Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

32As moléculas orgânicas: esqueletos e nomes

Um isqueiro descartável contém butano, líquido sob pressão; o cartucho de um fogareiro de camping levado para uma montanha nevada contém propano, ou uma mistura mais rica nele. Os dois são feitos só de átomos de carbono e de hidrogênio, e os dois pertencem a uma família enorme: as moléculas construídas sobre um esqueleto de átomos de carbono. São conhecidas milhões delas. Para falar delas, os químicos precisam de jeitos de desenhá-las depressa e de dar nomes a elas sem ambiguidade.

O que você já sabe

O carbono forma quatro ligações covalentes e o hidrogênio uma; em volta de um átomo de carbono com quatro ligações simples, as ligações apontam para os vértices de um tetraedro, a cerca de $109.5{}^{\circ}$ (Capítulo 24).

Um fogareiro de camping na neve, queimando um gás feito de carbono e hidrogênio.

32.1 As fórmulas das moléculas orgânicas

Definição 32.1 (Composto orgânico)

Um composto orgânico é um composto cujas moléculas são construídas sobre um esqueleto de átomos de carbono ligados entre si e a átomos de hidrogênio, podendo ter outros átomos, como o oxigênio e o nitrogênio. (O dióxido de carbono, o monóxido de carbono e os carbonatos são tradicionalmente deixados de fora.)

Definição 32.2 (Quatro tipos de fórmula)

Uma molécula pode ser escrita de quatro jeitos:

a sua fórmula molecular dá só o número de átomos de cada elemento, como $\ce{C4H10}$ ;
a sua fórmula estrutural mostra todos os átomos e todas as ligações;
a sua fórmula estrutural condensada mostra as ligações entre os átomos de carbono e agrupa os átomos de hidrogênio com o seu carbono, como $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$ ;
a sua fórmula em bastão desenha só as ligações do esqueleto de carbono como um zigue-zague: cada extremidade e cada vértice é um átomo de carbono, os átomos de hidrogênio ligados ao carbono não são desenhados, e todos os outros átomos (com os seus átomos de hidrogênio) são escritos.

As quatro fórmulas do butano e do 2-metilpropano. Nas fórmulas em bastão, cada extremidade e cada vértice das linhas é um átomo de carbono: quatro em cada uma.

Exemplo 32.3 (Ler uma fórmula em bastão)

Na fórmula em bastão do butano, o zigue-zague tem duas extremidades e dois vértices: quatro átomos de carbono. Cada carbono de extremidade tem uma ligação desenhada, por isso leva três átomos de hidrogênio ( $\ce{CH3}$ ); cada vértice tem duas ligações desenhadas, por isso leva dois ( $\ce{CH2}$ ). Todo carbono tem quatro ligações ao todo, o que devolve $\ce{C4H10}$ .

32.2 As cadeias carbônicas

O esqueleto de carbono de uma molécula pode ser uma cadeia linear, cada carbono ligado a no máximo dois outros, como no butano; uma cadeia ramificada, com pelo menos um carbono ligado a três ou quatro outros, como no 2-metilpropano; ou um anel, como no ciclo-hexano, $\ce{C6H12}$ , cuja fórmula em bastão é um hexágono. Usa-se um zigue-zague para as cadeias porque as ligações reais em volta de cada carbono formam ângulos de cerca de $109.5{}^{\circ}$ , e não de $180{}^{\circ}$ : uma cadeia “linear” é na verdade um zigue-zague no espaço.

Três esqueletos de carbono, em fórmulas em bastão.

32.3 Os alcanos e os seus nomes

Definição 32.4 (Alcano, grupo alquila)

Um alcano é um composto de carbono e hidrogênio cujo esqueleto é uma cadeia (linear ou ramificada, não um anel) só com ligações simples; a sua fórmula molecular é $\ce{C_{n}H_{2n+2}}$ . Um grupo alquila é o que sobra de um alcano quando se retira um átomo de hidrogênio, para que ele possa ser ligado a uma cadeia: metil $\ce{-CH3}$ , etil $\ce{-CH2-CH3}$ .

$n$	nome	fórmula	$n$	nome	fórmula
1	metano	$\ce{CH4}$	6	hexano	$\ce{C6H14}$
2	etano	$\ce{C2H6}$	7	heptano	$\ce{C7H16}$
3	propano	$\ce{C3H8}$	8	octano	$\ce{C8H18}$
4	butano	$\ce{C4H10}$	9	nonano	$\ce{C9H20}$
5	pentano	$\ce{C5H12}$	10	decano	$\ce{C10H22}$

Os dez primeiros alcanos lineares. O nome de uma cadeia de

n

átomos de carbono é o mesmo radical seguido de -ano; o grupo alquila troca -ano por -il (metil, etil, propil…).

