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Universidade Federal Rural de Pernambuco Unidade Acadêmica de Garanhuns Prof. Dr. Pedro Aquino Respostas da Lista de Exercícios: Ácidos e Bases 1. Segundo a definição de Brønsted-Lowry, bases são espécies capazes de receber prótons (íon H + ) doados pelo ácido. O íon H + tem sua camada de elétrons completamente vazia (1s 0 ), logo, para que ele se ligue na base, esta deve apresentar ao menos um átomo contendo pares de elétrons livres, os quais passarão a formar uma ligação covalente com o hidrogênio. Esta nova espécie formada é o chamado ácido conjugado. a. H3O + (H se liga ao O, ficando este O com a carga positiva) b. NH3 (H se liga ao N, neutralizando sua carga negativa) c. H2CO3 (H se liga ao O, neutralizando sua carga negativa) d. CH3CH2N + H2CH3 (H se liga ao N, ficando este com a carga positiva) e. CH3O + HCH3 (H se liga ao O, ficando este com a carga positiva) f. CH3COOH (H se liga ao O, neutralizando sua carga negativa) 2. Segundo a definição de Brønsted-Lowry, ácidos são espécies capazes de doar o íon H+ para uma base. Quando este íon é doado, o par de elétrons que fazia sua ligação na molécula permanece na mesma em uma quebra de ligação química chamada heterólise. Logo, o átomo de H deve, preferencialmente, estar ligado a um átomo mais eletronegativo, capaz de acomodar melhor a carga negativa resultante do processo de heterólise. A espécie formada após a perda do próton é a chamada base conjugada. a. -CN (O H estava ligado ao C, ficando este com a carga negativa) b. CO3 2- (O H estava ligado ao O, ficando este com uma carga negativa) c. (CH3)2NH (O H estava ligado ao N, deixando-o neutro) d. HC≡C:- (O H estava ligado ao C, deixando-o com uma carga negativa) e. CH3CH2COO - (O H estava ligado ao O, deixando-o com uma carga negativa) f. CH3SO3 - (O H estava ligado ao O, deixando-o com uma carga negativa) 3. Reações ácido-base são as reações de transferência de prótons entre um ácido e uma base, segundo a teoria de Brønsted-Lowry, ou de pares de elétrons entre um orbital preenchido e outro vazio, segundo a teoria de Lewis. Neste caso, o ácido sulfúrico (H2SO4) doará um íon H + ao átomo na base que contiver pares de elétrons livres, liberando o íon hidrogenossulfato (HSO4 - ), que servirá de contra-íon à nova espécie formada. O H H S O O OO H N H H H O CH3 H N H CH3 S O O OO H S O O OO H S O O OO H 4. KOH é uma base segundo a definição de Arrhenius (capaz de doar íons –OH em solução aquosa). Tais bases podem ser reconhecidas pelo tipo de ligação química que as compõem. Observe que ela tem em sua estrutura dois não-metais e um metal. O e H ligam-se entre si por meio de uma ligação covalente. Como o H só pode fazer no máximo uma ligação química, quem se liga ao potássio é o oxigênio. Como o potássio é um metal e o oxigênio é um não-metal, entre eles se estabelece uma ligação do tipo iônica, onde K adquire carga positiva ao doar um elétron para o O, o qual adquire uma carga negativa. O que determina que esta espécie será uma base é a força relativa entre as ligações químicas covalente e iônica. Como a ligação iônica é mais facilmente rompida do que a covalente, esta espécie forma – OH no lugar de formar H + . O efeito do íon – OH (hidróxido) é abstrair um próton (H + ) do ácido, formando uma molécula de água (H2O). A base conjugada resultante ficará então associada ao íon K + . a. Observe que vários H podem ser abstraídos, mas quem é abstraído é aquele ligado ao O e não um daqueles ligado aos carbonos. Isso acontece porque o O é mais eletronegativo que o C, acomodando melhor a carga negativa que é obtida após remoção do H. b. A mesma observação da letra a cabe aqui. c. Neste caso todos os H estão