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1 CEDERJ – CENTRO DE EDUCAÇÃO SUPERIOR A DISTÂNCIA DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO CURSO: Licenciatura em Química DISCIPLINA: QUÍMICA C CONTEUDISTA: Thiago Rezende Araújo e Maria Cristina Canela AULA 5 – Hidrocarbonetos a partir do petróleo e os alcoóis META Apresentar os hidrocarbonetos obtidos a partir do petróleo e os alcoóis, juntamente com suas nomenclaturas. OBJETIVOS Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: 1- Representar moléculas orgânicas; 2- Identificar e nomear os hidrocarbonetos e os alcoóis; 3- Descrever as propriedades dos hidrocarbonetos e dos alcoóis; 4- Diferenciar combustíveis renováveis dos não renováveis. PRÉ-REQUISITOS Esta aula não há pré-requisitos específicos, tudo que você aprendeu até o momento será importante para continuar aprendendo os conceitos desta aula. 2 1. Introdução Sempre estamos ouvindo falar que o grande vilão das mudanças climáticas é o dióxido de carbono (CO2), porém, sempre que ouvimos falar nele, não se deixa de citar sua maior fonte geradora, os combustíveis fósseis. Por isso que, nesta aula, falaremos sobre a formação desses combustíveis, bem como na composição dos mesmos. Desta forma, falaremos de algumas substâncias orgânicas denominadas de hidrocarbonetos, principais constituintes de alguns combustíveis fosseis. Os hidrocarbonetos serão a primeira função orgânica a qual estudaremos. Veremos que essas substâncias estão presentes no nosso dia-a-dia, seja no nosso botijão de gás, seja no tanque de combustível dos caminhões e de alguns carros, por exemplo. Outro combustível, muito conhecido por nós brasileiros e que não é um combustível fóssil, é o etanol, que é o principal álcool que conhecemos, pois além de ser utilizado nos carros movidos a álcool ou bicombustíveis, são também muito utilizados dentro de nossas casas como solvente em uma série de aplicações. Mas não vamos falar só sobre o etanol, vamos conhecer outras substâncias pertencentes a essa função orgânica denominada de álcool, segunda função orgânica a qual estudaremos, aprendendo a identificá-los e nomeá-los. 2. Combustíveis fósseis – combustíveis não-renováveis Os combustíveis fósseis são provenientes da decomposição da matéria orgânica proveniente de plantas e animais ocorrida por um processo que demorou milhares e milhares de ano. A duração deste processo faz com que ele seja considerado não-renovável ao longo da escala de tempo humana, embora continuem a ser formados pela natureza. Por isto o chamamos de combustível não-renovável, pois sua produção é muito pequena em relação ao tempo que temos e o quanto extraímos. Os principais combustíveis fosseis são: carvão mineral, petróleo e gás natural. O carvão mineral é composto principalmente de carbono e acredita-se que tenha sido formado por soterramento de plantas tropicais e subtropicais. Este composto possui cor preta ou amarronzada e é encontrado em jazidas localizadas 3 no subsolo terrestre e é extraído pelo sistema de mineração. O carvão foi utilizado por muito tempo, principalmente desde a Revolução industrial, como gerador de energia para mover máquinas e locomotivas, além de navios a vapor. Atualmente, é utilizado para gerar energia em termoelétricas. As maiores reservas de carvão mineral no Brasil situam-se nos seguintes estados: Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná e São Paulo. Seu uso diminuiu com a difusão do uso de derivados do petróleo como combustíveis e também devido aos problemas de poluição causados pela emissão de metais tóxicos como o mercúrio e outros metais como vanádio, cádmio, arsênio e chumbo, além da alta emissão de dióxido de carbono e material particulado. O seu baixo custo e disponibilidade fazem com que os países mais pobres da Europa sejam os maiores emissores de dióxido de carbono por causa de sua utilização. O petróleo, do qual ouvimos falar muito, porque é uma riqueza natural muito importante para o Brasil, é um líquido viscoso, preto passando por verde ou marrom. Sua cor depende da sua composição. O nome petróleo vem do latim e do grego e significa “óleo de pedra” (petrus = pedra e oleum = óleo, do grego) porque geralmente está disperso em cavidades e fraturas de formações rochosas, em grandes profundidades tanto abaixo do continente como dos mares. O petróleo é constituído, basicamente, por uma mistura de substâncias químicas orgânicas, contendo apenas carbono e hidrogênio, chamadas de hidrocarbonetos e outras substâncias que contém oxigênio, enxofre e nitrogênio. O petróleo mais valioso, conhecido