O ácido maleico é preparado pela oxidação catalítica do benzeno. É um ácido dicarboxílico, tem dois grupos carboxila.
a) A combustão de
do ácido produz
de
e
de
. Calcule a fórmula empírica do ácido.
b) Se uma amostra de
do ácido é neutralizada por
de NaOH a
(e então os dois íons
dos dois grupos carboxila são neutralizados). Qual a massa e a fórmula molecular do ácido?
c) Desenhe a estrutura de Lewis do ácido.
d) Descreva a hibridização dos átomos de C .
e) Quais os ângulos das ligações em tornos de cada átomo de C?
a) A combustão de
b) Se uma amostra de
c) Desenhe a estrutura de Lewis do ácido.
d) Descreva a hibridização dos átomos de C .
e) Quais os ângulos das ligações em tornos de cada átomo de C?
Passo 1
O enunciado pede várias coisas relacionadas ao ácido maleico. Vou listar claramente o que foi dado e o que é pedido, só para a gente organizar a cabeça antes de começar a calcular — respira fundo, vamos por partes.
Dados do enunciado:
-
massa da amostra para a combustão:
. -
produtos da combustão dessa amostra:
-
de , -
de .
-
-
segunda amostra para titulação: massa
. -
solução de
usada na titulação: a . -
informação importante do enunciado: os dois íons
dos dois grupos carboxila são neutralizados (ou seja, cada molécula do ácido doa 2 prótons).
Perguntas (o que precisamos responder):
a) Calcular a fórmula empírica do ácido a partir dos dados de combustão.
b) A partir da titulação, determinar a massa molar (massa) e a fórmula molecular do ácido.
c) Desenhar a estrutura de Lewis do ácido.
d) Descrever a hibridização dos átomos de carbono ( ).
e) Indicar os ângulos das ligações ao redor de cada átomo de .
b) A partir da titulação, determinar a massa molar (massa) e a fórmula molecular do ácido.
c) Desenhar a estrutura de Lewis do ácido.
d) Descrever a hibridização dos átomos de carbono (
e) Indicar os ângulos das ligações ao redor de cada átomo de
Observações úteis que vou usar (constantes e relações fundamentais):
- massa molar:
. - massa molar:
. - massas atômicas:
.
A resolução começa de verdade no Passo 2.
Passo 2
Explicação didática do método para a parte (a): análise de combustão (passo-a-passo conceitual).
Quando queimamos uma amostra orgânica contendo C, H e O, todo o carbono vira
e todo o hidrogênio vira
. Assim:
- o número de mols de
formado dá o número de mols de átomos de na amostra (1 mol contém 1 mol ); - o número de mols de
formado dá metade do número de mols de átomos de (1 mol contém 2 mols ); - a massa do oxigênio no composto é obtida subtraindo da massa da amostra as massas de
e que calculamos.
Agora calculamos numericamente seguindo essa ideia (vou mostrar cada conta para você poder replicar na prova).
Passo 3
Calcular os mols de
a partir de
e a massa de
.
Mols de
:
Cada mol de
tem 1 mol de
, logo:
Massa de
na amostra:
(Explicação curta: multiplicamos os mols de C pela massa atômica de C para obter a massa de C presente na amostra.)
Passo 4
Calcular os mols de
a partir de
e a massa de
.
Mols de
:
Cada mol de
tem 2 mols de
, portanto:
Massa de
na amostra:
(Explicação curta: convertemos água formada em mols de H e então multiplicamos pela massa atômica de H.)
Passo 5
Determinar a massa e os mols de oxigênio por diferença.
Massa total da amostra:
.
Massa de oxigênio na amostra:
Mols de
:
Agora temos os mols de cada elemento na amostra:
Passo 6
Encontrar a fórmula empírica a partir das proporções molares (explicação do método de normalização).
Para obter a fórmula empírica dividimos todos os números de mols pelo menor valor entre eles e aproximamos para inteiros pequenos.
Menor valor:
.
Dividindo:
Portanto a razão simplificada é
. A fórmula empírica é:
(Explicação pedagógica: pequenos erros experimentais geram números ligeiramente diferentes de 1; aqui todos estão praticamente iguais a 1, então a fórmula empírica simples é
.)
Passo 7
Explicação do método para a parte (b): titulação ácido–base para obter massa molar.
Quando você titula uma amostra com
, a quantidade (mols) de
que reagiu é igual à soma dos prótons neutralizados. O enunciado diz que cada molécula do ácido doa 2 prótons (é um ácido dicarboxílico), portanto:
Com a massa da amostra e os mols da substância, a massa molar (M) do ácido é:
Vamos calcular passo a passo.
