química organica

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16 CAPÍTULO 1 Neste capítulo Origem e evolução da Química Orgânica. Introdução à Química Orgânica. O carbono e as ligações covalentes. A evolução dos modelos estruturais de carbono. O modelo de Lewis. Carbono, um elemento muito especial Desde a Antiguidade, o ser humano procura explicações para o surgimento da vida e deseja descobrir formas de prolon- gá-la. A preocupação atual com a boa qua- lidade dos alimentos, a maneira correta de manipulá-los e armazená-los e o cuidado em verificar a data de validade que apa- rece nas embalagens – atitudes cada vez mais frequentes entre os consumidores esclarecidos – demonstra a necessidade de se cuidar da saúde em busca de bem- -estar e vida longa. A maior parte das substâncias presentes em nossa alimentação, seja ela provenien- te de produtos “orgânicos” (cultivados sem agrotóxicos ou pesticidas) ou “não orgânicos” (cultivados de forma tradicio- nal), apresenta átomos de carbono em sua constituição. Esse elemento químico tam- bém está presente em muitos alimentos industrializados, que contêm conservan- tes, aromatizantes, corantes, etc. O que torna o carbono um elemento tão versátil a ponto de fazer parte de uma imensa variedade de produtos naturais e industrializados? Por que nos organismos animais e vegetais encontramos tantas substâncias que possuem átomos de car- bono em sua constituição? Por que nos alimentos o número de compostos que contêm átomos de carbono é maior que o número dos que não o contêm? Este capítulo apresenta um ramo da Química muito abrangente: a Química Or- gânica. Ela estuda os derivados de petró- leo, como as substâncias que compõem a gasolina e o óleo diesel; os biocombustíveis, como o álcool etílico; os ácidos orgânicos, como o ácido acético presente no vinagre; os açúcares, como a sacarose e a glicose; as macromoléculas naturais, como as proteí- nas, as gorduras, o amido e a celulose; e as macromoléculas artificiais, como o polieti- leno, o náilon e os poliésteres. > Os compostos orgânicos estão presentes nos legumes, na carne e no trigo usado para fazer o pão.

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Page 1: Química organica

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Capítulo

1Neste capítuloOrigem e �evolução da Química Orgânica.Introdução à �Química Orgânica.O carbono e �as ligações covalentes.A evolução �dos modelos estruturais de carbono.O modelo de �Lewis.

Carbono, um elemento muito especial

Desde a Antiguidade, o ser humano procura explicações para o surgimento da vida e deseja descobrir formas de prolon-gá-la. A preocupação atual com a boa qua-lidade dos alimentos, a maneira correta de manipulá-los e armazená-los e o cuidado em verificar a data de validade que apa-rece nas embalagens – atitudes cada vez mais frequentes entre os consumidores esclarecidos – demonstra a necessidade de se cuidar da saúde em busca de bem- -estar e vida longa.

A maior parte das substâncias presentes em nossa alimentação, seja ela provenien-te de produtos “orgânicos” (cultivados sem agrotóxicos ou pesticidas) ou “não orgânicos” (cultivados de forma tradicio-nal), apresenta átomos de carbono em sua constituição. Esse elemento químico tam-bém está presente em muitos alimentos industrializados, que contêm conservan-tes, aromatizantes, corantes, etc.

O que torna o carbono um elemento tão versátil a ponto de fazer parte de uma imensa variedade de produtos naturais e industrializados? Por que nos organismos animais e vegetais encontramos tantas substâncias que possuem átomos de car-bono em sua constituição? Por que nos alimentos o número de compostos que contêm átomos de carbono é maior que o número dos que não o contêm?

Este capítulo apresenta um ramo da Química muito abrangente: a Química Or-gânica. Ela estuda os derivados de petró-leo, como as substâncias que compõem a gasolina e o óleo diesel; os biocombustíveis, como o álcool etílico; os ácidos orgânicos, como o ácido acético presente no vinagre; os açúcares, como a sacarose e a glicose; as macromoléculas naturais, como as proteí-nas, as gorduras, o amido e a celulose; e as macromoléculas artificiais, como o polieti-leno, o náilon e os poliésteres.