como leve, contém poucas impurezas de enxofre e grande quantidade de compostos orgânicos facilmente refináveis em gasolina, ou seja, hidrocarbonetos de massa molar menor. O petróleo pesado possui hidrocarbonetos de massa molar mais elevada e mais impurezas de enxofre e, desta forma, exige um maior refinamento para eliminação de parte dos compostos de enxofre. A quantidade de enxofre limita a quantidade de SO2 liberado na atmosfera, gás que provoca a chuva ácida. O Brasil possui um petróleo considerado pesado e, portanto, uma tecnologia mais apurada é necessária nas 4 refinarias para diminuir a quantidade de impurezas de enxofre e transformar os hidrocarbonetos de massa mais elevada em hidrocarbonetos de massa menor. O petróleo é uma mistura bastante complexa, sendo, desta forma, muito difícil separá-lo em componentes puros ou, ainda, em misturas de composição exatamente conhecida. O petróleo é normalmente separado em frações, as quais recebem nomes, de acordo com a faixa de ebulição das substâncias, tabela 5.1. Só para você ter uma idéia do que foi dito, a gasolina, por exemplo, chega a apresentar em sua constituição dezenas de componentes. Tabela 5.1: Frações constituintes do petróleo, com sua faixa de ebulição e número de carbonos presentes nos hidrocarbonetos da fração. Fração Temperatura de ebulição (oC) Número de carbonos nos hidrocarbonetos da fração Gás liquefeito de petróleo (GLP) Até 30 C3 – C4 Gasolina 30 - 175 C5 – C10 Querosene 175 - 235 C11 – C12 Gasóleo leve (óleo diesel) 235 - 305 C13 – C17 Gasóleo pesado 305 - 400 C18 – C25 Óleos Lubrificantes 400 - 510 C26 – C38 Resíduo Acima de 510 Acima de C38 Como pode ser visto na tabela 5.1, cada fração do petróleo possui uma faixa de ebulição típica e o número de átomos de carbono presentes nas substâncias que compõem essas frações tem relação direta com a mesma. Observa-se que, aumentando-se o número de átomos de carbono desses hidrocarbonetos, aumenta-se o ponto de ebulição dos mesmos. Isso acontece porque os hidrocarbonetos são substâncias apolares ou de baixa polaridade, ou seja, interagem com moléculas idênticas através de dipolo induzido-dipolo induzido. A magnitude dessa força é dependente da área de contato entre as moléculas, quanto maior for a área de contato entre as mesmas, mais forte é a 5 interação e, por consequência, maior é o ponto de ebulição da substância. Sendo assim, como, aumentando-se o número de átomos de carbono, geralmente, aumenta-se a área de contato entre as moléculas do hidrocarboneto, tem-se, também, um aumento no ponto de ebulição do mesmo. Essa diferença no ponto de ebulição dos diferentes componentes do petróleo é utilizada na indústria para que as diferentes frações do petróleo possam ser separadas. Um dos processos iniciais para a separação do petróleo é a destilação fracionada. Na indústria, ela é realizada em torres bastante grandes (Figura 5.1 e 5.2). Figura 5.1: Desenho esquemático de umas das destilações fracionadas do petróleo. 6 Figura 5.2: Unidade de fracionamento de petróleo. Como pode ser observado na figura 5.1, a fração do petróleo com menor ponto de ebuliçãochega ao topo da coluna de destilação fracionada ainda no estado gasoso, enquanto que, as com maiores pontos de ebulição se liquefazem (passam do estado gasoso para o líquido) ao longo da coluna. Isso acontece porque, na base da coluna, região mais próxima ao aquecimento, tem-se temperaturas mais elevadas e, ao longo da coluna, a temperatura diminui, visto que, existem algumas barreiras metálicas mais frias ao longo da mesma. Sendo assim, substâncias com diferentes pontos de ebulição vão se liquefazendo em diferentes pontos da coluna, podendo assim, ser separadas. Início do Box de curiosidade A Petrobrás possui mais de 100 plataformas de produção de petróleo, com reservas de 14 bilhões de barris de petróleo e perspectiva de que este número dobre nos próximos anos. Com a descoberta do pré-sal, o Brasil pode ser o 4º. maior produtor de petróleo do mundo em 2030 (informações presentes na página da Petrobrás, WWW.petrobras.com.br, acessada em 05/10/2010). Você sabe o que é o pré-sal? Pois bem, o pré-sal é uma região localizada em grandes 7 profundidades, sob as águas oceânicas, abaixo de uma espessa camada de sal e que contém uma camada de petróleo. Final do Box de curiosidade Assim como o petróleo, o gás natural também é encontrado no subsolo e é uma mistura de hidrocarbonetos, porém, de baixa massa molar. Sua presença no subsolo pode estar ou não associada à presença de óleo. Ele é composto principalmente por metano, hidrocarboneto contendo um átomo de carbono, possuindo, também, quantidades apreciáveis de hidrocarbonetos contendo dois, três e quatro átomos de carbono, etano, propano e butano, respectivamente. 