e alumínio sempre serão classificados como ácidos de Lewis. Veja o exemplo a seguir: O boro, ácido de Lewis, recebendo par de elétrons do nitrogênio da amônia, base de Lewis. As principais bases de Lewis exigidas nos vestibulares são: Bases de Lewis em destaque Compostos Exemplo Explicação Compostos de Nitrogênio NH3 Par de elétron sobrando Reagentes de Grignard RMgX Carga negativa no carbono O nitrogênio, geralmente, é encontrado com par de elétron sobrando, portanto, apresenta par de elétrons disponível para doar. Os reagentes de Grignard apresentam o ânion R- e podem doar o elétron excedente. Exemplos de reagentes de Grignard mais utilizados: CH3MgC, C6H5MgC e C2H5MgI. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 43 (UFJF/1999) As teorias sobre ácido-base podem explicar uma série de efeitos cotidianos e também auxiliam na otimização dos processos industriais. Com base na teoria de ácido-base de Brönsted-Lowry, são propostas as seguintes equações: São pares de base e base conjugada de Brönsted-Lowry, respectivamente, em cada equação: a) NH4+, NH3 e HSO4- , SO42-. b) NH4+, H2O e HSO4- , H2CO3. c) OH-, NH3 e HCO3-, SO42-. d) NH4+, NH3 e HSO4-, H2CO3. e) NH4+, NH3 e HCO3-, H2CO3. Comentários: Segundo teoria de Brönsted-Lowry, ácido é um doador de próton (H+) e a base é uma receptora de próton. Dito isso, podemos analisar cada uma das equações como segue: Desta forma, podemos localizar os pares pedidos no enunciado como segue: 1ª reação: OH- (base) e NH3 (base conjugada) 2ª reação: HCO3- (base) e SO42- (base conjugada) Gabarito: C ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 44 (FGV - 2016). Em 1923, o químico dinamarquês Johannes Brönsted (1879- 1947) e o químico inglês Thomas Lowry (1874-1936) propuseram uma definição de ácidos e bases mais geral do que a proposta anteriormente por Arrhenius (1859-1927). O conceito de Brönsted-Lowry está baseado no fato de que a reação ácido-base envolve transferência de íons H+ de uma substância para outra. Analise o equilíbrio a seguir: Baseado nesse conceito, os pares conjugados são: a) HSO3- atua como ácido e H2SO3 como seu ácido conjugado. b) H2O atua como ácido e H2SO3 como seu ácido conjugado.c) H2O atua como ácido e OH- como sua base conjugada. d) HSO3- atua como base e OH- como sua base conjugada. e) HSO3- atua como ácido e H2SO3 como sua base conjugada. Comentários: Essa questão pode levar o candidato ao erro, pois, em geral, a água, que possui elétrons não ligantes no átomo O, se comporta como base. Entretanto, nesse caso, a água está doando um H+, sendo, portanto, uma base de Brönsted-Lowry e OH- sua base conjugada. Desta forma, a letra C está correta. Gabarito: C Exercício Resolvido O primeiro conceito científico de ácido e base foi fornecido por Lavoisier, em 1776. Desde então, novos conceitos foram propostos de acordo com a evolução da ciência e a descoberta de novas substâncias. São vários os conceitos teóricos, que fornecem concepções alternativas dos mecanismos de reação ácido-base e sua aplicação na solução dos problemas relacionados. Com relação aos conceitos sobre ácidos e bases, três afirmações foram feitas: 1) Na reação de dissociação do HCl em água: HCl (g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl- (aq) a água é considerada uma base de Arrhenius. 2) Na reação da amônia com o HCl: NH3(aq) + HCl (aq) → NH4+(aq) + Cl-(aq) a amônia é considerada uma base de Brönsted- Lowry. 3) Na reação do BF3 + F-: BF3 + F- → BF4- o BF3 é considerado um ácido de Lewis. Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s): a) 2 e 3 apenas. b) 1 apenas. c) 2 apenas. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 45 d) 3 apenas. e) 1, 2 e 3. Comentário: AFIRMAÇÃO 1: Errada. O primeiro erro do item 1 é mencionar que a reação é do tipo “dissociação”. Como visto anteriormente, o HCl é formado por ligação covalente, logo os íons só se formam após interação das moléculas de HCl com a água e damos o nome de ionização a esse processo. O segundo erro é afirmar que nessa reação a água é uma base de Arrhenius pois, sabemos que a teoria de Arrhenius diz que base é todo compostos que, em solução aquosa, sofre dissociação iônica, liberando como único ânion o hidróxido (OH-), o que não acontece com a molécula de água. AFIRMAÇÃO 2: Certa. Na reação da amônia com o ácido clorídrico, o HCl doa 1 próton para a amônia formando o íon amônio (NH4+). De acordo com o conceito de Brönsted- Lowry, a base é a espécie receptora de próton. AFIRMAÇÃO 3: Certa. De acordo com o conceito de Lewis, ácidos são espécies químicas capazes de receber um ou mais pares de elétrons. Perceba que o BF3 recebe o par de elétrons do F-, logo o BF3 é um ácido de Lewis e o F- é uma base de Lewis. Gabarito: A 6. FUNÇÕES ORGÂNICAS COM PROPRIEDADES ÁCIDAS O caráter ácido de compostos orgânicos, como ácidos carboxílicos e fenóis, e o baixo caráter ácido de compostos, como álcoois, podem ser explicados com base nos efeitos eletrônicos vistos anteriormente. Para apresentar uma acidez considerável, o composto deve possuir algum fator que o ajude a deslocalizar a carga negativa do ânion (base conjugada) que é formado na ionização. A deslocalização pode ocorrer por efeito indutivo ou ressonante. Algumas funções orgânicas podem ser classificadas em grupos ácidos e básicos. A seguir são apresentadas as principais funções ácidas. FUNÇÕES ORGÂNICAS ÁCIDAS Funções orgânicas com propriedades ácidas Ácido sulfônico Ácido carboxílico Fenol SO3H C O OH OH Ácido forte Ácidos fracos Ácidos muito fracos ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 46 Aumento da força ácida O grau de acidez dos compostos pode ser avaliado por um