9- Na identificação de dois isômeros de fórmula molecular \mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10} \mathrm{O} determinou-se os pontos de ebulição dos dois compostos como sendo 35^{\circ} \mathrm{C} e 118^{\circ} \mathrm{C}. Sabendo-se que um dos isômeros era um éter e o outro um álcool, identifique os dois compostos, associando os respectivos pontos de ebulição e justificando sua resposta. Embora os dois isômeros anteriores apresentem pontos de ebulição bem distintos, ambos os compostos têm a mesma solubilidade em água, 8 \%(p / p). Como você explica este fato?

Passo 1

O enunciado dá as seguintes informações e pede duas coisas claras:
  • Fórmula molecular dos isômeros: \mathrm{C_4H_{10}O}.
  • Um isômero é um éter; o outro é um álcool.
  • Pontos de ebulição medidos: 35^\circ\mathrm{C} e 118^\circ\mathrm{C}.
  • Ambos têm a mesma solubilidade em água: 8\% (p/p).
    Perguntas que devemos responder:
  1. Identificar qual composto (nome e fórmula estrutural) corresponde a cada ponto de ebulição e justificar por que aquele ponto de ebulição pertence a esse isômero.
  2. Explicar por que, apesar de terem pontos de ebulição tão diferentes, ambos têm a mesma solubilidade em água.

Passo 2

Primeiro vamos listar rapidamente os isômeros possíveis (sem decidir ainda): para \mathrm{C_4H_{10}O} há isômeros que são álcoois e isômeros que são éteres.
  • Álcoois (alguns exemplos): \mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2OH} (1-butanol), \mathrm{CH_3CH_2CHOHCH_3} (2-butanol), \mathrm{(CH_3)_2CHCH_2OH} (isobutanol), \mathrm{(CH_3)_3COH} (tert-butanol).
  • Éteres (alguns exemplos): \mathrm{CH_3CH_2OCH_2CH_3} (dietil éter), \mathrm{CH_3OCH_2CH_2CH_3} (metoxipropano), \mathrm{CH_3OCH(CH_3)_2} (metóxisopropano).
    Anote: o enunciado exige associar os pontos de ebulição e justificar — então precisamos comparar propriedades intermoleculares desses tipos de moléculas.

Passo 3

Conceito essencial (aula rápida e prática): o que determina o ponto de ebulição?
  • Pontos de ebulição aumentam quando as forças intermoleculares entre moléculas do líquido são maiores.
  • Tipos principais de forças intermoleculares (em ordem típica de intensidade para moléculas pequenas orgânicas): ligações de hidrogênio (quando presentes) > forças dipolo‑dipolo > forças de London (dispersão).
  • Explicação do que é ligação de hidrogênio: é uma interação forte entre um hidrogênio ligado a um átomo muito eletronegativo (O, N, F) em uma molécula e um par de elétrons não ligante em outro átomo eletronegativo em outra molécula. Para que exista ligação de hidrogênio entre moléculas A e B, A precisa ter um H ligado a O/N/F (doador) e B precisa ter um par de elétrons (aceptor).
  • No caso prático: álcoois possuem o grupo -\mathrm{OH}, então podem atuar como doadores e aceptores de ligações de hidrogênio (têm H ligado a O e também o par não ligante no O). Éteres têm o átomo de oxigênio com pares não ligantes (podem ser aceptores), mas não têm H ligado ao O — portanto não podem doar ligações de hidrogênio entre moléculas idênticas (só aceitam H‑bond de moléculas que doem, como água).
    Conclusão deste passo: espera‑se que um álcool puro apresente ligações H intermoleculares fortes entre suas moléculas e, portanto, ponto de ebulição muito maior que um éter de massa molar parecida, que depende só de dipolo e London.

Passo 4

Aplicando o conceito aos candidatos e aos pontos dados:
  • Ambos (álcool e éter) têm a mesma massa molar (mesma fórmula), então massa não explica a diferença grande entre 35^\circ\mathrm{C} e 118^\circ\mathrm{C}.
  • O grande divisor de águas é a presença do grupo -\mathrm{OH} (álcool) que permite ligações de hidrogênio intermoleculares fortes → ponto de ebulição alto; o éter, sem H ligado ao O, não tem essas ligações entre suas próprias moléculas → ponto de ebulição muito mais baixo.
  • Entre os álcoois de cadeia C4, o que tem maior ponto de ebulição é o alcool primário linear ( 1-butanol) porque tem menos ramificação (moléculas menos compactas costumam ter maior área de contato para forças de London) e mantém ligações H eficientes. Valores experimentais conhecidos (uso prático para identificação): o ponto de ebulição do \mathbf{1\text{-}butanol}, cuja fórmula estrutural é \mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2OH}, é aproximadamente \,117{,}7^\circ\mathrm{C} (que arredondado dá 118^\circ\mathrm{C}).
  • Entre éteres possíveis, o \mathbf{dietil\\ éter}é \mathrm{CH_3CH_2OCH_2CH_3} tem ponto de ebulição experimental bem baixo, aproximadamente \,34{,}6^\circ\mathrm{C} (arredondando: 35^\circ\mathrm{C}). Outros éteres isoméricos (como metoxipropano) teriam pontos de ebulição diferentes, mas o valor típico e bem conhecido de cerca de 35^\circ\mathrm{C} corresponde precisamente ao dietil éter.
    Portanto, a associação natural, justificada pelas diferenças de ligações intermoleculares, é:
  • 35^\circ\mathrm{C} → éter: \mathrm{CH_3CH_2OCH_2CH_3} (dietil éter).
  • 118^\circ\mathrm{C} → álcool: \mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2OH} (1‑butanol).