2. Hidrocarbonetos Como visto no item anterior, o petróleo e o gás natural são constituídos basicamente por hidrocarbonetos, substâncias orgânicas formadas apenas por carbono e hidrogênio. Essa classe de substâncias é ainda, de acordo com a sua estrutura, classificada em alcanos, alcenos, alcinos e aromáticos (tabela 5.2). Nesta aula, veremos os alcanos, os alcenos e os alcinos, enquanto que, os hidrocarbonetos aromáticos serão discutidos na aula 10 desta disciplina. Porém, antes de discutirmos os hidrocarbonetos de maneira específica, vamos falar sobre as representações das moléculas orgânicas, visto que, nas próximas 5 aulas falaremos sobre as substâncias orgânicas e, desta forma, saber representá-las será muito importante. Tabela 5.2: Classificação dos hidrocarbonetos Tipo de hidrocarboneto Característica estrutural Alcanos C-C ligação simples Alcenos C=C ligação dupla Alcinos C≡C ligação tripla Aromáticos Anel aromático 8 2.1. Representações das moléculas orgânicas Existem várias formas de representar a estrutura das moléculas orgânicas, sendo as mais comuns apresentadas na tabela 5.3. Tabela 5.3: Fórmulas estruturais e moleculares de algumas substâncias orgânicas. Fórmula molecular Fórmula estrutural de traços ou plana Fórmula estrutural condensada Fórmula estrutural de linhas ou de bastões C4H10 C C C C H HHHH H H H H H CH3CH2CH2CH3 ou CH3(CH3)2CH3 C3H6O C C C H H H H H H O CH3COCH3 ou (CH3)2CO O C3H6 C C C HH H H H H CH2CHCH3 As fórmulas moleculares indicam apenas a composição elementar da substância, sem dar qualquer indicação de como os átomos estão ligados entre eles. Vale ressaltar que, em outras disciplinas do curso, você verá que podem existir várias substâncias com a mesma fórmula molecular, porém com diferentes estruturas. Com relação às fórmulas estruturas das substâncias orgânicas, para que você chegue às mesmas ou as interprete, inicialmente, você deve se lembrar das valências usuais dos átomos que, geralmente, compõem as substâncias orgânicas. O carbono forma, geralmente, quatro ligações, o hidrogênio e os halogênios uma, o oxigênio e o enxofre duas e o nitrogênio três. Na tabela 5.3, 9 você pode observar facilmente, através das formulas estruturais planas apresentadas, que todos os átomos de carbono formam quatro ligações, os átomos de hidrogênio uma e o átomo de oxigênio duas. Vale ressaltar que, embora a fórmula estrutural plana seja a preferida pelos alunos quando iniciamos o estudo das substâncias orgânicas, ela é a menos utilizada pelos livros textos e pelos químicos. Na fórmula estrutural condensada, as ligações covalentes entre os átomos não são mostradas e os grupos condensados são apresentados de maneira que temos como chegar à estrutura da molécula. Na fórmula estrutural de linhas, os hidrogênios ligados aos carbonos não são mostrados e a cadeia carbônica é representada por uma linha em ziguezague. Em cada encontro entre as linhas, vértices, ou em cada extremidade, nas quais não temos a representação de outro átomo, temos um carbono. Chega-se ao número de hidrogênios ligados ao carbono subtraindo-se quatro (valência usual do carbono) do número de ligações que o carbono realizou com átomos diferentes do hidrogênio. Abaixo, segue um exemplo onde partindo da fórmula estrutural condensada chega-se à fórmula estrutural plana e à de linhas. C CC C C CC C H HH H H HH H H HH H C CC C H HH H H HH H C CC C H HH H H HH H C CC C O OO O O OO O C CC C C CC C H HH H C CC CH HH H H HH H H HH H H HH H H HH HH HH H C CC CH HH H 2 22 2 C CC CH HH H( (( (C CC CH HH H 2 22 2 ) )) ) 2 22 2 C CC CO OO OO OO OC CC CH HH H( (( (C CC CH HH H 3 33 3 ) )) ) 2 22 2 O OO O O OO O 10 Atividade 1 (atende ao objetivo 1): Represente as moléculas abaixo através da fórmula estrutural de linhas. C C C O H H H H H H H H C C C C C HH H H H H H H H H C CH H H O H CH2 CH2 CH2 CH2 O c) d) CH3(CH2)2COOH (CH3)3CCH2COCH3 CH3COOC(CH3)3 CH3CON(CH2CH3)2 C C C Cl H H OH H H H H e) (CH3CH2)2O g) h) i) j) a) b) f) Início da resposta comentada. As fórmulas estruturais de linhas das substâncias são mostradas abaixo. 11 O OO OH HH H O OO O O OO O H HH H ou O OO O C CC Cl ll l O OO OH HH H O OO O O OO OH HH H O OO O O OO O O OO O O OO O N NN N O OO O Fim da resposta comentada 2.2. Alcanos Os alcanos são hidrocarbonetos que possuem apenas ligações simples C-C, ou seja, são saturados. A maior parte dos hidrocarbonetos presentes no petróleo são alcanos. 