parâmetro quantitativo chamado de constante ácida (Ka). Na aula de equilíbrios iônicos iremos abordar como calcular essa constante. Porém, quanto maior o valor numérico do Ka, mais forte é o ácido e menor é o seu pKa. O pKa de um composto é expresso pelo cologaritimo da constante (pKa). Hoje iremos utilizar os valores de Ka apenas para entender a influência de grupos orgânicos na acidez. Muita atenção, pois existe uma relação inversa entre a força ácida e o pKa. ↑ Ka ↑ acidez ↓ pH Utilizando a função logarítmica, tem-se: pKa = - log Ka Portanto, ↑ Ka ↓ pKa Assim, ↑ Ka ↓ pKa ↑ acidez Perceba a relação dos valores de pKa e acidez dos compostos abaixo. SO3H COOH OH Ácido benzenossulfônico Ácido benzoico Fenol pKa = -2,8 pKa = 4,21 pKa = 9,89 Aumento da acidez ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 47 INFLUÊNCIA DE GRUPOS SUBSTITUINTES NA ACIDEZ DE COMPOSTOS ORGÂNICOS O aumento da acidez de um composto orgânico é determinado pela facilidade de ionização do hidrogênio. Da mesma forma, podemos dizer que um ácido será tão mais forte quanto mais distribuída estiver a densidade eletrônica do ânion formado e menos disponível receber próton. A substituição de um hidrogênio da cadeia carbônica de um ácido carboxílico pode facilitar ou dificultar a saída desse hidrogênio. Para justificar essa grande diferença nos valores de Ka desses compostos, devemos analisar as suas respectivas bases conjugadas. Como exemplo, vamos comparar as bases conjugadas dos respectivos compostos: Como o ácido benzoico possui o menor valor de pKa, podemos concluir que a sua base conjugada é a mais estável (mais fraca). Por isso, dentre os três compostos, ele é o ácido mais forte. O ânion carboxilato de um ácido carboxílico pode deslocalizar a carga negativa de sua base conjugada por ressonância. Portanto, a carga negativa não está localizada em nenhum dos átomos de oxigênio, estando, na verdade, distribuída de forma igual para os dois. A acidez de um ácido carboxílico é alterada por dois principais fatores: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 48 Analisando a base conjugada do fenol, denominada fenóxido ou fenolato, vemos o seguinte: A base conjugada vista acima também pode deslocalizar a sua carga negativa por efeito de ressonância. Veja: A deslocalização da carga negativa no fenolato estabiliza a base conjugada e justifica o caráter ácido fraco característico dos fenóis. Entretanto, as estruturas de ressonância do ânion fenóxido não são equivalentes como as do ânion carboxilato. De acordo com a teoria de ressonância, moléculas ou íons que são estabilizados por ressonância são mais estáveis quando as estruturas de ressonância são equivalentes. Essa diferença nas estruturas de ressonância é que justifica a grande diferença de acidez existente entre os fenóis e os ácidos carboxílicos. Por último, vamos analisar a base conjugada do álcool que é denominada alcóxido. A equação de ionização é a seguinte: No ânion alcóxido de um álcool, não existe deslocalização da carga negativa da base conjugada e o grupo alquil ligado ao oxigênio promove efeito indutivo positivo, que aumenta ainda mais a carga negativa do oxigênio, diminuindo a estabilidade da base conjugada. Por isso, os álcoois possuem um caráter ácido menor que o da água. Essa falta de deslocalização da carga negativa do ânion de um álcool pode ser comprovada pelo mapa de potencial eletrostático da sua base conjugada. Tamanho da cadeia lateral Presença de grupos atratores de elétrons ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 49 Influência do tamanho da cadeia carbônica. O aumento da cadeia carbônica apresenta pequena influência na acidez do ácido carboxílico., porém um aumento na cadeia carbônica, diminui um pouco a acidez do ácido carboxílico. OH O OH O OH O Ácido etanoico Ácido propanoico Ácido decanoico pKa = 4,75 pKa = 4,87 pKa = 4,9 Aumento da acidez À medida que o número de átomosda cadeia lateral aumenta, o pKa também aumenta, portanto, podemos generalizar que, quanto maior a cadeia lateral, menor é a acidez do composto. A explicação para essa observação é o efeito indutivo positivo da cadeia lateral (grupo R). Esse efeito “empurra” a densidade eletrônica para o grupo carboxilato, que já possui carga negativa, ou seja, empurra elétrons para onde já existe um excesso de elétrons. Isso diminui a estabilidade da base conjugada do ácido e, consequentemente, a força do ácido. Os grupos hidrocarbônicos são classificados por serem repelente de elétrons ou elétron- repelente. Portanto, eles aumentam a densidade eletrônica no sentido do átomo de hidrogênio ionizável. Quanto menos positivo estiver o átomo de hidrogênio ionizável, menor a sua ionização. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 50 A ionização de um ácido ocorre quando o polo negativo da água interage com o polo positivo do hidrogênio da carboxila. A diminuição do caráter positivo do hidrogênio do ácido, diminui a interação com a água e, por isso, torna-se um ácido mais fraco. Além da contribuição do efeito repelente de elétrons, sabe-se que quanto maior a cadeia carbônica de um ácido carboxílico, menor a solubilidade dele em água, logo, a interação da água com o hidrogênio ionizável será dificultada. Insaturação. Quanto maior o número de ligações pi de um átomo de carbono, maior a sua eletronegatividade, logo, maior a facilidade de saída do hidrogênio ionizável. OH O OH O Ácido propenoico Ácido propanoico pKa = 4,25 pKa = 4,87 Aumento da acidez Grupos substituintes com átomos mais eletronegativos. A presença de grupos substituintes com átomos mais eletronegativos, atratores de elétrons, aumenta a acidez do ácido carboxílico. A substituição dos átomos de hidrogênio pelos átomos de cloro e flúor ocasionou a diminuição dos valores de pKa, portanto, a acidez aumentou. O efeito indutivo negativo do cloro e do flúor (elétron-atraente) torna o próton da hidroxila mais positivo e aumenta a polarização da ligação O-H, facilitando a quebra heterolítica da ligação que libera o íon H+. Quanto maior o número de grupos atratores de elétrons na cadeia lateral, maior será a acidez. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 51 Os grupos atratores de elétrons também ajudam a deslocalizar a carga negativa da base conjugada, tornando-a mais estável. Como já comentamos, qualquer fator que estabiliza a base conjugada de um composto aumenta a sua força ácida. OH O F OH O Cl OH O Ácido fluoretanoico Ácido cloroetanoico Ácido etanoico pKa = 2,6 pKa = 2,9 pKa = 4,75 Aumento da acidez Quanto maior a eletronegatividade, maior a influência do efeito indutivo elétron-atraente. Como os efeitos indutivos se enfraquecem à medida que aumenta a distância do átomo ou grupo que o provoca, o efeito de fortalecimento da acidez diminui quando a distância entre o grupo atrator de elétrons e a carboxila aumenta. OH O Cl OH OCl OH O Cl Ácido 2-clorobutanoico Ácido 3-clorobutanoico Ácido 4-clorobutanoico pKa = 2,8 pKa = 4,1 pKa = 4,5 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 52 Aumento da aproximação do grupo elétron-atraente da carboxila Aumento da acidez Grupos que apresentam conjugação com a carbonila. A ressonância ou efeito mesomérico em compostos orgânicos é encontrada quando existem elétrons pi e/ou par de elétrons livres conjugados. A estrutura conjugada é encontrada quando esses elétrons se encontram separados por apenas uma ligação simples. Exemplos de elétrons conjugados: Duplas conjugadas Duplas conjugadas Dupla conjugada com par de elétron livre do oxigênio ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 53 A presença de ligações duplas conjugadas aumenta o caráter ácido do hidrogênio, pois o átomo de hidrogênio apresenta um maior acúmulo de carga positiva. O OH OH O OH O Ácido benzoico Ácido hexan-2,4-dioico Ácido hexanoico pKa = 4,21 pKa = 4,76 pKa = 4,88 Aumento da influência mesomérica Aumento da acidez Influências dos grupos substituintes na acidez da carboxila: ↑ cadeia carbônica ↓ acidez ↑ nº de insaturações ↑ acidez ↑ grupos substituintes com átomos mais eletronegativos ↑ acidez ↑ grupos substituintes mesomérico conjugados à carboxila ↑ acidez (Mackenzie SP/2018) Considere as seguintes substâncias orgânicas: ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 54 I. CH3COOH II. CH2ClCOOH III. CH3CH2COOH IV. CCl3COOH Assinale a alternativa correta para a ordem crescente de caráter ácido dessas substâncias a) III < I < II < IV. b) I < III < II < IV. c) IV < II < I < III. d) II < IV < III < I. e) IV < III < II < I. Comentários: Os compostos listados na questão são: As influências dos grupos substituintes na carboxila: - ↑ cadeia carbônica ↓ acidez - ↑ átomos mais eletronegativos ↑ acidez O ácido mais fraco é aquele que não apresenta átomos de cloro e apresenta a maior cadeia carbônica: CH3CH2COOH. O ácido mais forte é aquele que apresenta menos carbonos e maior quantidade de cloro: CCl3COOH. O ácido CH2CCOOH é mais forte que o CH3COOH porque possui o átomo de cloro. CH3CH2COOH (III) < CH3COOH (I) < CH2CCOOH (II) < CC3COOH (IV) Gabarito: A 7. FUNÇÕES ORGÂNICAS COM PROPRIEDADES BÁSICAS As aminas são consideradas as bases orgânicas. A basicidade das aminas é explicada pela presença de um par de elétrons não compartilhado ou não ligante no átomo de nitrogênio, que confere às aminas a capacidade de se comportarem como bases de Brönsted ou Lewis. O caráter básico das aminas é uma de suas principais características, sendo que elas são os compostos orgânicos que apresentam maior tendência em receber H+, ou seja, com maior caráter básico. CH3COOH CH2CCOOH CH3CH2COOH CC3COOH I II III IV Ácido etanoico Ácido cloroetanoico Ácido propanoico Ácido tricloroetanoico ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 55 A constante de basicidade, Kb, é uma medida da força de uma base, de modo que, quanto maior for o seu valor, maior será a tendência da base em aceitar um próton (H+) da água. Quanto maior o caráter básico de uma substância, maior o seu Kb e, logo, menor o pKb. ↑ basicidade ↑ Kb ↓ pKb As figuras a seguir representam as estruturas de uma amina primária, secundária e terciária, respectivamente, com os seus mapas de potencial eletrostático ou densidade eletrônica. A área de coloração vermelha representa a densidade eletrônica associada ao par de elétrons não ligante situado sobre o átomo de nitrogênio. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 56 As aminas alifáticas (cadeias abertas) primárias são bases um pouco mais fortes do que a amônia, pois o grupo alquila – efeito indutivo positivo (I+) – empurra elétrons para o grupo amino (R → NH2), aumentando a densidade eletrônica no nitrogênio e facilitando a captura do H+ para formar o R → NH3+. As aminas alifáticas secundárias, tendo dois grupos alquila (R – NH – R’), são bases mais fortes que as aminas primárias, os dois grupos alquilas aumentam a densidade eletrônica no nitrogênio, facilitando a captura do H+. Seguindo esse raciocínio, as aminas alifáticas terciáriasdeveriam ser ainda mais fortes; no entanto, elas são mais fracas do que as primárias. Isso se explica pela existência de três grupos alquilas ao redor do nitrogênio. Essa disposição deixa pouco espaço para a fixação do H+ e a formação do R3NH+. Na Química, esse fenômeno é conhecido como impedimento estérico ou espacial (tensão