ligados a átomos de C. Observe que os átomos de carbono apresentam hibridações diferentes (aqueles fazendo ligações simples são sp³ e aqueles fazendo ligação tripla são sp). Neste caso, quem determina é a hibridação. Como a hibridação sp³ é uma mistura 25% s e 75% p e a sp é uma mistura 50% s e 50% p e o orbital s ocupa um volume menor do que o p, o orbital sp é menor do que o orbital sp³, logo os elétrons neste orbital estarão mais próximos do núcleo e o átomo em questão será mais eletronegativo, comportando melhor a carga negativa que será obtida após remoção do H. d. Aqui vale a mesma observação da letra a. O O O C C O H3C K K K K 5. Nestas reações o ácido doa o íon H+ para a base. Em geral o H do ácido deve estar ligado a um átomo mais eletronegativo (para acomodar melhor a carga negativa resultante da heterólise) e o átomo que se ligará ao H + na base deve conter pares de elétrons livres. Existem duas abordagens possíveis neste problema, A primeira baseia- se na análise das estruturas químicas e a segunda nos dados de pKa (quem tiver o menor pKa será o ácido). a. Observe que no metanol (CH3OH), o átomo de H está ligado a um átomo eletronegativo e o oxigênio tem pares de elétrons livres, ou seja, pode atuar tanto como ácido quanto como base. O íon amideto ( - NH2) está na mesma situação. As duas possibilidades são o metanol receber o H do amideto, formando CH3O + H2 (H se liga no O) e 2- NH (o N adquire mais uma carga negativa) ou o metanol doar o H para o amideto, formando CH3O - e NH3. Observe que na primeira alternativa, partindo de uma situação onde só existia uma carga são criadas mais duas cargas, das quais uma positiva em um elemento eletronegativo (oxigênio), o que é desfavorável. Na segunda, a carga negativa é transferida do N para o O, ou seja, ela vai parar em um elemento ainda mais eletronegativo, que acomoda ainda melhor esta carga, o que é muito favorável. Além disso, a escolha da segunda situação pode ser confirmada pela análise dos valores de pKa (15,5 para o metanol e 38 para o amideto). Uma última observação é que, em geral, a espécie negativa será a base. H3C O H H N H H3C O H N H H ácido base base conjugada ácido conjugado b. Observe aqui que as possibilidades de doação de H são hidrogênios ligados a carbono ou a oxigênio. Como foi comentado no 4.a, é mais fácil doar um H ligado a oxigênio. Os valores de pKa são 4,88 para o ácido propanoico e 15,5 para o metanol (ácido conjugado do íon metóxido mostrado na reação). H3C O O H H3C O H3C O O H3C OH c. Aqui, o único H que pode ser doado está na extremidade da cadeia do 1-butino (vide discussão no 4.c). H3C H H H3C C H2 d. Aqui, o HCl é um ácido de Arrhenius (doa H+) e a trietil amina tem pares de elétrons livres no N (atuará como base). Observe que o N já faz suas três ligações usuais. Neste caso a quarta ligação acontece porque o HCl é um ácido muito mais forte (pKa -8) que a trietilamina (pKa 10,75). (CH3CH2)3N H Cl (CH3CH2)3NH Cl - e. Este é similar ao 5.d. Observe que aqui o oxigênio já faz duas ligações e mesmo assim atua como base, criando uma terceira ligação. Isso acontece porque o HBr é um ácido muito mais forte (pKa -9) que o etanol (pKa 16). O H H Br O H H Br- f. Aqui temos uma base de carbono reagindo com a água, a qual será o ácido. De um modo geral, a espécie que carrega a carga negativa atuará como base. C H O H H OH 6. Exercício similar ao 5. a. NH3 (amônia) é a base, a qual removerá um íon H + do ácido benzóico, formando o íon benzoato (carga negativa no oxigênio) e o íon amônio (carga positiva no N). A base pôde ser reconhecida pela presença de par de elétrons livre no N e o ácido pela presença de H ligado ao O. Observe que os oxigênios também têm pares de elétrons