> Os compostos orgânicos estão presentes nos legumes, na carne e no trigo usado para fazer o pão.

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1. Introdução à Química OrgânicaO termo “orgânico” foi inicialmente associado a substâncias originadas

de organismos animais ou vegetais. Com exceção da água, que constitui aproximadamente 70% (m/m) desses organismos, a quase totalidade dos demais compostos a eles associados contêm átomos de carbono.

A Química Orgânica é entendida, hoje, como a parte da Química que estuda os compostos de carbono. O metanol (CH4O), por exemplo, é uma substância que pode ser obtida pela reação entre monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2), substâncias inorgânicas:

CO(g) 1 2 H2(g) CH4O(º)

Mesmo assim, o metanol é considerado um composto orgânico. Entretanto, algumas substâncias que apresentam átomos de carbono têm

origem mineral e, portanto, são estudadas pela Química Inorgânica. São elas o carbonato de cálcio, CaCO3, presente no mármore; o dióxido de carbono, CO2, presente em pequena concentração na atmosfera e um dos responsáveis pelo agravamento do efeito estufa; o hidrogeno-carbonato de sódio, NaHCO3, substância usada como antiácido e como fermento químico; e outras.

Alguns compostos orgânicos têm sido utilizados no desenvolvimento tecnológico da humanidade. Um exemplo disso é o uso de biocombustíveis, que apresentam menor relação custo-benefício (do ponto de vista energé- tico e ambiental).

O esquema ao lado mostra as duas principais divisões da Química e as substâncias mais comumente relacionadas a cada uma delas.

os compostos podem ou não

ter carbono

• alcoóis• açúcares • proteínas • enzimas • petróleos • óleos• gorduras

• plásticos • medicamentos• cosméticos

Orgânica

Química

compostos sem átomos de carbono: • ácidos • bases • sais • óxidos • metais

compostos com átomos de carbono: • ácido carbônico

(H2CO3) • carbonatos

(C O 3 2 )

• bicarbonatos (HC O 3

) • gás carbônico

(CO2) • monóxido de

carbono (CO)

naturais

os compostos devem necessariamente

ter carbono

artificiais ou sintéticos

Inorgânica

Saiba mais

Ciclo do carbono e o aquecimento global[...] A grande maioria dos compostos químicos existentes na atmosfera tem carbono na sua composição. Ele está na

água, na terra, nos seres vivos e no ar desde o início da formação do planeta.[…] Rochas e outros sedimentos têm toneladas de carbono armazenadas. Com a Revolução Industrial, enormes quan-

tidades desse elemento, por meio da queima de combustíveis fósseis, têm sido expelidas para a atmosfera na forma de gás carbônico, o que aumenta as consequências funestas* do efeito estufa. Segundo o IPCC (Painel Internacional de Mudanças Climáticas), somente entre os anos de 1980 e 1998, houve um aumento de 65% das emissões de CO2 no planeta.

[…] A principal fonte de absorção de carbono são as plantas, por meio da fotossíntese, por isso, a importância que é dada hoje ao reflorestamento.

[…] Os oceanos também absorvem esse elemento químico. Enquanto apenas as plantas e os oceanos absor-vem o carbono, vários outros fatores emitem o carbono. É o caso das fábri-cas, dos automóveis, das árvores quei-madas, dos incêndios, dos vulcões e dos seres vivos em geral [...].IndrIunas, Luís. Como funciona o ciclo do carbono. Disponível em: <http://ambiente.hsw.uol.com.br/ciclo-carbono.htm>. Acesso em: 19 jan. 2010.