provocada pela interação repulsiva quando átomos se aproximam muito um do outro, quando se tem grupos impedindo novas ligações). As aminas aromáticas são bases fraquíssimas, pois o par eletrônico do nitrogênio migra para o anel (fenômeno de ressonância), distribuindo a densidade eletrônica por toda estrutura do composto, de modo que o H+ dificilmente poderá protoná-lo. Em resumo, pode-se dizer que qualquer grupo que empurre elétrons (grupos doadores de elétrons) para o nitrogênio aumenta a basicidade da amina; caso contrário, a basicidade diminui. Em ordem crescente de basicidade, tem-se, então: Ar3N < Ar2NH < Ar–NH2 < NH3 < R3N < R–NH2 < R2NH Amina aromática terciária < Amina aromática secundária < Amina aromática primária < amoníaco < Amina alifática terciária < Amina alifática primária < Amina alifática secundária Percebe-se que as aminas alifáticas são mais básicas que a amônia. Isso se deve ao efeito indutivo positivo dos grupos alquilas, que aumenta a densidade eletrônica do nitrogênio, facilitando, assim, a doação do par eletrônico. Entre as aminas alifáticas, a explicação da ordem de basicidade pode ser dada pela análise de dois efeitos: o indutivo e o impedimento espacial. As aminas secundárias possuem dois grupos alquilas doadores de elétrons (efeito indutivo positivo), sendo, portanto, mais básicas que as aminas primárias. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 57 Analisando-se somente o efeito indutivo dos grupos alquilas, era de se esperar que as aminas terciárias fossem as mais básicas. Entretanto, a presença de três grupos alquilas em torno do nitrogênio dificulta a aproximação do cátion H+ e, consequentemente, diminui a basicidade. Já as aminas aromáticas são menos básicas que a amônia e demais aminas alifáticas, porque o par de elétrons não ligante do nitrogênio pode deslocalizar-se sobre o anel aromático (efeito mesomérico positivo), tornando-se, dessa forma, menos disponível para ser doado ao H+. Quanto maior o número de anéis aromáticos ligados ao nitrogênio, menor é a basicidade. Observe o quadro abaixo: Nome Fórmula condensada pKb Amônia NH3 4,74 Amina primária Metilamina CH3NH2 3,36 Etilamina CH3CH2NH2 3,19 Amina secundária Dimetilamina (CH3)2NH 3,27 Dietilamina (CH3CH2)2NH 3,02 Amina terciária Trimetilamina (CH3)3N 4,19 Trietilamina (CH3CH2)3N 3,25 A partir dos dados da tabela, conclui-se que quanto maior a cadeia carbônica ligada ao átomo de nitrogênio, maior o caráter básico das aminas. INFLUÊNCIA DE GRUPOS SUBSTITUINTES NA BASICIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS Da mesma forma que os ácidos, os grupos substituintes interferem na basicidade dos compostos orgânicos. Influências dos grupos substituintes na basicidade das aminas e amidas: ↑ cadeia carbônica ↑ basicidade ↑ nº de insaturações ↓ basicidade ↑ grupos substituintes com átomos mais eletronegativos ↓ basicidade ↑ grupos substituintes mesomérico conjugados à carboxila ↓ basicidade ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 58 8. QUESTÕES FUNDAMENTAIS Questão 01 – Considerando cada item formado por um sistema puro, identifique o tipo de interação intermolecular preponderante. a) h) b) i) c) j) d) k) e) l) f) m) g) n) ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 59 Questão 02 – identifique qual fórmula 1 ou 2 de cada par apresentado apresenta maior temperatura de ebulição. Fórmula 1 Fórmula 2 a) b) c) d) e) f) g) h) i) ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 60 j) k) l) Questão 03 – Identifique o caráter ácido, básico ou neutro de cada solução aquosa. a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 61 9. QUESTÕES EXTRAS - DISCURSIVAS Propriedades Físicas / Forças Intermoleculares, PF e PE Questão-01 - (Famema SP/2019) A tabela apresenta propriedades físicas da propanona e do metanol. Considere uma solução preparada pela adição de 31,6 g de metanol a 85,8 g de propanona. a) Qual o tipo de ligação intramolecular existente na propanona e no metanol? Qual o nome da interação intermolecular que justifica o fato de o metanol, apesar de ter menor massa molar, apresentar maior ponto de ebulição que a propanona? b) Calcule a concentração, em g/L, de metanol na solução preparada, considerando o volume total da solução. Questão-02 - (UFRJ/2010) O Complexo Petroquímico do Estado do Rio de Janeiro (COMPERJ), atualmente em fase de implantação no município de Itaboraí, utilizará como matéria-prima principal o petróleo pesado produzido no Campo de Marlim, na Bacia de Campos. Os produtos mais importantes do COMPERJ podem ser vistos na tabela a seguir. O butadieno é um dos principais produtos petroquímicos de 1ª geração, mas apenas um de seus isômeros de posição desperta interesse comercial. O isômero I tem valor comercial e apresenta ponto de ebulição igual a – 4,4 ºC e polaridade igual a 0,0 Debye, e o isômero II, que não possui valor comercial, apresenta ponto de ebulição igual a 10,9ºC e polaridade igual a 0,4 Debye. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 62 Identifique e represente os isômeros I e II e explique as diferenças entre suas propriedades. Questão-03 - (UFC CE/2009/2ªFase) Assim como a temperatura de ebulição e a pressão de vapor em uma temperatura específica, o calor de vaporização (Hvap) de um líquido pode ser utilizado para estimar a magnitude das forças de atração intermoleculares. Com base nessa informação, responda o que se pede a seguir. a) Classifique em ordem crescente de valores de Hvap as seguintes substâncias: H2O, CH4 e H2S. b) Indique, para cada substância do item A, a força intermolecular que deve ser vencida para que ocorra a sua vaporização. Questão-04 - (UFG GO/2009/Julho) Três compostos orgânicos de cadeia carbônica linear ― um alcano, um álcool e um ácido carboxílico ― apresentam respectivamente massas molares iguais a 58, 60 e 60 gmol–1. Nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP), uma das substâncias está no estado gasoso enquanto as outras duas estão no estado líquido. a) Desenhe a estrutura plana das substâncias que são líquidas nessas condições. b) Cite o fenômeno responsável pela diferença no estado físico entre a substância gasosa e as demais, considerando que todas têm massas molares muito próximas. b) Ligações de hidrogênio intermoleculares. Questão-05 - (UEM PR/2008) Considere uma mistura composta, em iguais proporções, por três substâncias líquidas – ciclohexeno, ciclohexanol e ciclohexanona – aleatoriamente denominadas X, Y e Z. Um analista químico separou essas substâncias, por destilação fracionada, nas seguintes temperaturas: X: 82 ºC; Y: 161 ºC; Z: 155 ºC. Para identificá-las, o analista fez alguns testes, obtendo os seguintes resultados:– a substância X, ao ser submetida à reação com solução de bromo, provocou o descoramento desta solução; – a substância Y, quando oxidada, produziu substância idêntica à denominada como Z no experimento. Apresente as fórmulas estruturais planas das substâncias X, Y e Z e nomeie cada uma delas. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 63 Propriedades Físicas / Solubilidade Questão-06 - (UEG GO/2006/Janeiro) As vitaminas são compostos orgânicos de grande importância biológica. A carência dessas substâncias no organismo pode desencadear vários processos bioquímicos importantes. Essas moléculas são classificadas em dois grupos distintos, em função de suas solubilidades em água (hidrossolúveis) ou em lipídios (lipossolúveis). Sabendo-se que abaixo tem-se um representante de cada um desses grupos, responda aos itens posteriores. a) Qual das vitaminas acima se espera ser lipossolúvel? Explique. b) Cite dois grupos funcionais presentes na piridoxina. Questão-07 - (UFMA/2003/2ªFase) Organize os isômeros estruturais com fórmula molecular C4H9OH em ordem crescente de: a) Ponto de ebulição b) Solubilidade em água Questão-08 - (UFMG/2003) Recentemente, os químicos têm investigado uma nova classe de materiais - os líquidos iônicos. A novidade desses materiais é que, nas condições ambientais, as substâncias iônicas mais comuns são sólidas. A estrutura exemplifica um líquido iônico: Essa substância tem propriedades interessantes: · é líquida, nas condições ambientais; · é solúvel em água; · é um bom solvente para muitas substâncias polares e apolares. OH Retinol (Vitamina A) N OH HO OH Piridoxina (Vitamina B6) N C4H9 BF4 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 64 1. Com base nas características estruturais dessa substância, JUSTIFIQUE o fato de ela ser um bom solvente para muitas substâncias apolares. 2. Analise a estrutura dessa substância e, com base na interação eletrostática entre seu cátion e seu ânion, JUSTIFIQUE o fato de ela ser líquida. Questão-09 - (UFRJ/2000) Embora com tempo de meia-vida muito baixo, alguns milissegundos, óxido nítrico faz parte de funções fisiológicas relevantes, como memória tardia, neurotransmissão, agregação plaquetária e hipotensão arterial. Porém, em concentrações elevadas, essa substância pode reagir com peróxido, gerando peroxinitrito, que é citotóxico. Junto com a L-citrulina, o monóxido de nitrogênio é biossintetizado a partir de L-arginina e oxigênio na presença da enzima óxido nítrico sintetase. Devido à habilidade em dilatar vasos sanguíneos, óxido nítrico tem sido usado na divulgação de suplementos alimentares conhecidos como “suplemento NO” ou “via NO”, como forma de estimular atletas a usarem esses produtos. A eficiência desses produtos é questionada porque no organismo humano há uma quantidade de L-arginina muito maior que da enzima óxido nítrico sintetase. A solubilidade dos compostos é um conhecimento muito importante em química. Sabe-se que, de uma forma geral, substâncias polares dissolvem substâncias polares e substâncias apolares dissolvem substâncias apolares. Em um laboratório, massas iguais de tetracloreto de carbono, água e etanol foram colocadas em três recipientes idênticos, conforme se vê na figura a seguir. I. 6mL de tetracloreto de carbono; II. 10mL de água; III. 13mL de etanol. I II III ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 65 a) Mostre, por meio de desenhos semelhantes ao apresentado, como fica a mistura de I e II, identificando cada substância, e como fica a mistura de II e III. b) A graxa lubrificante utilizada em automóveis é uma mistura de hidrocarbonetos pesados derivados de petróleo com aditivos diversos. Indique qual, dentre os três solventes apresentados, é o mais adequado para remover uma mancha de graxa em uma camisa. Justifique sua resposta. Acidez/Basicidade e Efeitos Eletrônicos / Indutivos e Mesoméricos Questão-10 - (UERJ/2015/2ªFase) As amidas podem ser obtidas pela reação entre um ácido carboxílico e a amônia, conforme a seguinte equação geral: R-COOH + NH3 R-CONH2 + H2O Considere um laboratório no qual estão disponíveis quatro ácidos carboxílicos: etanoico, propanoico, butanoico e pentanoico. Escreva a equação química completa da reação da amônia com o composto de caráter ácido mais acentuado dentre os disponíveis no laboratório. Admitindo a substituição da amônia pelo metanol na equação geral, indique a função orgânica do produto formado e o tipo de hibridação do átomo de carbono do grupo funcional desse produto. Questão-11 - (UNITAU SP/2015) A presença de Escherichia coli, uma enterobactéria, em águas e alimentos indica contaminação