O 1-bromobutano,
, é um composto incolor, comumente usado como agente de alquilação.
Considere que a produção de
ocorre a partir de
de brometo de sódio, NaBr , em
de água, seguida pela adição de
de 1 -butanol,
, e
de ácido sulfúrico concentrado,
, conforme a equação abaixo e faça o que se pede.
a) Calcule a fração em mol de NaBr na mistura de reagentes.
b) Calcule o rendimento percentual, assumindo-se que somente
do
, fosse produzido.
c) Explique por que, geralmente, as reações não atingem
de rendimento.
Dados:
densidade ( }\mp@subsup{\textrm{C}}{4}{}\mp@subsup{\textrm{H}}{9}{}\textrm{OH})=0,810 g mL-1
densidade ( }\mp@subsup{\textrm{H}}{2}{}\mp@subsup{\textrm{SO}}{4}{})=1,84\mp@subsup{\textrm{g mL}}{}{-1
densidade ( }\mp@subsup{\textrm{H}}{2}{}\textrm{O})=1,00 \mp@subsup{\textrm{g mL}}{}{-1
M(C4H9OH) = 74,122 g mol-1
M(C4H9Br)=137,019 g mol-1
M(NaBr) = 102,894 g mol
M(H2SO4) = 98,077 g mol-1
M(H2O)= 18,015 g mol-1
b) Calcule o rendimento percentual, assumindo-se que somente
c) Explique por que, geralmente, as reações não atingem
densidade ( }\mp@subsup{\textrm{H}}{2}{}\mp@subsup{\textrm{SO}}{4}{})=1,84\mp@subsup{\textrm{g mL}}{}{-1
densidade ( }\mp@subsup{\textrm{H}}{2}{}\textrm{O})=1,00 \mp@subsup{\textrm{g mL}}{}{-1
M(C4H9OH) = 74,122 g mol-1
M(C4H9Br)=137,019 g mol-1
M(NaBr) = 102,894 g mol
M(H2SO4) = 98,077 g mol-1
M(H2O)= 18,015 g mol-1
Passo 1
O que o enunciado pede:
- (a) Calcular a fração em mol de NaBr na mistura de reagentes.
- (b) Calcular o rendimento percentual, supondo que se obteve
de . - (c) Explicar por que reações normalmente não atingem
de rendimento.
Informações fornecidas (dados numéricos que usarei; peguei-os do enunciado):
- massa de
: . - volume de água:
. - volume de 1-butanol (
): . - volume de
concentrado: .
Densidades e massas molares (do enunciado):
- densidade
: . - densidade
: . - densidade
: . -
. -
. -
. -
. -
.
Observação importante sobre a “mistura de reagentes”: a mistura inicial contém as quatro espécies acima (
, água, 1-butanol e
); a fração em mol pedida em (a) refere-se à fração de
no total de mols dessas espécies.
Passo 2
Converter volumes em massas quando necessário e calcular o nº de mols de cada componente. Vou explicar a fórmula usada: para uma substância líquida, massa
é dada por
, onde
é a densidade (
) e
o volume (
). O número de mols é
, onde
é a massa molar (
).
-
: massa já dada .
(interpretando:
é o número de mols de NaBr.)
-
(água): .
-
(1-butanol): .
-
: .
Resumo dos mols calculados:
Passo 3
Calcular a fração em mol (fração molar) de
. Definição e fórmula: a fração molar de uma espécie
é
onde o denominador é a soma dos mols de todas as espécies presentes na mistura.
Somando os mols:
Agora a fração molar de
:
Interpretação: cerca de
dos mols da mistura são de
.
Passo 4
Determinar o reagente limitante (necessário para o rendimento teórico). Observação: a equação dada tem relação estequiométrica
entre
para formar uma mol de
. Portanto o reagente com o menor número de mols desses três é o limitante.
Comparando os mols:
O menor é
. Logo o 1-butanol é o reagente limitante e o número máximo de mols de produto é igual a esse valor:
Calcular a massa teórica máxima de
:
Passo 5
Calcular o rendimento percentual usando a definição:
Substituindo
e
:
Passo 6
Explicação didática — por que rendimentos normalmente <
(aplicada ao caso concreto):
- reações paralelas (reação lateral): nem toda molécula de reagente segue o caminho desejado. No caso ácido com 1-butanol, ocorre desidratação acid-catalisada formando butenos (eliminação E1) além da substituição (SN1). Também pode haver formação de ésteres ou sulfatos de butila (ex.: sulfato de butila) se o ácido reage de modo diferente; essas reações consomem reagentes e diminuem produto desejado.
- conversão incompleta / equilíbrio: algumas reações não vão até consumo total dos reagentes; se há equilíbrio, uma fração permanece reagente.
- perdas experimentais na separação/purificação: durante extração, lavagem, secagem e destilação ou transferência, moléculas do produto podem ser perdidas (resíduos em frascos, solubilidade em fases aquosas, evaporação).
- pureza dos reagentes e formação de subprodutos: reagentes impuros ou água presente podem reduzir a eficiência (a água pode favorecer reversão ou outras rotas).
- problemas estequiométricos e formação in situ de reagentes: aqui o HBr é gerado in situ por ação do ácido sobre NaBr; se essa geração for incompleta, o agente alquilante fica em falta.
- limitações cinéticas: condições (temperatura, tempo, catalisador) podem não ser ótimas, favorecendo produtos indesejados.
Como melhorar rendimento (resumo prático): usar excesso do reagente não limitante desejável, controlar temperatura/tempo para minimizar eliminação, otimizar procedimento de isolamento (reduzir perdas), usar métodos que removam produto à medida que é formado (desloca equilíbrio), e usar reagentes puros.
Resposta
(a)
(b) rendimento
(c) Rendimentos menores que
ocorrem por reações paralelas (ex.: desidratação a butenos, formação de sulfatos de butila), conversão incompleta/equilíbrio, perdas experimentais na separação e purificação, impurezas dos reagentes e limitações na geração do reagente ativo (HBr formado in situ).