* Nota: O termo “funestas” significa, neste contexto, prejudiciais.

organismos marinhos3

mudança deuso do solo

queima decombustíveisfósseis5,5

águassuperficiais1020

águassuperficiais1020

águas intermediáriase profundas

38000-40000

solo ematéria orgânica

1600

camadas de carvão3000

sedimentos marinhos erochas sedimentares

66000000-100000000campos de petróleo e gás

300sedimentos

de superfície150

vegetação terrestre540/610

atmosfera750

crescimento edecomposição

de plantas606060 616161

1,5

90 92

40

10010010010010011 00000100 22222929292929292

66666 44444

carbono orgânicodissolvido

carbono orgânicodissolvido

águas intermediáriase profundas

38000-40000

0,5

Relação entre unidades arbitrárias de carbono liberadas para a atmosfera (↑),

retiradas da atmosfera (↓) ou presentes no subsolo.

>

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Carbono, um elemento muito especial 1

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A Teoria da Força Vital  

Existirmos: a que será que se destina?

Pois quando tu me deste a rosa pequenina

Vi que és um homem lindo e que se acaso a sina

Do menino infeliz não se nos ilumina

Tampouco turva-se a lágrima nordestina

Apenas a matéria vida era tão fina

Disponível em: <http://vagalume.uol.com.br/caetano-veloso/cajuina.html>. Acesso em: 30 abr. 2010.

O trecho acima foi retirado da letra da canção “Cajuína”, de Caetano Ve-loso. As frases destacadas refletem, de maneira sintética, as grandes dúvidas do ser humano sobre a vida.

A primeira faz menção à nossa existência e lança uma pergunta a respei-to do significado da vida. Há muitas teorias que tentam explicar como sur-giu a vida na Terra.

A segunda destaca a fragilidade dos processos que mantêm a vida.O planeta Terra possui uma variedade imensa de formas de vida, tanto

animal como vegetal. O que poderia diferenciar a matéria com vida da ma-téria inanimada, como as rochas, por exemplo?

No século XVIII, Lavoisier descobriu que muitos dos compostos encon-trados nos seres vivos tinham em comum o fato de serem constituídos por partículas de carbono.

Jöns Jacob Berzelius, famoso químico sueco que muito contribuiu para o desenvolvimento da Química, foi o primeiro a estabelecer uma separação referente à Química Orgânica.

Berzelius foi o responsável por difundir no meio científico a Teoria do Vitalismo, segundo a qual os processos nos quais a vida é desencadeada surgiriam a partir dos materiais que estão presentes nos seres vivos e de um conteúdo não material que não poderia ser criado pelo ser humano. Esse conteú do não material foi chamado de força vital.

A Teoria da Força Vital era um empecilho para o desenvolvimento da Química Orgânica, pois acreditava-se que somente a partir de organismos vivos seria possível extrair substâncias orgânicas. De acordo com Berze-lius, a força vital é inerente à célula viva, e os cientistas não poderiam criá-la em laboratório.

Nascimento e evolução da Química Orgânica  Em 1828, Friedrich Wöhler, um dos discípulos de Berzelius, sintetizou,

de forma acidental, um composto orgânico chamado ureia, comumente encontrado na urina e no sangue.

A reação feita por Wöhler pode ser representada pela equação química abaixo, na qual o cianato de amônio é aquecido:

NH4CNO (NH2)2CO

cianato de amônio ureia

O trabalho de Wöhler foi questionado, pois ele obteve o cianato de amô-nio a partir de materiais orgânicos, como chifres e sangue. Quase vinte anos depois, com os trabalhos de Kolbe, que produziu ácido acético a partir de seus elementos, os vitalistas foram por fim “vencidos”.

A Química Orgânica começou então sua evolução com o desenvolvi-mento de novos estudos tanto no que diz respeito ao isolamento e à identi-ficação de compostos como às maneiras de prepará-los em laboratório.