fecal e representa riscos de enfermidades intestinais, urinárias, meningites e outros tipos de infecções. Enterobacter aerogenes, um dos causadores de infecções hospitalares, é também uma enterobactéria. Um dos testes utilizados para diferenciar essas duas espécies é o teste do citrato. Esse teste é realizado inoculando-se as bactérias suspeitas em um meio de cultura, cujos principais componentes são citrato de sódio (como única fonte de carbono), uma fonte de nitrogênio, azul de bromotimol e NaCl, todos dissolvidos em H2O. As enterobactérias capazes de utilizar o ácido cítrico (ácido 2-hidroxi-1, 2, 3- propanotricarboxílico) como fonte de energia realizam a conversão de citrato em diferentes compostos que, ao final, geram CO2. O dióxido de carbono reage com água e íons sódio presentes no meio, produzindo bicarbonato de sódio. a) Esquematize a fórmula estrutural plana do ácido cítrico. b) Sabendo-se que o azul de bromotimol é amarelo quando abaixo de pH 6,0, verde, entre pH 6,0 e 7,6 e azul acima de pH 7,6, qual seria a coloração do meio de cultura contendo E. aerogenes, capaz de utilizar citrato? Justifique sua resposta, esquematizando a equação de dissociação do bicarbonato de sódio. Questão-12 - (UERJ/2011/2ªFase) A cor ligeiramente azulada da água do mar e de algumas geleiras, quando apresentam uma espessura de aproximadamente dois metros, deve-se às interações realizadas entre as moléculas da água. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 66 Esse tipo de interação intermolecular também ocorre em outras substâncias. Considere as seguintes moléculas orgânicas: Identifique aquelas que têm o mesmo tipo de força intermolecular que a água e apresente suas respectivas nomenclaturas. Nomeie, ainda, a função química da molécula orgânica de maior caráter ácido. Questão-13 - (UEG GO/2011/Janeiro) As propriedades químicas e físicas das moléculas orgânicas são decorrentes da natureza dos grupos funcionais em suas estruturas. Nesse contexto, considere a molécula orgânica abaixo e responda ao que se pede: a) preencha os quadros abaixo com as respectivas funções orgânicas; b) identifique o hidrogênio mais ácido, justificando a sua resposta. Questão-14 - (UFBA/2011/2ªFase) OH A H O B O C OH D OH O OH OH O HO ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 67 *X representa um átomo de halogênio. **eletronegatividade de Pauling. Tendo em vista que alguns ácidos são melhores doadores de próton que outros, ao ordená-los segundo essa habilidade, verifica-se que sua força depende da facilidade com que um átomo de hidrogênio se ioniza em meio aquoso. Essa força, em uma molécula HX, é o resultado da polaridadeda ligação H – X, representada pelo momento de dipolo, da energia dessa ligação e da estabilidade da base conjugada X−, formada durante a reação de HX com a água. Com base nessas informações e nos dados da tabela que apresenta algumas propriedades físicas dos haletos de hidrogênio, • estabeleça uma relação entre a variação do momento de dipolo de HX com a distância entre os átomos na ligação H – X e com a intensidade da carga elétrica parcial sobre X, e a influência dessa relação sobre a força do ácido HX(aq). • escreva as fórmulas moleculares que representam os ácidos HX(aq), em ordem decrescente de força, e justifique a sua resposta com base na entalpia média de ligação H – X. Questão-15 - (UFOP MG/2006/2ªFase) Abaixo encontram-se representadas as estruturas de alguns compostos orgânicos. Considerando que a acidez desses compostos pode ser avaliada pela habilidade dos mesmos em ceder um próton (H+) para uma base, responda: a) Qual desses compostos é o menos ácido? Justifique a sua escolha. b) Qual desses compostos é o mais ácido? c) Indique a fórmula estrutural da base conjugada do composto I. Questão-16 - (UFSCar SP/2004/2ªFase) Uma maneira de distinguir fenóis de álcoois é reagi-los com uma base forte. Os fenóis reagem com a base forte, como o NaOH, formando sais orgânicos, enquanto que os álcoois não reagem com essa base. a) Considerando a reatividade com a base forte, compare os valores das constantes de ionização (Ka) dos fenóis e dos álcoois. Justifique a sua resposta. b) Escreva a equação química para a reação do hidroxibenzeno com o NaOH, e dê o nome do sal orgânico formado. Questão-17 - (UFU MG/2003/2ªFase) CH3 OH O I CH3CH2OH II ClCH2 OH O III CH3CH2NH2 IV ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 68 As aminas caracterizam-se por sua basicidade e natureza nucleofílica. Em relação às aminas, responda: a) Qual é a origem da basicidade das aminas? b) Quais são as fórmulas estruturais da trimetilamina e do ácido etanóico? c) Qual é a equação química balanceada representativa da reação da trimetilamina com ácido etanóico? Questão-18 - (UFMG/2011/2ªFase) Isômeros são compostos que apresentam a mesma fórmula molecular, mas têm estruturas e propriedades diferentes. Para a fórmula molecular C3H9N, há quatro isômeros. 1. ESCREVA as fórmulas estruturais desses quatro isômeros. I. II. III. IV. 2. As temperaturas de ebulição desses isômeros variam entre 3 ºC e 46 ºC. Assinalando com um X a quadrícula apropriada, INDIQUE os isômeros que apresentam a maior e a menor temperatura de ebulição. O isômero que apresenta a maior temperatura de ebulição é o I. II. III. IV. O isômero que apresenta a menor temperatura de ebulição é o I. II. III. IV. 3. Assinalando com um X a quadrícula apropriada, INDIQUE o isômero que apresenta a menor solubilidade em água. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 69 Com base nas interações intermoleculares entre as moléculas de água e as dos quatro isômeros, JUSTIFIQUE sua resposta. O isômero que apresenta a menor solubilidade em água é o I. II. III. IV. Justificativa 4. Considere a definição de ácidos e bases de Brønsted-Lowry. Assinalando com um X a quadrícula apropriada, INDIQUE se esses isômeros apresentam comportamento ácido ou básico, quando suas moléculas interagem com moléculas de água. Escolha um desses isômeros e ESCREVAa fórmula estrutural da espécie conjugada, produzida na reação dessa substância com H+(aq) ou com OH–(aq), de acordo com a indicação assinalada. Os quatro isômeros apresentam comportamento ácido. básico. Fórmula estrutural da espécie conjugada do isômero escolhido Questão-19 - (PUC RJ/2010) O propofol (Diprivan®) é um anestésico geral intravenoso que ganhou notoriedade nos últimos meses após uma quantidade letal ter sido encontrada no corpo do cantor Michael Jackson. Michael tinha problemas para dormir e utilizava sedativos com frequência. O propofol (ver figura) pode provocar parada cardíaca se for utilizado de forma abusiva. a) Dê a nomenclatura IUPAC para o propofol. b) O propofol é uma substância aromática, ao contrário do cicloexanol. Qual das duas substâncias apresenta maior acidez relativa? Justifique. OH CH3 CH3 H3C CH3 ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 70 c) O propofol pode ser sintetizado pela reação entre o fenol e o propeno, na presença de fenóxido de alumínio, como catalisador, a 240 °C. Nessa reação, os coeficientes estequiométricos do fenol, propeno e propofol são, respectivamente, 1, 2 e 1. Calcule a massa de fenol necessária, em gramas, para se obter 1 mol do anestésico, sabendo que o rendimento dessa reação é 47%. Mostre os cálculos. Questão-20 - (UFF RJ/2009) Uma das propriedades importantes relacionadas às substâncias orgânicas é a sua acidez e basicidade, uma vez que com base nessa propriedade, purificam-se os compostos orgânicos. Considerando as estruturas apresentadas, pede-se: a) o nome oficial (IUPAC) das substâncias A e B; b) a equação balanceada da reação de A e B com quantidade estequiométrica de NaOH; c) a substância mais ácida dentre A e B. Justifique sua resposta; d) o volume em mL de uma solução de NaOH 0,1 M que é necessário para reagir completamente com 10 g da substância B. Questão-21 - (UFTM MG/2009/2ªFase) Considere as seguintes informações sobre o antibiótico cefalexina: • Fórmula estrutural: • Massa molar aproximada: 3,5102 g.mol–1. a) Analise a fórmula estrutural da cefalexina e decida se a molécula dessa substância I. apresenta ou não heteroátomo; II. apresenta ou não anel aromático; III. interage ou não com HCl; COOH NO2 substância A COOH CH3 substância B N H O NH2 N O S CH3 COOH HH ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 71 IV. interage ou não com NaOH; V. é ou não uma dicetona; VI. apresenta ou não grupo metila; VII. apresenta ou não a função amida. b) Quais são os produtos da combustão completa da cefalexina? c) Que quantidade, em mol de átomos de carbono, há em 1 mol de moléculas desse antibiótico? A que porcentagem em massa corresponde esse valor? 10. GABARITO DAS QUESTÕES FUNDAMENTAIS Questão 01 a) Ligação de hidrogênio. b) Dipolo-dipolo. c) Dipolo-dipolo. d) Dipolo-dipolo. e) Dipolo induzido. f) Ligação de hidrogênio. g) Dipolo-dipolo. h) Dipolo induzido. i) Ligação de hidrogênio. j) Dipolo-dipolo. k) Dipolo-dipolo. l) Ligação de hidrogênio. m) Dipolo-dipolo. n) Dipolo-dipolo. Questão 02 a) 1. b) 1. c) 1. d) 2. e) 1. f) 2. g) 2. h) 1. i) 1. j) 1. k) 1. l) 2. Questão 03 a) Neutro. b) Básico. c) Básico. d) Ácido. e) Ácido. f) Básico. g) Neutro. h) Básico. i) Ácido. j) Neutro. k) Básico. l) Básico. ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 72 11. GABARITO DAS QUESTÕES EXTRAS Propriedades Físicas / Forças Intermoleculares, PF e PE Questão-01 - (Famema SP/2019) a) As ligações intramoleculares (C – C, C = O, C – H, O – H) são todas covalentes ( não metal com não metal e H com não metal). CH3 — OH ligação de hidrogênio b) g/L Questão-02 - (UFRJ/2010) O isômero I (1, 3 butadieno) é uma molécula simétrica e apresenta, por isso, polaridade igual a zero (apolar), enquanto o isômero II (1,2 butadieno) não apresenta simetria sendo, portanto,polar (polaridade igual a 0,4 Debye). A diferença entre as polaridades dos isômeros I e II explica as diferenças entre seus pontos de ebulição. Questão-03 - (UFC CE/2009/2ªFase) a) CH4 , H2S , H2O. b) CH4 - forças de London; H2S - dipolo-dipolo; H2O - dipolo-dipolo e ligação de hidrogênio. Questão-04 - (UFG GO/2009/Julho) a) b) Ligações de hidrogênio intermoleculares. Questão-05 - (UEM PR/2008) 7,210C I = 1, 3 butadieno II = 1,2 butadieno X = OHY = Z = O ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 73 X = ciclohexeno Y = ciclohexanol Z = ciclohexanona Propriedades Físicas / Solubilidade Questão-06 - (UEG GO/2006/Janeiro) a) O Retinol ou vitamina ª A lipossolubilidade é uma propriedade que depende da polaridade da molécula: quanto menos polar for a molécula, maior será a sua lipossolubilidade. Como o retinol é uma molécula predominantemente apolar, pode-se afirmar, corretamente, que ela possua alta lipossolubilidade. b) Grupo álcool; grupo amina cíclica ou imina. Questão-07 - (UFMA/2003/2ªFase) a) t-Butanol < Isobutanol < 2 – Butanol < 1 – Butanol b) 1 – Butanol < 2 – Butanol < Isobutanol < t – butanol Questão-08 - (UFMG/2003) 1) A estrutura catiônica do líquido iônico é aromática, ramificada e apolar. Esta parte da estrutura é a responsável pela interação com as substâncias apolares através de dipolos induzidos 2) A fluidez, entre outros fatores, depende das interações entre as unidades estruturais: quanto mais fracas as interações, maior a fluidez. No caso da estrutura indicada, o