2.2.1. Nomenclatura e estrutura dos alcanos 2.2.1.1. Alcanos não ramificados Para nomear os alcanos com cadeias lineares, ou seja, sem ramificações, utiliza-se um prefixo que indica o número de átomos de carbono na substância, o infixo “an” que indica que existem apenas ligações simples C-C e a terminação “o” a qual indica que se trata de um hidrocarboneto. Seguem alguns exemplos na tabela 5.4. 12 Tabela 5.4: Nomes de alguns alcanos lineares. Alcano linear Nome Alcano linear Nome CH4 metano C11H24 undecano C2H6 etano C12H26 dodecano C3H8 propano C13H28 tridecano C4H10 butano C14H30 tetradecano C5H12 pentano C15H32 pentadecano C6H14 hexano C16H34 hexadecano C7H16 heptano C17H36 heptadecano C8H18 octano C18H38 octadecano C9H20 nonano C19H40 honadecano C10H22 decano C20H42 icosanoVale ressaltar que, na tabela 5.4, os prefixos que indicam a presença de 1 a 20 átomos de carbono na cadeia de uma substância orgânica são mostrados sublinhados. Preste muita atenção nos mesmos, pois os utilizaremos para nomear outras classes de substâncias. 2.2.1.2 Alcanos ramificados Alcanos ramificados são aqueles que apresentam grupos (ramificações) ligados a uma cadeia maior. Bom, para começarmos a entender como se nomeia essas substâncias, vamos utilizar o exemplo a seguir. Como nomear a substância abaixo? 1º passo: Identificar a cadeia principal. A cadeia principal é aquela que apresenta as seguintes características, citadas em ordem de importância: � Possui o grupo funcional ou os grupos funcionais. � Possui a sequência mais longa de átomos de carbono; � Possui o maior número de ramificações. 13 No nosso exemplo, a cadeia principal será aquela com o maior número de átomos de carbono, como mostrado a seguir. ramificação ramificação 2º passo: Numerar a cadeia principal (regra dos menores números). A cadeia principal deve ser numerada a partir da extremidade mais próxima da característica mais importante da substância, para que a mesma possua o menor número possível, na ordem: � Grupo funcional. Caso existam vários grupos funcionais, temos que ver a ordem de prioridade dos mesmos, para que coloquemos aquele de maior prioridade com o menor número possível. No caso das funções orgânicas as quais estudaremos nesta disciplina a ordem de prioridade, do maior para o menor, é a seguinte: ácidos carboxílicos, ésteres, amidas, aldeídos, cetonas, alcoóis e fenóis, tióis, aminas, éter, hidrocarbonetos (alcenos, alcinos e alcanos). Caso existam ligações duplas e/ou triplas, elas deverão possuir os menores números possíveis e, caso elas estejam em carbonos equivalentes, as ligações duplas possuem prioridade com relação às ligações triplas. � Ramificação. Uma vez os grupos funcionais com os menores números, deve-se colocar as ramificações com os menores números possíveis. No nosso exemplo, devemos numerar a cadeia principal como mostrado a seguir, para que as ramificações fiquem nos carbonos 3 e 5. 1 8 14 3º passo: Nomear as ramificações utilizando a tabela a seguir e finalizar o nome da substância. Tabela 5.5: Nome das ramificações mais comuns Número de carbonos Fórmula estrutural Nome substituintes saturados 1 CH3- metil(a) 2 CH3CH2- etil(a) CH3CH2CH2- propil(a) 3 CH3 CH CH3 isopropil(a) CH3CH2CH2CH2- butil(a) CH3 CH2 CH CH2 sec-butil(a) CH3 CH CH3 CH2 isobutil(a) 4 CH3 C CH3 CH3 tert-butil(a) Substituintes insaturados 2 CH2 CH etenil(a) ou vinil(a) CH2 CH CH3 isopropenil(a) 3 CH2 CH CH2 alil(a) No nosso exemplo, ambas as ramificações possuem 1 carbono, ou seja, são denominadas de “metil”, desta forma, utiliza-se prefixo di antes do metil e o nome final da substância fica como segue abaixo. 1 8 metil metil 15 3,5-dimetiloctano Se a substância possuir ramificações diferentes, elas devem ser citadas em ordem alfabética e os prefixos numéricos (di, tri, tetra, sec, tert) não devem ser levados em consideração na atribuição dessa ordem. Segue um exemplo abaixo, onde as letras que foram consideradas para se chegar à ordem alfabética estão sublinhadas. 1 2 3 4 5 6 79 10 8 6- ter t- b bb butil- 4- e ee et il- 2,5- dim mm metildecano Se duas ramificações diferentes estiverem em posições equivalentes na cadeia carbônica, o menor número será atribuído àquele que aparece primeiro no nome da substância, ou seja, considera-se a ordem alfabética. Segue um exemplo abaixo. 