5-) Os calores de combustão para três alcanos isoméricos são: - 845,2 \mathrm{Kcal} / \mathrm{mol} para \mathrm{CH}_{3}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{3} \mathrm{CH}_{3} ;-843,4 \mathrm{Kcal} / \mathrm{mol} para \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}\left(\mathrm{CH}_{3}\right) \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{3} e -840,0 \mathrm{Kcal} / \mathrm{mol} para \left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3} \mathrm{CCH}_{3}. Qual isômero é o mais estável? Como você chegou a sua resposta?

Passo 1

Vou listar claramente o que o enunciado dá e o que pede.
Dados (pegos do enunciado):
  • Calores de combustão:
    • Para \mathrm{CH}_{3}(\mathrm{CH}_{2})_{3}\mathrm{CH}_{3}: \Delta H_{\mathrm{comb}} = -845{,}2\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
    • Para \mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}(\mathrm{CH}_{3})\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{3}: \Delta H_{\mathrm{comb}} = -843{,}4\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
    • Para \left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}\mathrm{CCH}_{3}: \Delta H_{\mathrm{comb}} = -840{,}0\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
Perguntas do enunciado:
  1. Qual isômero é o mais estável?
  2. Como você chegou a sua resposta?

Passo 2

O que significa o calor (entalpia) de combustão e por que ele serve para comparar estabilidade entre isômeros?
  • A combustão de um alcano (padrão) transforma a molécula em \mathrm{CO}_{2} e \mathrm{H}_{2}\mathrm{O}. Para um isômero qualquer, podemos escrever
\Delta H_{\mathrm{comb}} = H_{\mathrm{prod}} - H_{\mathrm{reag}},
onde H_{\mathrm{prod}} é a entalpia dos produtos (soma das entalpias de \mathrm{CO}_2 e \mathrm{H}_2\mathrm{O}) e H_{\mathrm{reag}} é a entalpia do alcano inicial.
  • Todos os três isômeros têm a mesma fórmula molecular ( \mathrm{C}_5\mathrm{H}_{12}), portanto a combustão forma exatamente as mesmas quantidades de \mathrm{CO}_2 e \mathrm{H}_2\mathrm{O}. Logo, H_{\mathrm{prod}} é o mesmo para os três.
  • Assim, diferenças em \Delta H_{\mathrm{comb}} entre os isômeros vêm somente de diferenças em H_{\mathrm{reag}} (a entalpia do próprio isômero). Reescrevendo:
H_{\mathrm{reag}} = H_{\mathrm{prod}} - \Delta H_{\mathrm{comb}}.

Passo 3

Interpretação do sinal e consequência para estabilidade (explicação didática):
  • \Delta H_{\mathrm{comb}} costuma ser negativo (processo exotérmico). Se um isômero tem \Delta H_{\mathrm{comb}} mais negativo (mais exotérmico), isso significa que H_{\mathrm{reag}} é maior, porque H_{\mathrm{reag}} = H_{\mathrm{prod}} - \Delta H_{\mathrm{comb}} e subtrair um número mais negativo aumenta H_{\mathrm{reag}}.
  • Entalpia mais baixa do reagente corresponde a energia interna/entalpia menor da molécula — isto significa que a molécula está mais estável termodinâmicamente.
  • Portanto: entre isômeros com mesma fórmula, o isômero mais estável é aquele com o \Delta H_{\mathrm{comb}} menos negativo (ou seja, o menos exotérmico).
Resumo útil (regra rápida):
  • Mais negativo \Delta H_{\mathrm{comb}} → reagente menos estável.
  • Menos negativo \Delta H_{\mathrm{comb}} → reagente mais estável.

Passo 4

Aplicando a regra aos números dados — comparar os valores:
Os valores são:
\Delta H_{\mathrm{comb}}(\text{n-pentano}) = -845{,}2\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol},
\Delta H_{\mathrm{comb}}(\text{isopentano}) = -843{,}4\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol},
\Delta H_{\mathrm{comb}}(\text{neopentano}) = -840{,}0\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
Ordenando do mais negativo para o menos negativo:
-845{,}2\\ < -843{,}4\\ < -840{,}0.
Portanto o menos exotérmico (o maior numericamente, menos negativo) é -840{,}0\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}, correspondente a \left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}\mathrm{CCH}_{3} (neopentano).

Passo 5

Calcular diferenças de entalpia para ver a magnitude das estabilizações (opcional, mas ilustrativo):
  • Diferença entre n-pentano e neopentano:
\Delta = -845{,}2 - (-840{,}0) = -5{,}2\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
Isto significa que n-pentano libera 5{,}2\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol} a mais na combustão; portanto n-pentano tem entalpia 5{,}2\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol} maior (menos estável) que o neopentano.
  • Diferença entre isopentano e neopentano:
\Delta = -843{,}4 - (-840{,}0) = -3{,}4\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
  • Diferença entre n-pentano e isopentano:
\Delta = -845{,}2 - (-843{,}4) = -1{,}8\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}.
Logo a ordem de estabilidade (do mais estável para o menos estável) é:
\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}\mathrm{CCH}_{3}\\ (\text{neopentano}) > \mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}(\mathrm{CH}_{3})\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{3}\\ (\text{isopentano}) > \mathrm{CH}_{3}(\mathrm{CH}_{2})_{3}\mathrm{CH}_{3}\\ (\text{n-pentano}).

Passo 6

Explicação química, em linguagem simples, do porquê da maior estabilidade do isômero mais ramificado:
  • Alcanos mais ramificados tendem a ser mais estáveis que os lineares. Isso ocorre porque grupos alquila (ramificações) estabilizam a molécula por efeitos de hiperconjugação e doação indutiva de elétrons: elétrons das ligações C–H adjacentes podem interagir de forma a distribuir melhor a densidade eletrônica, baixando a energia total.
  • Em termos práticos: um carbono terciário (ligado a três grupos alquila) contribui mais para essa estabilização do que carbonos secundários ou primários. Neopentano tem a maior ramificação (carbono central quaternário ligado a quatro grupos metila), logo possui a menor entalpia de formação e, consequentemente, o \Delta H_{\mathrm{comb}} menos exotérmico.
  • As diferenças observadas (alguns kcal/mol) são exatamente da ordem esperada para estabilização por ramificação em hidrocarbonetos simples.

Resposta

\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}\mathrm{CCH}_{3} (neopentano)
Justificativa: é o isômero com o \Delta H_{\mathrm{comb}} menos negativo ( -840{,}0\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{mol}), o que indica menor entalpia do reagente (maior estabilidade) em relação aos outros isômeros.

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