livres, mas todos eles já fazem duas ligações químicas, o que diminui sua eficiência de atuação como base. Finalmente, podemos comparar os pKa (4,2 para o ácido benzoico e 4,7 para a amônia). b. A base será o íon HCO3 - (formado pela dissociação do NaHCO3, bicarbonato de sódio), o qual removerá um próton do ácido trifluoroacético, formandoo íon trifluoroacetato (carga negativa no O), o qual ficará associado ao íon Na + , e o ácido carbônico (H2CO3). Neste caso, a base pode ser reconhecida pela presença de carga negativa. c. Aqui a base será o íon amideto (-NH2) formado pela dissociação do NaNH2, reconhecida pela presença da carga negativa. O hidrogênio a ser removido será aquele ligado a carbono sp, conforme discutido no 4.c. d. Aqui temos uma base de Arrhenius clássica (KOH, hidróxido de potássio), a qual vai liberar íon – OH no meio, que farão a remoção do H ligado ao O no etanol. Observe que a remoção deste hidrogênio é mais fácil do que a remoção de hidrogênio ligado a carbono por conta da maior eletronegatividade do O em relação ao C, o que faz com que aquele suporte melhor a carga negativa que é formada. e. Neste caso, ambos podem ser ácido ou base. Observe que em ambos temos átomos com pares de elétrons livres e também átomos de hidrogênio ligados a elementos eletronegativos. Neste caso, o ácido será aquele onde a nova carga negativa será melhor acomodada (possui o átomo ligado ao H mais eletronegativo). Assim, teremos como base a dimetilamina [(CH3)2NH, que usará o par de elétrons livres do N para abstrair o próton do ácido] e como ácido o ácido p-toluenossulfônico. Tal afirmativa pode ser confirmada pela comparação dos valores de pKa (10,73 para a dimetilamina e -2,8 para o APTS). f. Neste caso, a base será a acetona (observe que os H que ela tem disponíveis para doar estão ligados a carbonos, ao passo que na outra espécie eles estão ligados a oxigênios), a qual removerá um H do ácido sulfúrico (ficando seu O com carga positiva), formando o íon HSO4 - . 7. Aqui temos um H ligado a N. A depender da situação, o N pode usar seu par de elétrons livre para se ligar a um próton ou pode doar seu próton. Em reação com ácido clorídrico (HCl, um ácido de Arrhenius, que libera íons H + no meio), a anfetamina receberá o próton doado por ele, ficando o N com carga positiva. Em reação com NaOH (uma base de Arrhenius, libera íons – OH no meio), a anfetamina doará um átomo de H, ficando o N com carga negativa. 8. Mais uma vez, um exercício de reconhecimento de ácidos e bases. a. NaOH, como mostrado anteriormente, é uma base de Arrhenius e o íon hidróxido por ela liberado removerá o H do grupo COOH no naproxeno. Este é o H mais ácido, pois todos os outros estão ligados a átomos de carbono. b. HCl é um ácido de Arrhenius e o íon H+ liberado por ele se ligará a um átomo que tenha pares de elétrons livres. Na fluoxetina temos trêss destes átomos: F, N e O. Qualquer um destes átomos, após se ligar ao próton ficará com carga positiva e quanto menos eletronegativo for o átomo, melhor acomodada a carga positiva ficará. Assim, o átomo que se ligará ao próton será o N. Além disso, o F não poderia receber este próton pois o número máximo de ligações que ele suporta é uma, a qual ele já está fazendo com o carbono. 9. O ácido acético neste caso fará a doação de um íon H+ para um átomo com pares de elétrons livres capaz de recebê-lo. Na fenfluramina temos F e N e na fentermina temos somente o N. O F fica impossibilitado de recebê-lo por conta da razão discutida no 8.b. 10. pKa = -logKa, logo Ka = 10-pKa. a. Ka = 10-7 b. Ka = 10-2,8 = 1,6.10-3 c. Ka = 10-9,1 = 7,9.10-10 11. 9,33; 4,64; 0,23. 12. Para que a base seja forte o suficiente, o pKa de seu ácido conjugado deve ser maior que o da espécie em questão. Basta olhar na tabela de pKa. 13. Vide questão 12. 