Passo 8
Calcular os mols de
usados na titulação.
Volume de
:
.
Concentração:
.
Mols de
:
Cada molécula do ácido doa 2 prótons, então mols do ácido:
Passo 9
Determinar a massa molar do ácido (massa por mol) e a fórmula molecular.
Massa da amostra titulada:
.
Massa molar calculada:
Agora comparo com a massa da fórmula empírica
:
Razão:
Logo a fórmula molecular é
vezes a fórmula empírica:
(Resumo: massa molar
e fórmula molecular
. Isso bate com o ácido maleico, que é um diácido com quatro carbonos.)
Passo 10
Desenho da estrutura de Lewis (explicação e representação textual didática para prova).
O ácido maleico é o ácido butenodioico na configuração cis. A forma estrutural condensada (fácil de desenhar à mão na prova) é:
Agora, explicando a estrutura de Lewis (o que você deve desenhar no papel):
- Há dois grupos carboxila
ligados aos carbonos da dupla ligação adjacentes. - Cada grupo carboxila tem um carbono que forma:
- uma ligação dupla com um oxigênio (
) — esse oxigênio tem dois pares de elétrons não ligantes (dois pares de pontos); - uma ligação simples com um oxigênio que, por sua vez, está ligado a um hidrogênio (
) — esse oxigênio também tem dois pares de elétrons não ligantes.
- uma ligação dupla com um oxigênio (
- A dupla ligação entre os carbonos centrais é
(cada um desses carbonos também ligado a um H e ao carbono de carboxila). - Em termos de elétrons: desenhe as ligações (linhas) e coloque dois pares de pontos (😃 ao redor de cada oxigênio para representar os dois pares de elétrons não ligantes.
Se você desenhar no papel, o esqueleto ficará assim (cada O tem dois pares de elétrons não ligantes que você deve desenhar como dois pares de pontos ao redor do O):
(Obs.: essa linha é uma representação linear; ao desenhar, posicione os pares de elétrons ao redor de cada oxigênio e mostre as ligações simples e duplas.)
Além disso, é bom mencionar a ressonância muito característica do grupo carboxila: o par de elétrons do
simples pode se delocalizar para formar uma estrutura equivalente com a carga parcial nos oxigênios; isso faz com que o
simples tenha caráter parcial duplo e o
parcial simples em termos de comprimento e energia. Na maioria das provas basta desenhar a estrutura com linhas e indicar os pares de elétrons nos oxigênios.
Passo 11
Determinação da hibridização dos átomos de carbono (como raciocinar e resposta).
Como identificar hibridização na prova de forma prática:
- conte quantos “regiões de densidade eletrônica” existem em torno do átomo de carbono (ligações simples, ligações múltiplas e pares isolados contam como regiões; aqui não há pares isolados em C).
- se houver 3 regiões →
; 4 regiões → ; 2 regiões → .
No ácido maleico:
- cada carbono da carboxila está ligado a três átomos (um O por dupla ligação, um O por ligação simples e o carbono adjacente) e participa de um conjunto onde há uma nuvem
na carbonila — isso configura 3 regiões → . - cada carbono da dupla
(os dois carbonos centrais) tem três regiões: ligação ao outro C da dupla, ligação ao H, ligação ao carbono da carboxila → também .
Portanto:
Passo 12
Ângulos de ligação ao redor de cada átomo de carbono (explicação física e valor).
Geometria de um átomo
: trigonal planar — as três regiões de densidade eletrônica ficam em um mesmo plano, com ângulos ideais de
.
Aplicando ao ácido maleico:
- cada carbono (tanto os dois carbonos da dupla
quanto os dois carbonos das carboxilas) tem geometria aproximadamente trigonal planar, logo os ângulos entre as ligações ao redor de cada são aproximadamente .
Observação: por efeitos de ressonância e interações estéricas pequenas variações podem ocorrer, mas para a prova e para a grande maioria dos exercícios a resposta aceita é
para todos os carbonos.
Resposta
(a) Fórmula empírica:
(b) Massa molar ; fórmula molecular:
(c) Estrutura de Lewis (forma condensada): (cada oxigênio tem dois pares de elétrons não ligantes; os grupos
exibem ressonância)
(d) Hibridização dos átomos de : todos
(e) Ângulos das ligações ao redor de cada : aproximadamente
(b) Massa molar
(c) Estrutura de Lewis (forma condensada):
(d) Hibridização dos átomos de
(e) Ângulos das ligações ao redor de cada