9-Organize as substâncias abaixo em ordem decrescente (do maior para o menor) de ponto de ebulição. Em seguida, justifique sua escolha, comparando as forças intermoleculares e o tamanho das cadeias carbônicas. (0,15 pontos)
ácido pentanóico \left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{COOH}\right);
pentan-2-ona \left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COCH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{3}\right);
propanona \left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{COCH}_{3}\right);
pentanal ( \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CHO} );
butanoato de metila \left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{COOCH}_{3}\right)

Passo 1

O enunciado pede que eu organize as substâncias abaixo em ordem decrescente (do maior para o menor) de ponto de ebulição e que eu justifique a escolha comparando forças intermoleculares e tamanho das cadeias carbônicas.
As substâncias fornecidas (vou repetir os nomes com as fórmulas que vieram no enunciado) são:
  • ácido pentanóico \left(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{COOH}\right);
  • pentan-2-ona \left(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{COCH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{3}\right);
  • propanona \left(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{COCH}_{3}\right);
  • pentanal \left(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CHO}\right);
  • butanoato de metila \left(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{COOCH}_{3}\right).
O que preciso entregar:
  • uma ordem decrescente de ponto de ebulição (do maior para o menor);
  • justificativa baseada em comparação das forças intermoleculares presentes em cada molécula e do efeito do tamanho/estrutura da cadeia carbônica.

Passo 2

Breve aula sobre as forças intermoleculares que importam para pontos de ebulição (vou explicar de forma simples e com exemplos):
  • Forças de London (forças de dispersão): existem em todas as moléculas. A intensidade cresce com a massa molar e com a área de superfície (cadeias mais longas e menos ramificadas aumentam essas forças). Essas forças aumentam o ponto de ebulição.
  • Dipolo–dipolo: moléculas polares (como aquelas com grupo carbonila >\!C=O, ésteres, aldeídos, cetonas) têm interações dipolo–dipolo que também elevam o ponto de ebulição além das forças de London.
  • Ligações de hidrogénio (H-bonding): quando há hidrogênio ligado a átomos muito eletronegativos (O, N), e existe um par de elétrons disponível em outra molécula, forma-se ligação de hidrogénio. Essa interação é muito mais forte que dipolo–dipolo e dispersão e aumenta bastante o ponto de ebulição. Importante: ácidos carboxílicos ( \mathrm{RCOOH}) formam dímeros por ligações de hidrogénio, o que eleva muito o ponto de ebulição por molar.
    Resumo prático (do mais forte para o mais fraco): H-bond (com doador/aceptor forte, p.ex. ácidos carboxílicos) > dipolo–dipolo > London (aumenta com massa/área).

Passo 3

Breve aula sobre efeito do tamanho e da forma (cadeia carbonada):
  • Para compostos do mesmo tipo funcional, quanto maior a massa molar e a superfície de contato (cadeia mais longa e linear), maior será o ponto de ebulição, porque as forças de London aumentam.
  • Ramificações ou substituições que reduzem a superfície de contato diminuem as forças de dispersão e tendem a baixar o ponto de ebulição.
  • Isomeria funcional (ex.: um éster versus uma cetona com mesma fórmula bruta) muda polaridade e massa molar efetiva: isômeros com mais oxigênios (maior massa) ou maior polaridade normalmente terão pontos de ebulição maiores, se outros fatores não anularem isso.

Passo 4

Calcular (aproximar) as massas molares relativas para comparar efeitos de massa (vou usar massas atômicas aproximadas: \mathrm{C}=12,01, \mathrm{H}=1,008, \mathrm{O}=16,00; todos esses números vão ficar em TeX):
  • massa molar do ácido pentanóico \mathrm{C_{5}H_{10}O_{2}}:
5\times12,01 + 10\times1,008 + 2\times16,00 = 60,05 + 10,08 + 32,00 = 102,13\\ \text{g mol}^{-1}.
  • massa molar do butanoato de metila \mathrm{C_{5}H_{10}O_{2}} (é isômero funcional do ácido, mesma fórmula):
102,13\\ \text{g mol}^{-1}.
  • massa molar do pentanal \mathrm{C_{5}H_{10}O}:
5\times12,01 + 10\times1,008 + 1\times16,00 = 60,05 + 10,08 + 16,00 = 86,13\\ \text{g mol}^{-1}.
  • massa molar da pentan-2-ona \mathrm{C_{5}H_{10}O}:
86,13\\ \text{g mol}^{-1}.
  • massa molar da propanona \mathrm{C_{3}H_{6}O}:
3\times12,01 + 6\times1,008 + 1\times16,00 = 36,03 + 6,05 + 16,00 = 58,08\\ \text{g mol}^{-1}.
Interpretação rápida: os compostos com fórmula \mathrm{C_{5}H_{10}O_{2}} são significativamente mais pesados ( 102,13\\ \text{g mol}^{-1}) que os de fórmula \mathrm{C_{5}H_{10}O} ( 86,13\\ \text{g mol}^{-1}), e muito mais pesados que a propanona ( 58,08\\ \text{g mol}^{-1}). Tudo mais igual, maior massa tende a aumentar o ponto de ebulição.