1 2 3 4 5 6 7 9 10 8 4- metil- 7- propildecano (e não 7- metil- 4- propildecano) 2.2.1.3. Alcanos cíclicos Os alcanos cíclicos, além de só possuírem ligações simples, apresentam cadeia carbônica fechada. Os nomes dos alcanos monocíclicos são formados 16 acrescentando-se o prefixo ciclo ao nome do alcano não ramificado correspondente. Abaixo seguem alguns exemplos. ciclopropano ciclobutano ciclopentano cicloexano 2.3. Alcenos Os alcenos são hidrocarbonetos que apresentam uma ou mais ligações duplas entre átomos de carbono, ou seja, são exemplos de substâncias insaturadas. Diferentemente dos alcanos, eles não são extensamente encontrados no petróleo, mas são largamente encontrados em diversos organismos animais e vegetais. O eteno, por exemplo, que possui como nome usual aceito pela IUPAC etileno, é um hormônio de plantas que atua no amadurecimento de frutos. C C H H H H 116,6 o 121,7 o eteno (etileno) 2.3.1. Nomenclatura e estrutura dos alcenos Os alcenos são nomeados de maneira similar aos alcanos, trocando-se o infixo “an" por “en". Abaixo seguem alguns exemplos. 17 � propeno 1 2 3 O prefixo “prop” indica que a substância possui três átomos de carbono, o infixo “en” indica que a mesma possui ligação dupla C=C e o sufixo “o” indica que a mesma é um hidrocarboneto. � but-1-eno 1 2 3 4 O prefixo “but” indica que a substância possui quatro átomos de carbono, o infixo “en” indica que a mesma possui ligação dupla C=C, o número 1, o qual deve ser colocado antes do infixo “en”, indica que a ligação dupla está entre os carbonos 1 e 2 e sufixo “o” indica que a mesma é um hidrocarboneto. Ué, mas por que agora foi necessário usar o número 1? Isso acontece, porque, como temos um alceno com quatro átomos de carbono, a dupla ligação poderia também estar entre os carbonos 2 e 3 e, desta forma, teríamos uma substância diferente, o but-2-eno (estrutura a seguir). � but-2-eno 1 2 3 4 � 4-tert-butilepta-1,4-dieno 1 2 3 4 5 6 7 18 O “4-tert-butil” indica que a substância possui uma ramificação com 4 átomos de carbono e estrutura apresentada na tabela 5.5 no carbono 4, o prefixo “epta”, sem h, pois está precedido de l, indica que a cadeia principal da mesma possui 7 átomos de carbono, o “1,4-dien” indica que ela possui duas duplas ligações, uma entre os carbonos 1 e 2 e outra entre os carbonos 4 e 5, e o “o” indica que o mesmo é um hidrocarboneto. Outra nomenclatura possível para a molécula mostrada acima é: 4-(1,1-dimetiletil)-hepta-1,4-dieno. Nesse esquema de nomenclatura, chega-se ao nome da ramificação a partir das ramificações mais simples. Por exemplo, metil, etil, propil, butil, entre outras. Esse tipo de nomenclatura faz com que os alunos tenham que guardar menos informações e, ainda, os deixam mais preparados para nomear ramificações mais complexas. 1 2 3 4 5 6 7 1 2 metilmetil Lembrando que, a ligação dupla tem prioridade em relação à ramificação, ou seja, o nome da substância abaixo é: 6-metilept-2-eno. 1 2 3 4 5 6 7 2.4. Alcinos Os alcinos são hidrocarbonetos que apresentam uma ou mais ligações triplas entre átomos de carbono, ou seja, assim como os alcenos, também são exemplos de substâncias insaturadas. Eles também não são extensamente 19 encontrados no petróleo, mas são largamente encontrados, geralmente associados a outras funções orgânicas, em diversos organismos animais e vegetais. O acetileno (etino) é o alcino de estrutura mais simples e, também, o de maior importância industrial. Ele é um gás a temperatura ambiente e sua reação de combustãolibera bastante calor, sendo assim, ele é muito utilizado em soldas. C C HH 180 o etino (acetileno) 2.4.1 Nomenclatura e estrutura dos alcinos Os alcinos são nomeados de maneira similar aos alcanos, trocando-se o infixo “an" por “in". Abaixo seguem alguns exemplos. � but-2-ino 1 2 3 4 O prefixo “but” indica que a substância possui quatro átomos de carbono, o infixo “in” indica que a mesma possui uma ligação tripla C≡C, o número 2 indica que a ligação tripla está entre os carbonos 2 e 3 e sufixo “o” indica que o mesmo é um hidrocarboneto. Como pode ser visto no exemplo acima, os átomos de carbono ligados aos carbonos da tripla ligação, carbonos 1 e 4, estão posicionados linearmente aos mesmos. Isso acontece porque os carbonos da tripla ligação possuem hibridização sp, ou seja, geometria linear, sendo assim, sempre que houver uma ligação tripla C≡C os átomos adjacentes devem ser colocados linearmente ao carbono da tripla ligação. � 3-butilocta-1,6-diino 20 1 2 3 4 5678 O “3-butil” indica que a substância possui uma ramificação com 4 carbonos e estrutura apresentada na tabela 5.5 no carbono 3, o prefixo “octa” indica que a cadeia principal da mesma possui 8 átomos de carbono, o “1,6-diin” indica que ela possui duas ligações triplas entre carbonos, uma entre os carbonos 1 e 2 e outra entre os carbonos 6 e 7, e o “o” indica que a mesma é um