14. Vide questão 12. O equilíbrio favorecerá a formação dos produtos sempre que o produto for mais fraco que o reagente (seja uma base ou um ácido mais fraco). 15. Mais uma questão de comparação de valores de pKa. Lembre que nas espécies iônicas você deve se concentrar nos íons formados e não na espécie neutra. 16. Outra questão de comparação de valores de pKa. A espécie mais ácida será a de menor pKa. 17. A espécie mais básica será a de maior pKa. 18. Trata-se de uma questão de avaliação dos efeitos da estrutura na acidez/basicidade das substâncias. Observe que a única diferença entre as duas moléculas é a presença de um átomo de oxigênio. O átomo de oxigênio é uma espécie eletronegativa, que tem um efeito indutivo retirador de elétrons, ou seja, ela atrai a nuvem eletrônica da molécula para perto de si, com isso aumenta a magnitude da carga positiva concentrada no N. Isso faz com que esta espécie procure uma forma de diminuir esta carga positiva. Esta forma será a eliminação do átomo de hidrogênio ligado no N, tornando-a mais ácida (pKa 8,33). Já á outra possui somente átomos de C e H, cujo efeito indutivo é doador de elétrons, o que faz com que a carga positiva no N diminua de intensidade, deixando a espécie menos reativa (menos ácida, pKa 11,1). 19. Como discutido anteriormente, carbonos sp são mais eletronegativos que carbonos sp³. Assim, átomos de carbono sp apresentam efeito indutivo retirador de elétrons ao passo que átomos de carbono sp³ apresentam efeito indutivo doador de elétrons. Em ambos os casos, após perda do próton, será formada uma espécie com carga negativa no oxigênio, a qual será a base conjugada. Quanto mais concentrada for a carga negativa de uma base, mais forte ela será (e mais fraco será o ácido que deu origem a ela). Observe que o ácido propiólico tem átomos de carbono sp que vão retirar densidade eletrônica da região do oxigênio e diminuir a concentração de carga negativa na base conjugada, fazendo com que ela seja mais fraca e o ácido mais forte (pKa 1,8). No ácido propanoico, ocorre exatamente o inverso: os átomos de carbono sp³ são doadores de nuvem eletrônica, aumentam a densidade de carga negativa na base conjugada, fazendo com que ela seja mais forte e o ácido mais fraco (p´Ka 4,9). 20. Aqui temos átomo de H ligado a carbono sp³ e a carbono sp³ vizinho de carbono sp² fazendo ligação com outro átomo de carbono ou com átomo de oxigênio. a. Só teremos ressonância nas moléculas 2 e 3. Para que a ressonância aconteça, precisamos da presença de orbitais p paralelos, o que só acontece nas hibridações sp² e sp. CH3CH2CH2 H2C CH2 CH3 H2C CH2 CH3 H3C CH2 O H3C CH2 O b. Como discutido anteriormente, quanto mais concentrada a carga negativa de uma base, mais forte ela será e mais fraco será o ácido que deu origem a ela. No primeiro caso, como não há possibilidade de ressonância, a carga negativa fica 100% do tempo no átomo de carbono indicado, fazendo com que esta seja a base mais forte de todas. Nos outros casos, a carga negativa fica espalhada entre dois átomos, parte do tempo em cada um dos átomos, o que faz com que elas sejam bases um pouco mais fracas. Se compararmos os dois últimos casos veremos que em um deles a carga negativa reside parte do tempo em um átomo de oxigênio e no outro, fica sempre em átomos de carbono. Como o átomo de O é mais eletronegativo, ele aceita melhor a carga negativa, o que faz com que esta base seja mais fraca que a outra e, por consequência, seu pKa seja mais baixo. 