volume do cátion de arranjo geométrico volumoso, diminui as interações eletrostáticas entre os íons, favorecendo a fluidez. Questão-09 - (UFRJ/2000) a) b) a graxa é apolar e por isso, deve-se utilizar um solvente apolar, logo, o mais indicado é o tetracloreto de carbono que é apolar. Acidez/Basicidade e Efeitos Eletrônicos / Indutivos e Mesoméricos Questão-10 - (UERJ/2015/2ªFase) CH3COOH + NH3 CH3CONH2 + H2O Função orgânica: éster. Hibridação: sp2 I II+ água tetracloreto de carbono ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 74 Questão-11 - (UNITAU SP/2015) a) b) Azul, pois o bicarbonato produzido é um sal de caráter básico. NaHCO3 Na+ + HCO3– H2O H+ + OH– NaHCO3 + H2O H2CO3 + Na+ + OH– Questão-12 - (UERJ/2011/2ªFase) Molécula A Uma das nomenclaturas: • fenilmetanol • álcool benzílico Molécula D Uma das nomenclaturas: • p-metilfenol • p-metil-hidroxibenzeno • 4-metilfenol • 4-metil-1-hidroxibenzeno Fenol Questão-13 - (UEG GO/2011/Janeiro) a) b) O hidrogênio mais ácido é presente no grupo carboxila, o que pode ser explicado pelo grande efeito indutivo da ligação C=O. Questão-14 - (UFBA/2011/2ªFase) HO C CH2 COOH COOH CH2 COOH OH O OH OH O HOFenol Enol Cetona ÁlcoolÁcido carboxílico ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 75 • Considerando os dados da tabela, pode-se concluir que o aumento do momento de dipolo de HX está relacionado com a diminuição da distância entre os átomos na ligação H—X, com o aumento da intensidade da carga elétrica parcial sobre X que cresce com o aumento da diferença de eletronegatividade entre os átomos na ligação, o que influi na diminuição de acidez de HX(aq). • Com base nos dados de entalpia média de ligação, a ordem decrescente de acidez de HX(aq) é HI > HBr > HCl > HF, porque quanto menor a energia de ligação, maior a facilidade com a qual o átomo de hidrogênio, na ligação H—X, se ioniza em meio aquoso. Questão-15 - (UFOP MG/2006/2ªFase) a) IV – A ligação N-H é a menos polarizada ou N é o menos eletronegativo. b) III Questão-16 - (UFSCar SP/2004/2ªFase) a) Ka fenol > Ka álcool b) Questão-17 - (UFU MG/2003/2ªFase) a) As aminas são bases de Lewis: apresentam um par de elétrons que pode ser doado em um processo ácido/base de Lewis; b) c) N(CH3)3 + CH3COOH (CH3)3N+OOCCH3 + H2O Questão-18 - (UFMG/2011/2ªFase) 1. CH3 C O O c) OH NaOH ONa H2O+ + Fenóxido de sódio fenolato de sódio N CH CH C O OH3 CH 3H C3 Trimetilamina ácido etanóico ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 76 2. O isômero que apresenta maior temperatura de ebulição é o I. O isômero que apresenta menor temperatura de ebulição é o IV. 3. O isômero que apresenta menor solubilidade em água é o IV. Justificativa: As moléculas de IV não possuem átomos de hidrogênio ligados diretamente ao nitrogênio. Assim, elas são capazes de realizar apenas um tipo de ligação de hidrogênio com a água, aquelas que se estabelecem entre o par isolado do átomo de nitrogênio da amina e o hidrogênio com núcleo exposto da água. As outras aminas, por possuírem hidrogênio ligado ao nitrogênio, realizam com a água, além das interações já mencionadas aqui, ligações de hidrogênio entre o par isolado do oxigênio da água e o hidrogênio com núcleo exposto da amina. Isso faz com que as moléculas de IV fiquem menos fortemente ligadas à água em relação às das outras aminas. 4. Os quatro isômeros apresentam comportamento básico. Fórmula estrutural da espécie conjugada do isômero escolhido: Questão-19 - (PUC RJ/2010) a) 2,6-diisopropilfenol b) O propofol apresenta maior acidez relativa. Os fenóis são, via de regra, muito mais ácidos do que os alcoóis de estrutura relacionada (como o cicloexanol). O principal motivo para isto é que, nos fenóis, as bases conjugadas (fenóxidos ou fenolatos) são estabilizadas por ressonância. c) Resposta: 200 g de fenol. Pela estequiometria da reação, para a síntese de 1 mol de propofol seria necessário utilizar exatamente 1 mol de fenol. Entretanto, como o rendimento deste processo é de 47%, uma quantidade maior de reagente terá de ser usada. Através de uma regra de três simples, chega-se ao valor de 2,13 mol de fenol para se produzir 1 mol do anestésico. Como a massa molar do fenol é de 94,0 g mol–1, a massa de fenol necessária será de, aproximadamente, 200 g. Questão-20 - (UFF RJ/2009) a) Ácido p-nitrobenzóico (ácido 4-nitrobenzóico) e p-metilbenzóico (ácido 4-metilbenzóico). ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 77 b) c) O Ácido p-nitrobenzóico (substância A). Porque o grupo NO2 apresenta efeito indutivo (- I) - retirador de elétrons. d) x = 725 mL Questão-21 - (UFTM MG/2009/2ªFase) a) I- Sim - N e S entre carbonos são heteroátomos II- Sim III- Sim IV- Sim — COOH + NaOH V- Não – Cefalexina é composto de função mista VI- Sim —CH3 VII- Sim b) Dióxido de Carbono: CO2 Água: H2O Óxidos de Nitrogênio: NOx Óxidos de Enxofre: SOx c) 16 mols de átomos de carbono COONa NO2 COOH NO2 + H2O+ NaOH + NaOH + H2O COOH CH3 COONa CH3 NH2 + HCl H+ C O N H ESTRATÉGIA VESTIBULARES – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS AULA 18 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS 78 % em massa = 54,86 12. CONSIDERAÇÕES FINAIS Eita aula boa! Essa aula te ajuda a revisar não só as principais funções orgânicas, mas também alguns fundamentos da Química Geral e Físico-Química. Antes de fechar, pegue um papel e escreva o nome de todas as funções orgânicas oxigenadas e nitrogenadas. No outro lado desse papel faça um mapa mental inserindo os termos: temperatura de fusão e ebulição, solubilidade, acidez e basicidade. Feito isso, pronto, descanse, pois, você merece! É isso! Aquele abraço carinhosoe até a próxima aula.