Passo 5

Análise funcional de cada composto (capacidades de interação intermolecular):
  • ácido pentanóico \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COOH}\right): possui grupo carboxila \mathrm{-COOH}. Pode atuar como:
    • doador de H em ligações de hidrogénio (H ligado ao O);
    • aceitador de H (pares livres no O);
    • forma dímeros por ligações de hidrogénio entre moléculas (um efeito que aumenta muito o ponto de ebulição). Além disso, tem cadeia C5 relativamente longa, portanto fortes forças de London também.
      Conclusão: apresenta ligações de hidrogénio fortes (e dimerização) + razoável massa → ponto de ebulição muito alto entre os listados.
  • butanoato de metila \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}COOCH_{3}}\right) (éster): possui dois oxigénios na função éster, mas NÃO tem hidrogênio ligado ao oxigénio (não é doador de H). Pode aceitar H-bond (um pouco) e tem polaridade moderada; sua massa molar é 102,13\\ \text{g mol}^{-1} (maior que aldeídos/bononas C5). Portanto:
    • sem doador H → sem ligações de hidrogénio intermoleculares fortes;
    • porém maior massa e polaridade razoável → forças de London maiores e dipolo–dipolo presentes → ponto de ebulição mais alto que aldeídos/ketonas de mesma cadeia C5.
  • pentanal \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHO}\right) (aldeído C5): tem grupo carbonila \mathrm{-CHO}, que é polar e aceita H-bond, mas não doa H (o H ligado ao carbono do grupo aldeído não conta como doador para H-bond significativa). Massa molar 86,13\\ \text{g mol}^{-1}. Conclusão: tem dipolo–dipolo e forças de London moderadas; ponto de ebulição maior que compostos menores, mas menor que éster com fórmula C5O2 e muito menor que ácido carboxílico.
  • pentan-2-ona \left(\mathrm{CH_{3}COCH_{2}CH_{2}CH_{3}}\right) (cetona C5): grupo carbonila central \mathrm{C=O} (aceptor) — aceita H-bond mas não doa. Massa molar igual a pentanal ( 86,13\\ \text{g mol}^{-1}). A diferença prática entre cetona e aldeído de mesma massa: pequenas diferenças de polaridade e forma podem alterar ligeiramente o ponto de ebulição; aldeídos frequentemente apresentam ponto de ebulição ligeiramente maior que cetonas isoméricas, porque a cadeia do aldeído é menos ramificada na porção próxima ao grupo funcional (no caso padronizado aqui, pentanal é linear terminal; pentan-2-ona tem o carbonila mais interna, aumentando ligeira ramificação e reduzindo superfície de contato). Portanto, espera-se pentanal com bp ligeiramente maior que pentan-2-ona, tudo o mais igual.
  • propanona \left(\mathrm{CH_{3}COCH_{3}}\right) (acetona): molécula pequena ( 58,08\\ \text{g mol}^{-1}), polar (cetona), aceita H-bond mas não doa, e tem forças de London fracas por ser pequena. Portanto terá o menor ponto de ebulição dentre os listados.

Passo 6

Comparações pares e conclusão lógica:
  • ácido pentanóico vs todos os outros: ácido tem ligações de hidrogénio fortes e dimerização + massa grande → claramente o maior ponto de ebulição.
  • entre butanoato de metila (éster, 102,13\\ \text{g mol}^{-1}) e os carbonilos C5 ( 86,13\\ \text{g mol}^{-1}): o éster é mais pesado e tem dois oxigénios (maior polaridade efetiva) embora não doa H; isso tende a fazê-lo ter ponto de ebulição maior que pentanal e pentan-2-ona.
  • entre pentanal e pentan-2-ona (mesma massa): ambos aceitam H-bond mas não doam; pentanal (aldeído terminal, linear) tem leve vantagem em interação dipolar e superfície de contato, então seu ponto de ebulição costuma ser ligeiramente maior que o da cetona correspondente (pentan-2-ona).
  • propanona é a menor e tem as forças intermoleculares mais fracas em conjunto → menor ponto de ebulição.
Portanto a ordem decrescente esperada (do maior para o menor ponto de ebulição) é:
  1. ácido pentanóico \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COOH}\right) — maior, por ligações de hidrogénio fortes e dimerização + cadeia C5.
  2. butanoato de metila \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}COOCH_{3}}\right) — grande massa molar e polaridade (éster C5, \mathrm{C_{5}H_{10}O_{2}}).
  3. pentanal \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHO}\right) — aldeído C5, dipolo–dipolo + dispersão.
  4. pentan-2-ona \left(\mathrm{CH_{3}COCH_{2}CH_{2}CH_{3}}\right) — cetona C5, ligeiramente menor bp que o aldeído isomérico.
  5. propanona \left(\mathrm{CH_{3}COCH_{3}}\right) — menor massa e apenas dipolo–dipolo/dispersion fracas → menor bp.

Resposta

ácido pentanóico \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COOH}\right)
butanoato de metila \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}COOCH_{3}}\right)
pentanal \left(\mathrm{CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHO}\right)
pentan-2-ona \left(\mathrm{CH_{3}COCH_{2}CH_{2}CH_{3}}\right)
propanona \left(\mathrm{CH_{3}COCH_{3}}\right)

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