21. Para fazer esta decisão, basta comparar as eletronegatividades das espécies envolvidas: oxigênio e nitrogênio. Como o oxigênio é mais eletronegativo, ele suporta melhor uma carga negativa. Como o nitrogênio é menos eletronegativo, ele suporta melhor a carga positiva. a. O ácido conjugado é formado quando a espécie em questão se liga a um próton. Para que esta ligação aconteça, é necessário um átomo com pares de elétrons livres. Tanto O como N obedecem este requisito. Após ligação do próton, o átomo em questão ficará com carga positiva. Como o N é menos eletronegativo, ele suportará melhor a carga positiva que o oxigênio, reagindo, assim, antes dele com o íon H + . Com uma quantidade pequena de ácido (ou com um ácido fraco), somente o grupo NH2 receberá o próton. Se aumentarmos a quantidade (ou a força) do ácido, o grupoOH também receberá o próton. b. A base conjugada é formada quando a espécie em questão doa um próton, ficando o átomo ao qual este próton estava ligado com uma carga negativa. Como o oxigênio é mais eletronegativo, ele suporta melhor uma carga negativa e, então, reagirá mais rapidamente na presença de uma base. Na presença de uma pequena quantidade de base (ou de uma base fraca) somente o grupo OH doará o íon H + . Na presença de uma alta quantidade de base (ou de uma base forte), o NH2 também doará seus prótons 22. Este é similar ao anterior. O raciocínio se baseia em qual átomo suportará melhor uma carga negativa (caso seja um ácido que vai gerar uma base conjugada) ou uma carga positiva (caso seja uma base que vai gerar um ácido conjugado). a. Neste caso, devemos procurar o H que está ligado ao átomo mais eletronegativo, já que a base conjugada assumirá uma carga negativa. Neste caso é o próton do grupo COOH. b. Devemos procurar o par de elétrons livre ligado ao átomo menos eletronegativo, já que o ácido conjugado terá uma carga positiva neste átomo. Neste caso é o par de elétrons do N. 23. Se a ligação C-H é mais ácida que o comum, significa que ela é mais facilmente rompida, ou seja, é uma ligação mais fraca. Isso acontece porque o grupo NO2 é um grupo fortemente retirador de densidade eletrônica, deslocando a nuvem eletrônica da molécula para si e deixando as outras regiões da molécula (inclusive as ligações químicas) com uma menor densidade eletrônica, enfraquecendo-as e fazendo com que elas sejam mais facilmente rompidas. Além disso, a presença de um grupo retirador de elétrons deixa a base conjugada mais estável, por diminuir a densidade de carga negativa em um só ponto (neste caso, o átomo de carbono). Se a base conjugada é mais estável, significa dizer que ela é mais fraca, ou seja, seu ácido de origem será mais forte. 24. Observe que o éter não apresenta átomos de H ligados a um elemento eletronegativo capaz de receber a carga negativa resultante de sua perda, o que faz com que seja difícil remover um próton de sua estrutura, característica de um ácido muito fraco (pKa alto). Já o etanol não tem esse problema, ele apresenta um átomo de H ligado a um átomo eletronegativo que suportaria bem uma carga negativa resultante da sua perda, característica necessária para um ácido, tornando seu pKa mais baixo. 25. A ligação mais ácida será aquela mais facilmente rompida (mais fraca). Para que uma ligação seja mais fraca que a outra, os elétrons que a formam devem estar presentes em uma densidade mais baixa. Assim, a ligação N-H vizinha a uma carbonila (C=O) será mais fraca que a outra, vizinha a grupos CH2, pois a carbonila é um exemplo de grupo retirador de elétrons, que enfraquece as ligações vizinhas por atrair a densidade eletrônica da molécula para perto de si. Além disso, ele estabiliza a base conjugada formada por diminuir a concentração de carga negativa no átomo que perder o próton (o nitrogênio, neste caso). 26. Similarmente à questão anterior, será aquele H mais próximo de um átomo eletronegativo, ou seja, o H ligado ao CH2 do grupo CH2CH3. 