Química tem história

Jöns Jacob Berzeliuse Friedrich Wöhler

[...] Berzelius tornou-se professor de Botânica e Farmácia em Estocol-mo (1807). Estabeleceu a diferença entre a química mineral e a orgâni-ca (1806) e entrou para a Acade-mia Real de Ciências de Estocolmo (1808), tornando-se secretário per-pétuo (1818), ano em que publicou a primeira versão de sua tabela de pesos atômicos com relação ao oxi-gênio, que tinha peso 100, quando já tinha determinado o peso mole-cular de cerca de 2 mil compostos químicos. [...]1

[...] Wöhler nasceu perto de Frankfurt, Alemanha. Obteve a gra-duação em Medicina (Heidelberg, 1823), sem nunca tê-la praticado. Cativado pela Química, ele passou um ano pesquisando com Berze-lius em Estocolmo. Embora, prova-velmente, nunca tenha frequentado um curso de Química, Wöhler ensi-nou essa matéria na escola técnica de Berlim. Em 1836 ele foi indica-do professor de Química da Uni-versidade de Göttingen, onde, daí em diante, permaneceu o resto de sua vida.

Wöhler era um professor e orador marcante. Os alunos o caracte rizavam como tendo uma personalidade ami-gável. Ele escreveu textos excelentes de química orgânica e inorgânica que foram traduzidos e editados.2

Fontes de pesquisa: 1 Disponível em: <http://www.dec.ufcg.edu.

br/biografias/JonsBerz.html>. Acesso em: 26 jun. 2009.

2 Traduzido pelo editorial. Disponível em: <http://www2.chemistry.msu.edu/Portraits/PortraitsHH_Detail.asp?HH_LName=Wöhler>. Acesso em: 26 jun. 2009.

> Wöhler (1800-1882).

> Berzelius (1779-1848).

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Análise e síntese  Quando se deseja estudar compostos orgânicos, dois procedimentos são

essenciais em um laboratório: a análise e a síntese. A análise consiste em isolar e identificar os compostos químicos presen-

tes em um determinado material. Isso acontece, por exemplo, com a extra-ção de produtos naturais de plantas. A análise qualitativa de uma essência vegetal pressupõe a separação das substâncias que a constituem, seguida da identificação de cada uma delas. Essa identificação é feita por meio de uma análise química, que pode envolver métodos convencionais ou o uso de instrumentos com moderna tecnologia. A análise quantitativa, que ge-ralmente complementa a anterior, tem por finalidade determinar o teor de cada componente em uma mistura.

Na síntese, por sua vez, procura-se produzir, em laboratório, materiais com características idênticas ou muito parecidas às dos compostos natu-rais ou, ainda, materiais inexistentes na natureza e com características es-pecíficas. É isso que ocorre, por exemplo, na produção de borracha sin-tética. Os medicamentos fabricados pela indústria farmacêutica, como o ácido acetilsalicílico (antitérmico) e a anfetamina (antidepressivo), e os produtos fabricados pela indústria química, como o fenileteno (matéria- -prima para fabricação de poliestireno) e o butanoato de etila (usado para conferir sabor de morango a doces e refrigerantes), são exemplos de pro-cessos de síntese.

Química Orgânica hoje  A Química Orgânica é entendida, hoje, como a Química que estuda a

maior parte dos compostos de carbono, apesar de muitos desses compostos não estarem associados a organismos vegetais ou animais.

Teia de conhecimentos

A identificação de substâncias orgânicas

Um problema comum em aná-lise química, tanto orgânica quan-to inorgânica, ocorre quando há amostras desconhecidas ou mis-turas complexas.

Métodos analíticos convencio-nais muitas vezes não são satisfató-rios para as análises mais difíceis.

Cromatógrafos, espectrômetros de massa e espectrofotômetros são instrumentos utilizados pe-los cientistas e por grandes indús-trias para identificar materiais e realizar testes de controle de qua-lidade de seus produtos.

Esses aparelhos são acoplados a computadores que identificam os sinais produzidos e fornecem ao analista a informação necessá-ria para interpretar os resultados.

> Espectrômetro de massa.

Atualmente são conhecidas mi-lhares de substâncias orgânicas. O gráfico ao lado mostra, ao longo do tempo, a evolução dos compostos de carbono e indica claramente que a quantidade de compostos conheci-dos aumentou de forma considerável à medida que novos equipamentos e técnicas de síntese e de análise foram desenvolvidos.

Para racionalizar o estudo de um tema tão abrangente, os compostos orgânicos foram subdivididos em gru-pos, chamados funções orgânicas.