hidrocarboneto. Lembrando que, caso exista ligação dupla e tripla na molécula, a ligação dupla tem prioridade em relação à tripla, desde que, ambas fiquem com os menores números. Além disso, no nome, o infixo “en" vem sempre antes do “in”. Abaixo seguem alguns exemplos. non- 2- en- 7- ino 7 6 5 4 3 2 1 8 9 non- 7- en- 1- ino 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Início do Box de curiosidade Você sabia que o primeiro anticoncepcional oral sintético tinha em sua estrutura uma ligação tripla C≡C, ou seja, também era um alcino. A noretindrona, estrutura a seguir, foi o primeiro contraceptivo oral sintético e ficou conhecido como “pílula”. Essa molécula é considerada uma das mais importantes para a humanidade, pois o índice de natalidade diminuiu muito após o início da sua comercialização como medicamento, década de 60. 21 Final do Box de curiosidade 3. Álcool (etanol) – um combustível renovável Com certeza você já deve ter escutado falar do álcool combustível. No Brasil, maior produtor mundial de álcool, esta é sem dúvida uma das principais fontes energéticas. O álcool pode ser produzido a partir de diversas fontes vegetais, tais como: cana-de-açúcar, trigo, beterraba, milho, porém, é a cana que oferece as maiores vantagens energéticas e econômicas. Por tais características e por ser altamente adaptada as condições climáticas e de solo no Brasil, a cana- de-açúcar é a única fonte vegetal utilizada para produção de álcool no país. Por ser produzido a partir de fontes vegetais cujo tempo de plantio, colheita e processamento é pequeno, quando comparado a escala de tempo humana, o álcool é considerado um combustível renovável. Segundo dados da ANP de outubro de 2010, cerca de 45 % da energia e 19 % dos combustíveis brasileiros já são renováveis. No resto do mundo, somente 14 % da energia vêm de fontes energéticas renováveis. A utilização do etanol como combustível é considerada uma das principais maneiras de se reduzir a emissão de CO2 para a atmosfera, visto que, parte do CO2 emitido na sua combustão é reabsorvida pela plantação de cana-de-açúcar para a formação da biomassa. Como dito acima, no Brasil, o álcool combustível é produzido a partir da cana-de-açúcar. Após a colheita, a cana é transportada para as usinas de produção de álcool e açúcar. Chegando lá, ocorre a pesagem, análise e moagem da mesma, que resulta no caldo e no bagaço. O bagaço é aproveitado pela própria 22 usina como fonte de energia e o caldo, contendo inicialmente grande quantidade de sacarose, passa por um processo de transformação da sacarose em glicose e frutose (figura 5.3) e, posteriormente, é posto para fermentar. A fermentação, processo promovido por micoorganimos, transforma a glicose e a frutose em álcool e CO2 (equação 1). A separação final do álcool é feita por destilação fracionada. Figura 5.3: Transformação da sacarose em glicose e frutose. C 6 H 12 O 6 micro. CO 2 + CH 3 CH 2 OH (1) 4. Álcoois Como mencionado anteriormente, o etanol pode ser obtido através da fermentação de alguns açúcares. Embora em nosso dia-a-dia chamemos o etanol simplesmente de álcool, o que não é quimicamente correto, esta substância é, na verdade, apenas um exemplo dessa classe de substâncias. Ué, como assim? Álcool é toda substância que possui um ou mais grupos hidroxila (-OH) ligados a carbonos sp3 de um grupo alquil, sendo assim, todas as substâncias mostradas abaixo são exemplos dessa classe de substâncias. Neste momento, é importante salientarmos que, ainda nesta disciplina, nós iremos discutir outra classe de 23 substâncias que possui grupo hidroxila, mas é classificada como fenol e não como álcool. Fique atento para as diferenças nas propriedades físicas e estruturais dessas duas classes diferentes de substâncias. OH OH OH OH OH metanol etanol 2-feniletanol 5-metilexan-2-ol hex-4-en-2-ol 4.1. Nomenclatura dos alcoóis Quando o álcool for o grupo funcional principal, o nome dessa classe de substâncias baseia-se nos hidrocarbonetos correspondentes, trocando-se o sufixo “o” pelo sufixo “ol”. Desta forma, o que foi discutido anteriormente para a nomenclatura dos hidrocarbonetos nos auxiliará a nomear os alcoóis. A seguir, seguem alguns exemplos. � Etanol OH 1 2 O prefixo “et” indica que a substância possui dois átomos de carbono, o infixo “an” indica que a mesma possui somente ligações simples C-C e o sufixo “ol” indica que a mesma possui uma hidroxila. � Propan-2-ol OH 1 2 3 24 O prefixo “prop” indica que a substância possui três átomos de carbono, o infixo “an” indica que a mesma possui somente ligações simples C-C, o sufixo “ol” indica que a mesma possui uma hidroxila e o número 2 indica que essa hidroxila está no carbono 2. Lembrando que, neste caso, deve-se indicar que a hidroxila está no carbono 2, pois ela poderia estar no carbono 1. ���� 3-metilbut-2-en-1-ol OH 1 2 3 4 O “3-metil” indica que a substância possui uma ramificação com 1 carbono no carbono 3, o prefixo “but” indica que a cadeia principal da mesma possui 4 átomos de carbono, o “2-en” indica que ela possui uma dupla ligação C=C entre os carbonos 2 e 3 e o “1-ol” indica que a mesma possui uma hidroxila no carbono 1. � 4-isobutil-3-propilex-1-en-5-in-3-ol OH 1 2 3 4 5 6 O “4-isobutil” e o “3-propil” indicam que essa substância possui essas ramificações nos carbonos 4 e 3, o “ex” indica que a cadeia principal da mesma, aquela com as funções álcool, alceno e alcino, possui seis átomos de carbono, o “1-en” indica que a ligação dupla está entre os carbonos 1 e 2, o “5-in” indica 25 que a ligação tripla está entre os carbonos 5 e 6 e o “3-ol” indica que a mesma possui uma hidroxila no carbono 3. Outra nomenclatura possível para a molécula mostrada acima é: 4-(2-metilpropil)-3-propilex-1-en-5-in-3-ol. OH 1 2 3 4 5 6 1 2 3 metil 4.2 Propriedades físicas dos alcoóis Os alcoóis possuem pontos de fusão e de ebulição superiores aos hidrocarbonetos de massa molar similar, pois os mesmos interagem com moléculas idênticasprincipalmente através da ligação de hidrogênio, enquanto que, os hidrocarbonetos, como já mencionado, interagem com moléculas idênticas através de dipolo induzido-dipolo induzido. Desta forma, para se separar as moléculas de um álcool de massa molar similar a de um hidrocarboneto, para que o mesmo passe do estado líquido para o gasoso, por exemplo, é necessário mais energia, ou seja, uma temperatura mais elevada. Avaliando-se a tabela 5.6, observa-se que os alcoóis com até três átomos de carbono são miscíveis em água em qualquer proporção e que o aumento da massa molar leva a um aumento no ponto de ebulição e na diminuição da solubilidade em água. Tabela 5.6 – Propriedades físicas de alguns alcoóis. Solubilidade em água Substâncias MM (g.mol-1) P.F. ( oC) P.E. (oC) (g/100 g) metanol 32 -97 64,5 ∞ etanol 46 -115 78,3 ∞ propan-1-ol 60 -126 97 ∞ butan-1-ol 74 - 90 118 7,9 pentan-1-ol 88 -78,5 138 2,3 hexan-1-ol 102 -52 156,5 0,6 26 heptan-1-ol 116 -34 176 0,2 ∞ = miscível em qualquer proporção. Para explicar estas observações, podemos considerar que as moléculas de álcool possuem uma região de alta polaridade, a hidroxila, e uma de baixa polaridade, a cadeia carbônica (estruturas a seguir), e que, enquanto a hidroxila faz com que as moléculas de álcool interajam através de ligação de hidrogênio, a cadeia hidrocarbônica é responsável por uma interação eletrostática mais fraca, dipolo induzido-dipolo induzido. Assim como no caso dos hidrocarbonetos, essa interação, entre as cadeias hidrocarbônicas dos alcoóis, é mais efetiva quando a área de contato entre as mesmas é maior. Desta forma, como, aumentando-se a massa molar dos alcoóis, geralmente, aumenta-se o tamanho da cadeia hidrocarbônica dos mesmos, há um acréscimo na interação entre as moléculas dos alcoóis através de dipolo induzido-dipolo induzido, já que a área de contato entre as mesmas é maior, resultando num maior ponto de ebulição. Com relação à solubilidade em água, esse aumento na cadeia hidrocarbônica, parte de baixa polaridade, portanto hidrofóbica, faz com que a solubilidade do álcool em água diminua. 27 Atividade 2 (atende ao objetivo 2): Dê a nomenclatura IUPAC das substâncias abaixo. OH OH a) b) c) d)OH Início da resposta comentada. Os nomes das substâncias e alguns comentários a respeito da nomenclatura são mostrados a seguir. a) A cadeia principal nesse caso é aquela com o maior número de átomos de carbono e a numeração é feita de maneira que as ramificações fiquem nos carbonos 2, 4, 5 e 9 e não nos carbonos 2, 6, 7 e 9. 4,5- diet il- 2,9- dimetildecano etil metil etil metil 10 1 a) 28 b) A cadeia principal nesse caso é aquela com a função álcool, uma ligação dupla e o maior número de átomos de carbono. A numeração é feita de maneira que a hidroxila fique com o menor número possível. 6- etenil- 3- metil- 7- propildec- 8- en- 3- ol etenil propil 10 1 metil b) OH c) A cadeia principal nesse caso é aquela com a função álcool, o maior número de átomos de carbono e o maior número de ramificações. A numeração é feita de maneira que a hidroxila fique com o menor número possível. 