Método 32.5 (Dar nome a um alcano)

Encontre a cadeia mais longa de átomos de carbono: ela dá o nome de base (pentano, hexano…).
Os átomos que não estão nela formam grupos alquila ligados a ela, os substituintes.
Numere a cadeia principal a partir da extremidade que dá aos substituintes os menores números.
Escreva cada substituinte com o seu número (a sua posição na cadeia), em ordem alfabética, antes do nome de base; os grupos repetidos levam os prefixos di-, tri-, tetra-, com um número para cada um. Os números são separados por vírgulas, e os números e as palavras por hífens.

Dar nome a um alcano ramificado: a cadeia principal (numerada), os substituintes (circulados), o nome.

Método 32.6 (De um nome a uma fórmula em bastão)

Desenhe a cadeia principal dada pelo nome de base, como um zigue-zague, e numere os seus carbonos.
Ligue cada substituinte na posição dada pelo seu número.
Verifique: conte os carbonos, e veja se nenhum carbono tem mais de quatro ligações.

32.4 Os isômeros

Definição 32.7 (Isômeros, isômeros constitucionais)

Isômeros são compostos diferentes com a mesma fórmula molecular. Isômeros constitucionais são isômeros cujos átomos estão ligados numa ordem diferente, por exemplo com um esqueleto de carbono diferente.

Proposição 32.8 (Os isômeros têm propriedades diferentes)

Os isômeros constitucionais são substâncias diferentes, com propriedades diferentes. Entre os alcanos isômeros de uma dada fórmula, os mais ramificados fervem a temperaturas mais baixas: o butano ferve perto de $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e o 2-metilpropano a $-11.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; o pentano a $36.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o 2-metilbutano a $27.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e o 2,2-dimetilpropano a $9.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Demonstração. Os valores são medidos. As moléculas ramificadas são mais compactas, com menos superfície em contato com as vizinhas: as suas interações de van der Waals são mais fracas (Capítulo 30). ∎

Os três isômeros de C5H12 e as suas temperaturas de ebulição: quanto mais ramificado, mais baixa. — Os três isômeros de $\ce{C5H12}$ e as suas temperaturas de ebulição: quanto mais ramificado, mais baixa.

32.5 Os alcanos do petróleo

O petróleo bruto é uma mistura de milhares de compostos, a maioria deles alcanos com de 1 a mais de 40 átomos de carbono. Numa refinaria, ele é aquecido, e os seus vapores sobem por uma coluna alta, cada vez mais fria em direção ao topo: cada fração se condensa na altura em que a temperatura corresponde à sua faixa de ebulição. Os gases (do metano ao butano) saem no topo, depois a gasolina, o querosene, o óleo diesel; os óleos pesados e o betume ficam embaixo. Essa destilação fracionada separa pela temperatura de ebulição, que, nos alcanos, cresce com o comprimento da cadeia.

Colunas de destilação de uma refinaria ao entardecer.

Segurança

O butano é um gás extremamente inflamável, guardado sob pressão. O pentano é um líquido altamente inflamável; o seu vapor provoca sonolência, ele pode lesar os pulmões se ingerido e é tóxico para os organismos aquáticos. Nenhuma chama perto dos alcanos leves; trabalhar numa capela de exaustão.

32.6 Exercícios

Exercício 32.1 ★

Dê as fórmulas moleculares das moléculas desenhadas aqui, e diga se elas são isômeras: e .

Solução

Solução de Exercício 32.1.

As duas têm seis átomos de carbono (extremidades e vértices) e $\ce{C6H14}$ : o hexano e o 2-metilpentano são isômeros.

Exercício 32.2 ★

Dê o nome: $\ce{CH3-CH2-CH3}$ ; $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}$ ; .

Solução

Solução de Exercício 32.2.

Propano; hexano; 2-metilbutano.

Exercício 32.3 ★

Escreva as fórmulas estruturais condensadas do propano e do 2-metilpropano, e a fórmula estrutural do etano.

Solução

Solução de Exercício 32.3.

$\ce{CH3-CH2-CH3}$ ; ; .

Exercício 32.4 ★

Conte os átomos de carbono e de hidrogênio de cada molécula: e .

Solução

Solução de Exercício 32.4.

A primeira, o 3-metilpentano: 6 átomos de carbono; as suas extremidades $\ce{CH3}$ (são três) levam 9 átomos de hidrogênio, os seus dois vértices $\ce{CH2}$ levam 4 e o seu ponto de ramificação $\ce{CH}$ leva 1: $\ce{C6H14}$ . O ciclo-hexano: 6 vértices, cada um $\ce{CH2}$ : $\ce{C6H12}$ .