> À esquerda, carbonato de cálcio, CaCO3, substância inorgânica. À direita, café, mistura que contém a substância orgânica cafeína, C8H10N4O2.

Ano

Núm

ero

de c

ompo

stos

12 000 150 000500 000

5 500 000

7 000 000

1 000 000

2 000 000

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Compostos orgânicos conhecidos

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O que significa a expressão “Química Orgânica”?1.

Por que se acreditava que os compostos orgânicos 2. não poderiam ser sintetizados em laboratório? O que se imaginava haver na matéria viva?

Qual era o nome da teoria que tentava explicar a 3. existência de compostos de carbono nos organis-mos vivos?

O que levou os cientistas a abandonar a Teoria da 4. Força Vital?

Como se chama o processo pelo qual são desco-5. bertas as estruturas dos compostos orgânicos?

É possível obter compostos orgânicos de maneira 6. artificial? Como?

Compare a Química Orgânica com a Química Inorgâ-7. nica no que diz respeito aos compostos de carbono.

Dê exemplos de substâncias que, apesar de apre-8. sentarem átomos de carbono em sua estrutura, são estudadas pela Química Inorgânica.

Por que a Química Orgânica levou tanto tempo 9. para se desenvolver como ciência investigativa?

Por que a síntese de Wöhler teve papel importan-10. te no desenvolvimento da Química Orgânica?

Faça uma comparação entre o conceito da Quími-11. ca Orgânica na Antiguidade e na época atual.

A reação de obtenção da ureia feita por Friedrich 12. Wöhler, considerada o marco inicial do desenvolvi-mento da Química Orgânica, é um exemplo de que tipo de procedimento?

Entre os processos relacionados abaixo, atribua 13. A para método de análise e S para método de síntese.a) Determinação do princípio ativo de um medi-

camento.b) Investigação de fraude em combustíveis.c) Fabricação de plástico para embalagem.d) Produção de medicamentos.

Faça com seus colegas uma pesquisa sobre a na-14. tureza química de cada um dos compostos abaixo e classifique-os em orgânico ou inorgânico.a) cal de construção b) gasolina c) glicose d) tubos de PVC encontrados em construção e) leite de magnésiaf) óleo de milho

Classifique os materiais a seguir como orgânicos 15. — que contêm átomos de carbono — ou inorgânicos que não contêm átomos de carbono.a) Grafita.

b) Açúcar.

c) Óleo vegetal. d) Álcool.

e) Sal de cozinha. f) Soda cáustica.

AtividadesResponda a todas as questões em seu caderno.

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2. O carbono e as ligações covalentes Como o carbono é o elemento presente em todas as moléculas de subs-

tâncias orgânicas, as características dele são fundamentais para entender-mos as propriedades que essas substâncias apresentam.

O carbono é tetravalente  Em 1857, Friedrich August Kekulé von Stradonitz, baseando-se em es-

tudos experimentais, propôs e confirmou a tetravalência do carbono.Hoje podemos justificar essa tetravalência com base no número de elé-

trons que o carbono apresenta na camada de valência. Como seu número atômico é 6, o número de elétrons na primeira ca-

mada é 2, e na camada de valência, 4.

> O átomo de carbono: Z 6, A 12. Cores-fantasia.

Química tem história

Friedrich August Kekulé von Stradonitz

Químico alemão nascido em Darmstadt, Hesse, que concebeu a estrutura da molécula de benzeno em forma de anel (1865). Estudou na Universidade de Giessen, onde iniciou estudando Arquitetura, mas sob a influência de Justus von Lie-big resolveu dedicar-se à Química.

Depois de se doutorar (1852), foi estagiar em Paris, com Charles Gerhardt, e depois em Londres. Nomea do professor da Universidade de Heidelberg, na Alemanha (1856), lá estabeleceu a quadrivalência do carbono (1857), simultaneamente e independentemente com o escocês Archibald Scott Couper.

Assumiu a cadeira de Química na Universidade de Gand, na Bél-gica (1858) e lá confirmou que o carbono era tetravalente e que os átomos do elemento podiam se as-sociar para formar longas cadeias.