3,8- dimetil- 6- propilnonan- 3- ol metil propil metil 9 1 c) OH d) A cadeia principal nesse caso é aquela com a função álcool, com a ligação dupla e com a ligação tripla. A numeração é feita de maneira que a hidroxila fique com o menor número possível. 29 isopropil ou (1- metiletil) sec- butil ou (1- metilpropil) OH 4- sec- butil- 3- isopropilex- 1- en- 5- in- 3- ol ou 3- (1- metiletil)- 4- (1- metilpropil)- hex- 1- en- 5- in- 3- ol 6 1 Fim da resposta comentada Atividade 3 (atende ao objetivo 1, 2 e 3): Coloque os seguintes compostos: butano, pentano, 2-metilpropan-2-ol e butan-1-ol, em ordem crescente de ponto de ebulição e explique a sequência escolhida. Início da resposta comentada. As fórmulas estruturais de linha e as massas molares das substâncias envolvidas na questão são mostradas a seguir. O OO OH HH H butano (58 g mol - 1 ) pentano (72 g mol - 1 ) butan- 1- ol (74 g mol - 1 ) 2- metilpropan- 2- ol (74 g mol - 1 ) O OO OH HH H Analisando as mesmas, chega-se a conclusão que duas delas pertencem à função álcool e as demais pertencem à função hidrocarboneto. Como todas têm massas molares parecidas e como os alcoóis, por possuírem a hidroxila, interagem com moléculas idênticas, principalmente, através da ligação de hidrogênio, interação intermolecular mais forte que a existente entre as moléculas dos hidrocarbonetos, o 2-metilpropan-2-ol e butan-1-ol, os alcoóis, possuem os maiores pontos de ebulição, enquanto que, o butano e o pentano, os hidrocarbonetos, possuem os menores. Com relação aos hidrocarbonetos, o pentano tem maior ponto de ebulição, pois, por possuir cadeia carbônica linear 30 maior, ou seja, possuir maior área de contato, a interação através de dipolo induzido-dipolo induzido entre as suas moléculas é mais eficiente do que a interação entre as moléculas de butano. Com relação aos alcoóis, a ramificação, com um átomo de carbono, presente próxima a hidroxila, faz com que a ligação de hidrogênio entre as moléculas de 2-metilpropan-2-ol seja menos eficiente do que a ligação de hidrogênio entre as moléculas de butan-1-ol, desta forma, o butan-1-ol possui ponto de ebulição maior do que o 2-metilpropan-2-ol. Desta forma, chega- se a seguinte ordem crescente de ponto de ebulição: butano < pentano < 2- metilpropan-2-ol < butan-1-ol. Fim da resposta comentada Atividade 4 (atende ao objetivo 4): Um dos combustíveis mais citados ultimamente é o biodiesel. Sabendo que o mesmo é obtido através de uma reação entre um óleo vegetal (óleo de mamona, girassol, dendê, soja, entre outros) e um álcool de cadeia pequena, etanol ou metanol, por exemplo, e considerando o biodiesel puro, e não as misturas entre o biodiesel e o diesel oriundo do petróleo, classifique o mesmo em renovável ou não renovável e explique a sua reposta. Início da resposta comentada. Assim como o etanol, a matéria-prima mais importante para a produção do biodiesel é de origem vegetal, ou seja, o combustível é considerado renovável. Fim da resposta comentada RESUMO O carvão mineral, o petróleo e o gás natural são exemplos de combustíveis fosseis e não-renováveis. O petróleo e o gás natural são constituídos basicamente por hidrocarbonetos, substâncias orgânicas formadas apenas por carbono e hidrogênio. Os hidrocarbonetos, substâncias de baixa polaridade, interagem através de dipolo induzido-dipolo induzido. A intensidade desse tipo de interação depende da área de contato entre as moléculas, quanto maior for a área de contato, maior será intensidade desse tipo de interação e maior, por exemplo, será o ponto de ebulição da substância. 31 O etanol, comumente chamado de álcool, pode ser obtido pela fermentação da sacarose e é exemplo de um combustível renovável. O etanol é apenas um exemplo de uma substância que pertence a função álcool. Os alcoóis são substâncias que possuem um ou mais grupos hidroxila (-OH) ligados a carbonos sp3 de um grupo alquil. Eles interagem principalmente através de ligação de hidrogênio e possuem pontos de fusão e ebulição superiores aos hidrocarbonetos de massa molar similar. INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARBOSA, L. C. A. Introdução à Química Orgânica, Viçosa: Editora da UFV, 2004. THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo, São Paulo: Editora Interciência, 2004. FERREIRA,E.C. e MONTES, R. A química da produção de bebidas alcoólicas. Química Nova na Escola, n. 10, p. 50-51, 1999. FERREIRA, E.C. e MONTES, R. Uma abordagem alternativa para a função álcool. Química Nova na Escola, n. 12, p. 20-23, 2000. BRASIL, Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), Biocombustíveis,disponível em: http://www.anp.gov.br/?id=470, 2010.
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