Exercício 32.5 ★

Dê a fórmula molecular do alcano com 8 átomos de carbono, e o número de átomos de carbono do alcano com 20 átomos de hidrogênio.

Solução

Solução de Exercício 32.5.

$\ce{C8H18}$ . $2n + 2 = 20$ dá $n = 9$ : o nonano, $\ce{C9H20}$ .

Exercício 32.6 ★★

Desenhe as fórmulas em bastão do 3-metil-hexano, do 2,2-dimetilbutano e do 3-etilpentano, e dê as suas fórmulas moleculares.

Solução

Solução de Exercício 32.6.

3-metil-hexano , $\ce{C7H16}$ ; 2,2-dimetilbutano , $\ce{C6H14}$ ; 3-etilpentano , $\ce{C7H16}$ .

Exercício 32.7 ★★

Desenhe e dê o nome dos três isômeros de $\ce{C5H12}$ .

Solução

Solução de Exercício 32.7.

Pentano, 2-metilbutano e 2,2-dimetilpropano, desenhados na figura do capítulo.

Exercício 32.8 ★★

Estes nomes estão errados. Desenhe cada molécula e dê o seu nome certo: 2-etilbutano; 4-metilpentano; 1-metilbutano.

Solução

Solução de Exercício 32.8.

O “2-etilbutano” tem uma cadeia mais longa de cinco carbonos que passa pelo grupo etil: é o 3-metilpentano. O “4-metilpentano” está numerado a partir da extremidade errada: é o 2-metilpentano. O “1-metilbutano” é simplesmente uma cadeia de cinco carbonos: o pentano.

Exercício 32.9 ★★

Usando a figura dos isômeros de $\ce{C5H12}$ , ordene-os por temperatura de ebulição e explique a ordem.

Solução

Solução de Exercício 32.9.

2,2-dimetilpropano ( $9.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) < 2-metilbutano ( $27.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) < pentano ( $36.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). Os mesmos átomos estão organizados de modo cada vez mais compacto: menos contato entre as moléculas, interações de van der Waals mais fracas, temperatura de ebulição mais baixa.

Exercício 32.10 ★★

O ciclo-hexano é $\ce{C6H12}$ e o hexano $\ce{C6H14}$ . Explique os dois átomos de hidrogênio que faltam. Os dois compostos são isômeros? O ciclo-hexano é um alcano?

Solução

Solução de Exercício 32.10.

Fechar a cadeia num anel cria mais uma ligação $\ce{C-C}$ , que toma o lugar de duas ligações $\ce{C-H}$ (uma em cada extremidade). Fórmulas moleculares diferentes: não são isômeros. O ciclo-hexano não é um alcano (o seu esqueleto é um anel; a sua fórmula não é $\ce{C_{n}H_{2n+2}}$ ).

Exercício 32.11 ★★

Entre o propano, o butano, o 2-metilpropano e o ciclobutano ( $\ce{C4H8}$ , um anel de quatro átomos de carbono), quais são isômeros entre si?

Solução

Solução de Exercício 32.11.

O butano e o 2-metilpropano ( $\ce{C4H10}$ ). O propano é $\ce{C3H8}$ e o ciclobutano $\ce{C4H8}$ .

Exercício 32.12 ★★★

Desenhe e dê o nome dos cinco isômeros de $\ce{C6H14}$ .

Solução

Solução de Exercício 32.12.


hexano	2-metilpentano	3-metilpentano

2,2-dimetilbutano	2,3-dimetilbutano

Exercício 32.13 ★★★

Imagine um alcano linear como um longo zigue-zague e um alcano muito ramificado como uma bola. Usando essa imagem, explique por que a ramificação abaixa a temperatura de ebulição dos isômeros.

Solução

Solução de Exercício 32.13.

Dois zigue-zagues longos podem ficar lado a lado em todo o seu comprimento, com muitos átomos em contato; duas bolas se tocam só numa pequena área. As interações de van der Waals atuam entre átomos em contato: elas são maiores entre as moléculas lineares, que precisam de uma temperatura mais alta para se separar.

Exercício 32.14 ★★★

Dê o nome do alcano

Solução

Solução de Exercício 32.14.

A cadeia mais longa tem seis carbonos; numerados a partir da esquerda, os substituintes ficam em 2, 4, 4, e a partir da direita em 3, 3, 5; a primeira diferença (2 contra 3) decide: 2,4,4-trimetil-hexano.

Exercício 32.15 ★★★

O composto de referência da gasolina, o “isoctano”, é o 2,2,4-trimetilpentano. Desenhe a sua fórmula em bastão, verifique que ele é um isômero do octano, e escreva a sua fórmula estrutural condensada.