Passo 5

Mostrar por que isso não é coincidência (comentário comparativo com outros isômeros):
  • Exemplos de pontos de ebulição de outros álcoois C4 mostram a sensibilidade à estrutura: \mathrm{2\text{-}butanol} ebula por volta de 99{,}5^\circ\mathrm{C}, \mathrm{isobutanol} por volta de 108^\circ\mathrm{C}, \mathrm{tert\text{-}butanol} por volta de 82{,}2^\circ\mathrm{C}. Todos são bem mais altos que 35^\circ\mathrm{C} porque todos têm -\mathrm{OH}. Logo 118^\circ\mathrm{C} casaria melhor com o n‑butanol linear.
  • Isso reforça a identificação: a presença de -\mathrm{OH} eleva muito o ponto de ebulição em comparação com éteres de massa semelhante.

Passo 6

Agora a segunda pergunta: por que ambos apresentam a mesma solubilidade em água ( 8\% p/p), apesar de pontos de ebulição tão diferentes?
Explicação didática, passo a passo:
  1. Para dissolver em água, dois fatores importantes competem:
    • Interações favoráveis entre o soluto e a água (p.ex. ligações de hidrogênio soluto–água e interações dipolo–dipolo).
    • Custo de separar as moléculas do soluto entre si (energia necessária para romper as interações soluto–soluto) e custo de abrir lugar na estrutura de água.
  2. O álcool ( \mathrm{1\text{-}butanol}) pode doar e aceitar ligações de hidrogênio com água, o que favorece solubilidade. O éter (dietil éter) só pode aceitar ligações de hidrogênio (oxigênio com pares livres) — ainda assim pode interagir bem com água como aceitador.
  3. Porém ambos têm cadeias hidrocarbonadas de quatro carbonos que são hidrofóbicas e diminuem muito a solubilidade. Em outras palavras, o grupo -\mathrm{C_4H_9} grande favorece agregação hidrofóbica e limita quanto da molécula cabe ser estabilizada por interações com água.
  4. Outro ponto: o álcool forte se auto‑associa por ligações H (álcool‑álcool), isto causa um custo extra para separá‑los e solvatá‑los por água; esse custo reduz a solubilidade apesar da capacidade de formar H‑bonds com água. No éter, a auto‑associação é mais fraca, mas também tem menos capacidade de doar H‑bond para a água. Assim, efeitos opostos (capacidade de doar H‑bond versus forte auto‑associação; e o caráter hidrofóbico do trecho \mathrm{C_4}) tendem a se compensar.
  5. Resultado prático: para cadeias de quatro carbonos com um único oxigênio, a solubilidade em água fica baixa (da ordem de poucos por cento até ~10% em massa) para ambos os tipos. Por isso tanto o dietil éter quanto o 1‑butanol apresentam solubilidade parecida em água — o grupo oxigênio confere alguma afinidade com água, mas a longa parte hidrocarbonada limita fortemente quanto se dissolve.
  6. Conclusão qualitativa: o grande efeito sobre o ponto de ebulição vem das diferenças na natureza das interações soluto–soluto (ligações H no álcool versus ausência delas no éter). Já a solubilidade na água depende do balanço entre grupo polar ( \mathrm{O}) e a porção hidrofóbica ( \mathrm{C_4}); como esse balanço é parecido nos dois isômeros, a solubilidade final é parecida (~ 8\% p/p).

Passo 7

Resumo final de identificação e justificativa curta (última checagem lógica):
  • O composto com 35^\circ\mathrm{C} tem ponto de ebulição muito baixo — característica de um éter leve com massa molar compatível: dietil éter \mathrm{CH_3CH_2OCH_2CH_3}. Justificativa: ausência de doador de H‑bond entre moléculas leva a forças intermoleculares fracas e baixa temperatura de ebulição.
  • O composto com 118^\circ\mathrm{C} tem ponto de ebulição alto — característica de um álcool com -\mathrm{OH} capaz de formar ligações de hidrogênio intermoleculares fortes: 1‑butanol \mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2OH}. Justificativa: ligações de hidrogênio intermoleculares elevam fortemente o ponto de ebulição.
  • A solubilidade igual em água é explicada pelo mesmo balanço entre a parte polar (oxigênio) e a parte apolar (cadeia de 4 carbonos) em ambas as moléculas, além de efeitos compensatórios entre capacidade de doação de H‑bond e forte auto‑associação do álcool.

Resposta

Éter: \mathrm{CH_3CH_2OCH_2CH_3} (dietil éter) — 35^\circ\mathrm{C}
Álcool: \mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2OH} (1‑butanol) — 118^\circ\mathrm{C}

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