27. Mesmo raciocínio das questões anteriores, mas aqui o efeito principal será a estabilidade da base conjugada. a. CO2H b. NH c. OH 28. Ainda similar ao raciocínio das questões anteriores, o mais ácido será o átomo de H no grupo CO2H, em seguida aquele no grupo OH e por último aquele no grupo CH. 29. Bases de Lewis apresentam átomos ou grupos com orbitais completamente preenchidos capazes de doar elétrons a um ácido e bases de Brønsted-Lowry apresentam átomos ou grupos capazes de se ligar ao H + . a. Ambos b. Lewis c. Nenhum d. Lewis 30. Ácidos de Lewis apresentam átomos ou grupos com orbitais vazios e ácidos de Brønsted-Lowry são espécies capazes de doar íons H + . a. Brønsted-Lowry b. Lewis c. Lewis d. Nenhum dos dois 31. A escolha de quem é quem segue os princípios mostrados anteriormente. a. Cl BCl3 B Cl Cl Cl Cl b. CH3 H3C CH3 CH3 O S O O O H H CH3 H3C H3C CH3 H O S O O O H c. H3C O Cl OH H3C OH O Cl 32. Similar à questão anterior. Ácidos de Lewis, por possuírem orbitais vazios, são conhecidos como eletrófilos. Bases de Lewis, por possuírem orbitais preenchidos, são conhecidas como nucleófilos. O B H F F F S Al Cl Cl Cl O B F F F O H H Br Br FeBr3 33. Similar à anterior. 34. Reações de transferência de prótons envolvem a migração de H+ de um ácido para uma base de Brønsted-Lowry, já as reações entre nucleófilos e eletrófilos envolvem ácidos e bases de Lewis. a. Transferência de prótons/NucleófiloxEletrófilo b. NucleófiloxEletrófilo/NucleófiloxEletrófilo c. NucleófiloxEletrófilo/NucleófiloxEletrófilo 35. (a) Como uma base de Brønsted-Lowry ele removerá um átomo de H de um dos grupos CH3, formando um grupos CH2 com um par de elétrons livre no átomos de carbono e este par de elétrons formará uma ligação dupla com o C que anteriormente carregava uma carga positiva, neutralizando-o. (b) Ele se ligará diretamente ao átomo de carbono carregado positivamente, formando o tert-butanol. 36. (a) Em raciocínio similar a questões anteriores, NH e OH são os mais ácidos, sendo o OH o mais ácido dos dois. (b) NaH é uma base extremamente forte, que atua por meio do íon hidreto (H: - ), removendo prótons. Primeiro ela remove o próton mais ácido e em seguida, o menos ácido. (c) HCl é um ácido forte que atuará doando prótons ao grupo mais básico da molécula, o NH. Dependendo da quantidade, poderá doar também ao oxigênio da carbonila, em seguida aos oxigênios das funções éter e por último ao grupo OH. (d) São sete: seis no anel aromático e um na carbonila (C=O). (e) É o átomo de N, um átomo tipo AX3E (três grupos ligantes e um par de elétrons livre). (f) São seis no total: aqueles ligados a O ou N. 37. Em raciocínio similar a questões anteriores, é o NH2. 38. O primeiro é mais baixo por conta do efeito indutivo retirador de elétrons do segundo grupo COOH, o que faz com que sua base conjugada seja mais estável (mais fraca) em comparação com aquela do ácido acético. Já o segundo é mais alto por conta da presença de uma carga negativa adicional, o que diminui a estabilidade da base conjugada (tornando-a mais forte). 39. (a) A razão é a diferença de pKa entre os grupos NH2 e OH, o que faz com que eles reajam entre si (reação ácido-base), de modo a formar grupos menos reativos. (b) O HCl concentrado vai neutralizar o grupo O - . (c) O NaOH vai neutralizar o grupo NH3 + . 40. O H OH O H2O O O O H O H O OH 41. A estratégia aqui é comparar a estabilidade das bases conjugadas formadas a partir das desprotonações dos grupos OH, um de cada vez. A mais estável será aquela com um maior número de estruturas de ressonância possíveis e o ácido de origem será o mais forte.
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