Solução

Solução de Exercício 32.15.

: uma cadeia de cinco carbonos com dois grupos metil no carbono 2 e um no carbono 4, oito átomos de carbono ao todo; $2 \times 8 + 2 = 18$ átomos de hidrogênio, $\ce{C8H18}$ , a fórmula do octano: eles são isômeros. Fórmula estrutural condensada: .

32.7 Problema: o gás do isqueiro

Problema 32.1

Problema de fim de semana — quantos alcanos diferentes têm a fórmula $\ce{C7H16}$ ?

Um isqueiro contém butano; um cartucho de camping de inverno contém uma mistura mais rica em propano ou em 2-metilpropano. O butano ferve a cerca de $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o 2-metilpropano a $-11.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e o propano a $-42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Parte I — Dois gases com uma mesma fórmula.

Dê a fórmula molecular do butano, e verifique que ela segue a fórmula geral dos alcanos.
Desenhe a sua fórmula estrutural.
Escreva a sua fórmula estrutural condensada e a sua fórmula em bastão.
Desenhe o 2-metilpropano dos mesmos três jeitos. Por que ele tem a mesma fórmula molecular?
O butano e o 2-metilpropano são isômeros? De que tipo?

Parte II — No frio.

Quais dos três gases são gases a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e à pressão normal?
Um isqueiro aberto é usado ao ar livre a $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Por que ele dá uma chama fraca?
Por que os cartuchos de inverno são ricos em propano ou em 2-metilpropano?
Explique por que o 2-metilpropano ferve a uma temperatura mais baixa que o butano.
Por que o propano não tem isômero?

Parte III — Dar nomes e contar.

Dê o nome de .
Por que o nome “3-metilbutano” está errado para a mesma molécula?
Quantos alcanos isômeros têm as fórmulas $\ce{C4H10}$ , $\ce{C5H12}$ e $\ce{C6H14}$ ?

Parte IV — Os isômeros de $\ce{C7H16}$ .

Desenhe o isômero linear e dê o seu nome.
Desenhe e dê o nome dos isômeros cuja cadeia mais longa tem seis átomos de carbono. Por que não existe “4-metil-hexano”?
Desenhe e dê o nome dos isômeros cuja cadeia mais longa tem cinco átomos de carbono e dois grupos metil.
Existe um isômero com uma cadeia de cinco carbonos e um grupo etil? Por que o grupo etil só pode ficar no carbono 3?
Desenhe e dê o nome do isômero cuja cadeia mais longa tem quatro átomos de carbono.
Conte todos os isômeros encontrados.
Dê a resposta final: quantos isômeros constitucionais o heptano tem, contando ele próprio?

Solução

Solução de Problema 32.1.

1. $\ce{C4H10}$ : com $n = 4$ , $2n + 2 = 10$ .

2. .

3. $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$ ; .

4. ; ; . Ele tem os mesmos átomos, quatro carbonos e dez hidrogênios, ligados numa ordem diferente.

5. Sim: isômeros constitucionais (esqueletos diferentes).

6. Os três: as suas temperaturas de ebulição estão abaixo de $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

7. A $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , abaixo da sua temperatura de ebulição, o butano continua líquido à pressão normal e libera pouco gás.

8. O propano ( $-42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) e o 2-metilpropano ( $-11.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) fervem abaixo das temperaturas de inverno: eles ainda liberam bastante gás no frio.

9. O 2-metilpropano é ramificado, mais compacto: interações de van der Waals mais fracas.

10. Com três átomos de carbono, o único esqueleto possível é a cadeia $\ce{C-C-C}$ : qualquer carbono deslocado para outro lugar dá a mesma cadeia.

11. 2-metilbutano.

12. A cadeia deve ser numerada a partir da extremidade mais próxima do substituinte: 2, e não 3.

13. 2, 3 e 5.

14. Heptano, .

15. 2-metil-hexano e 3-metil-hexano . O “4-metil-hexano” é o 3-metil-hexano numerado a partir da extremidade errada.

16. 2,2-dimetilpentano, 2,3-dimetilpentano, 2,4-dimetilpentano e 3,3-dimetilpentano.

17. Sim, o 3-etilpentano. No carbono 2, o grupo etil formaria uma cadeia de seis carbonos passando por ele: a molécula seria o 3-metil-hexano.

18. 2,2,3-trimetilbutano, .

19. $1 + 2 + 4 + 1 + 1 = 9$ .

20. O heptano tem 9 isômeros constitucionais, contando ele próprio.

Termos definidos neste capítulo

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