1. Os combustíveis fósseis, como a gasolina, são muito utilizados no mundo todo, mas seu uso pode causar problemas ao meio ambiente, como a poluição do ar. Um dos componentes da gasolina é um hidrocarboneto com as seguintes características:
  • é formado por uma cadeia contendo cinco átomos de carbono;
  • há um carbono quaternário e quatro carbonos primários;
  • todas as ligações entre carbonos são simples.
Com base nessas informações, represente a fórmula estrutural desse componente da gasolina. Em seguida, justifique a geometria dos átomos de carbono dessa molécula.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas:
  • Representar a fórmula estrutural do hidrocarboneto que tem as características:
    • é formado por uma cadeia contendo cinco átomos de carbono;
    • há um carbono quaternário e quatro carbonos primários;
    • todas as ligações entre carbonos são simples.
  • Justificar a geometria dos átomos de carbono dessa molécula.
Informações relevantes dadas pelo enunciado:
  • Número total de átomos de carbono: 5.
  • Existe exatamente um carbono quaternário (um carbono ligado a quatro outros carbonos).
  • Existem exatamente quatro carbonos primários (cada um ligado a apenas um outro carbono).
  • Todas as ligações C–C são simples (logo é um alcano).

Passo 2

Definições que vamos usar (explicadas de forma bem clara):
  • Carbono primário: é um átomo de carbono ligado a apenas um outro átomo de carbono (tipicamente um carbono de um grupo metila \mathrm{CH_3}).
  • Carbono secundário: ligado a dois carbonos.
  • Carbono terciário: ligado a três carbonos.
  • Carbono quaternário: ligado a quatro carbonos.
Observação prática: um carbono primário costuma aparecer como um grupo \mathrm{CH_3} (porque tem mais três ligações com hidrogênio), enquanto um carbono quaternário não tem hidrogênios ligados a ele (pois já fez 4 ligações com outros carbonos).

Passo 3

Raciocínio sobre a conectividade que satisfaz os dados:
  • Um carbono quaternário precisa estar ligado a quatro outros carbonos. Como o total de carbonos é 5, um arranjo natural é ter um carbono central ligado diretamente aos outros quatro carbonos restantes.
  • Se os quatro carbonos ligados ao central forem todos carbonos primários, cada um desses deve ser um grupo metila \mathrm{CH_3} (ligado só ao carbono central).
  • Esse arranjo usa exatamente 1 carbono quaternário + 4 carbonos primários = 5 carbonos no total, e todas as ligações C–C são simples (uma ligação entre o central e cada metila).
  • Alternativas (por exemplo uma cadeia linear de cinco carbonos) não atendem às contagens pedidas: na pentana linear haveria dois carbonos primários e três secundários, e nenhum quaternário — portanto não serve.

Passo 4

Obtenção da fórmula molecular e verificação de saturação:
  • Cada grupo metila é \mathrm{CH_3}, e há quatro deles ligados ao carbono central que não tem hidrogênios. Logo o número total de hidrogênios é 4\times 3=12.
  • A fórmula molecular fica
\mathrm{C}_5\mathrm{H}_{12},
que é a fórmula geral de um alcano saturado com n=5 (a fórmula geral de alcanos é \mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2}, aqui 2\cdot 5+2=12, consistente).

Passo 5

Representação estrutural (formato condensado e diagrama esquemático simples):
  • Fórmula condensada: \mathrm{C}(\mathrm{CH_3})_4 ou \mathrm{(CH_3)_4C}.
  • Diagrama esquemático (texto):
    CH3
    |
    CH3—C—CH3
    |
    CH3
    Esse diagrama indica um carbono central ligado a quatro grupos \mathrm{CH_3}. O nome comum dessa molécula é neopentano (IUPAC: 2,2-dimetilpropano).

Passo 6

Justificativa da geometria (aulas de química explicadas passo a passo):
  • Cada átomo de carbono na molécula forma quatro ligações simples sigma ( \sigma). Exemplos:
    • O carbono quaternário forma quatro ligações C–C.
    • Cada carbono primário (metila) forma uma ligação C–C com o central e três ligações C–H.
  • Quando um átomo de carbono faz quatro ligações simples, ele está no estado de hibridização \mathrm{sp^3}. Explicando isso devagar:
    • O carbono tem um orbital 2s e três orbitais 2p. Para formar quatro ligações equivalentes, esses orbitais se combinam e formam quatro orbitais híbridos chamados \mathrm{sp^3}.
    • Quatro orbitais \mathrm{sp^3} são orientados no espaço de modo a ficarem o mais afastados possível uns dos outros: a disposição que maximiza afastamento é a disposição tetraédrica.
  • Consequência: a geometria ao redor de cada carbono (tanto o quaternário quanto os primários) é tetraédrica.
    • Para cada carbono a medida aproximada do ângulo entre ligações é 109,5^\circ.
    • O carbono quaternário tem quatro substituintes (quatro carbonos) distribuídos nos vértices de um tetraedro ao redor do centro.
    • Cada carbono primário (metila) também é \mathrm{sp^3} e os três H + o C ligado formam um tetraedro ao redor daquele carbono; na representação usual dos grupos metila os H não aparecem explicitamente, mas a geometria local continua tetraédrica.
  • Todas as ligações C–C e C–H são ligações simples \sigma resultantes dos sobrepósitos dos orbitais \mathrm{sp^3} com outros orbitais apropriados.

Passo 7

Resumo didático e dica para prova (amigo explicando):
  • Se você tem um carbono quaternário e quatro primários num total de cinco carbonos, pense imediatamente num carbono central ligado a quatro metilas — é o arranjo que satisfaz direto as contagens.
  • Verifique sempre a fórmula molecular usando \mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2} para alcanos; se bater, você está coerente.
  • Lembre: carbono com quatro ligações simples → \mathrm{sp^3} → geometria tetraédrica (~ 109,5^\circ). Isso vale para todos os carbonos dessa molécula.

Resposta

\mathrm{(CH_3)_4C} (estrutura do neopentano, \mathrm{C}_5\mathrm{H}_{12})
Todos os átomos de carbono são \mathrm{sp^3} (cada carbono faz quatro ligações simples) e, portanto, têm geometria tetraédrica com ângulos aproximados de 109,5^\circ.

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