2-(UFSM-RS) Relacione as substâncias da coluna A com os valores de Ka na coluna B .

Coluna A

  1. Ácido 4-nitrobenzoico
  2. Ácido benzoico
  3. 4-nitrotolueno
  4. Fenol
  5. 4-metilfenol
  6. 4-metiltolueno

Coluna B

a. 1,3 \times 10^{-10}
b. 6,3 \times 10^{-5}
c. 6,5 \times 10^{-11}
d. 3,8 \times 10^{-4}

Passo 1

O enunciado pede que eu relacione as substâncias da coluna A com os valores de K_a da coluna B. As informações dadas são:
  • Coluna A (substituições e compostos):
    1. Ácido 4-nitrobenzoico
    2. Ácido benzoico
    3. 4-nitrotolueno
    4. Fenol
    5. 4-metilfenol
    6. 4-metiltolueno
  • Coluna B (valores de K_a):
    a. 1,3 \times 10^{-10}
    b. 6,3 \times 10^{-5}
    c. 6,5 \times 10^{-11}
    d. 3,8 \times 10^{-4}
O que é pedido: associar cada substância (ou explicitar quando a associação não se aplica) a um dos valores de K_a listados.

Passo 2

O que é K_a e como ele mostra força ácida (aula rápida e prática).
  • K_a é a constante de dissociação ácida; para um ácido genérico HA em água:
HA \rightleftharpoons H^{+} + A^{-}
a definição é
K_a=\dfrac{[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}
  • Quanto maior K_a, mais o ácido se dissocia e, portanto, mais forte é o ácido.
  • Também usamos pK_a, definido por
pK_a = -\log_{10} K_a.
Um pK_a menor corresponde a um K_a maior (ácido mais forte). Vou usar essa ideia qualitativa: comparar K_a é a mesma coisa que comparar forças ácidas.

Passo 3

Como substituintes na anel aromático afetam a acidez (conselho prático).
  • Substituinte que retira densidade eletrônica do anel (grupo eletronegativo ou com efeito indutivo/resonante negativo), como -\mathrm{NO_2}, estabiliza a base conjugada A^{-} (distribui a carga negativa). Isso aumenta K_a (ácido fica mais forte).
  • Substituinte doador de elétrons, como o -\mathrm{CH_3} (metil), aumenta a densidade eletrônica e desestabiliza A^{-}, reduzindo K_a (ácido fica mais fraco).
  • Importante: o efeito depende do grupo ácido presente. Para um grupo carboxílico -\mathrm{COOH} e para um grupo fenol -\mathrm{OH} os efeitos ocorrem, mas compostos sem grupo ácido (p.ex. toluenos) não têm K_a significativo na faixa mostrada.

Passo 4

Aplicando a ideia aos benzoatos (grupo -\mathrm{COOH} ligado ao anel).
  • Comparação prática:
    • Ácido benzoico (sem substituinte) tem pK_a por volta de 4{,}2, que corresponde a
    K_a \approx 10^{-4{,}2}\approx 6{,}3\times 10^{-5},que é exatamente a opção b.
    • Ácido 4-nitrobenzoico (grupo -\mathrm{NO_2} na posição para) tem o -\mathrm{NO_2} que é forte retirador de elétrons; isso estabiliza a base conjugada e torna o ácido mais forte (maior K_a). Valores conhecidos colocam o K_a do 4-nitrobenzoico em torno de 3{,}8\times 10^{-4}, que corresponde à opção d.
  • Portanto: 2 \rightarrow b e 1 \rightarrow d.

Passo 5

Aplicando a ideia aos fenóis (grupo -\mathrm{OH} ligado ao anel).
  • Fenol simples tem pK_a próximo de 10, logo
K_a\sim 10^{-10},
um valor compatível com a opção a ( 1{,}3\times 10^{-10}).
  • Quando o fenol tem um grupo -\mathrm{CH_3} no anel (4-metilfenol, também chamado p-cresol), o metil é doador de elétrons; ele desestabiliza a base fenoxila A^{-}, diminuindo K_a. Assim, o K_a do 4-metilfenol é menor que o do fenol simples. A opção que é menor que 1{,}3\times 10^{-10} é c, que vale 6{,}5\times 10^{-11}. Então associamos: 4 \rightarrow a e 5 \rightarrow c.

Passo 6

E os toluenos (itens 3 e 6)?
  • 4-nitrotolueno e 4-metiltolueno são derivados do tolueno (grupo metil ligado ao anel) e não têm grupo ácido significativo como -\mathrm{COOH} ou -\mathrm{OH}. Na prática, eles não se comportam como ácidos em água na faixa de K_a apresentada (sequer entram nas opções: seus possíveis valores de acidez são extremamente pequenos, com pK_a muito altos).
  • Conclusão prática: para as opções dadas de K_a (que estão na faixa de fenóis e ácidos carboxílicos), não se pode atribuir um valor às substâncias 3 e 6 — elas não têm K_a relevante nessa escala. Portanto deixo 3 e 6 como “não aplicável (não são ácidos relevantes)”.

Passo 7

Resumo final das associações com justificativa curta:
  • Ácido 4-nitrobenzoico é mais ácido que o benzoico por efeito retirador do -\mathrm{NO_2} → maior K_a → opção d.
  • Ácido benzoico corresponde ao K_a típico → opção b.
  • Fenol corresponde ao K_a típico de fenol → opção a.
  • 4-metilfenol tem metil doador, torna-o menos ácido que o fenol → opção c.
  • 4-nitrotolueno e 4-metiltolueno não têm grupo ácido -\mathrm{COOH} ou -\mathrm{OH} ionizável na faixa dada → não se aplicam às opções.

Resposta

  1. d
  2. b
  3. Não se aplica (não é ácido relevante para as opções dadas)
  4. a
  5. c
  6. Não se aplica (não é ácido relevante para as opções dadas)

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