Um dos criadores do importan-te conceito de valência (1858), do latim valens força, quando se mudou para Bonn (1865), apre-sentou a representação hexagonal do benzeno. […]

Disponível em: <http://www.dec.ufcg.edu.br/biografias/FriedAuK.htm>. Acesso em: 26 jun. 2009.

> Friedrich August Kekulé von Stradonitz (1829–1896).

O fato de o carbono possuir quatro elétrons na última camada confere a ele a capacidade de formar um total de quatro ligações para adquirir con-figuração eletrônica de gás nobre e, segundo o modelo do octeto, adquirir estabilidade. As ligações que o carbono forma com outros ametais são liga-ções covalentes, ou seja, cada átomo compartilha quatro pares de elétrons e pode se ligar com até quatro átomos de outros elementos químicos. O car-bono, portanto, é tetravalente.

O carbono pode formar ligações múltiplasAs possibilidades que o átomo de carbono tem de formar suas quatro li-

gações e adquirir configuração eletrônica de um gás nobre são:

quatro ligações simples; �

duas ligações simples e uma ligação dupla; �

duas ligações duplas; �

uma ligação simples e uma ligação tripla. �

Observe que, em todos os casos, o átomo de carbono faz quatro liga-ções covalentes:

C CCC

ligações ligações ligações ligações simples simples e duplas duplas simples e tripla

Exemplos:

CC

OHOH

H

OH OH

H

C

H

OH

C

H

H2C C

O

H

O C

NH2

NH2

fórmula estrutural da ureia fórmula estrutural da glicose

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Page 7: Química organica

Carbono, um elemento muito especial 1

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Faça a representação de Lewis para uma molécula orgânica na qual dois átomos de carbono se ligam en-16. tre si por meio de uma ligação tripla. A ligação restante para cada carbono é feita com o hidrogênio.

Solução

A molécula em questão corresponde ao etino, que pode ser representado por:

CC HH

A estrutura de Lewis para o etino pode ser escrita assim:

CC HH

O importante na representação de Lewis é mostrar o número de elétrons da camada de valência para cada átomo e como o compartilhamento é feito de acordo com o modelo do octeto.É preciso destacar que, com o hidrogênio, somente dois elétrons podem ser compartilhados, pois ele apre-senta apenas uma camada eletrônica.

O carbono tem facilidade em formar cadeiasA peculiaridade do carbono reside na facilidade

que seus átomos têm para se unir e formar cadeias de variados tamanhos e formas. Veja um exemplo de molécula que apresenta uma cadeia carbônica:

HC

CH

CHHC

CHHC

O quadro a seguir apresenta alguns exemplos de ca-deias carbônicas.

Cadeias abertas

Cadeias cíclicas

cadeia ramificada

C

C

C C

C

C

cadeia normal

CC C C

cadeias aromáticas

ou

cadeias não aromáticas

Evolução da fórmula estrutural  do carbonoO modelo de LewisEm 1916, Gilbert Newton Lewis, um químico esta-

dunidense, publicou um trabalho no qual representava cada ligação covalente por meio de um par de elétrons da camada de valência dos átomos envolvidos.

A representação da estrutura eletrônica dos átomos feita por Lewis para moléculas orgânicas consiste em escrever todos os elétrons da camada de valência para cada átomo de maneira explícita. Em seguida, as ligações covalentes são representadas por meio do compartilhamento entre os átomos, procurando sempre obedecer à regra do octeto.

Essa representação foi denominada fórmula eletrôni-ca de Lewis. Nela, a formação da ligação covalente se dá sempre com o objetivo de que os átomos alcancem a configuração de gás nobre por meio do compartilha-mento de elétrons.

Observe a representação de Lewis e a fórmula estru-tural de algumas moléculas orgânicas:

Representação de Lewis Fórmula estrutural

Metano (CH4) C

H

H

H H HCH

H

H

Eteno (C2H4) C C

H H

H H CCH

H H

H

Etanol (C2H5OH)

C C O

H H

H H

H H CCH

H

H

H

H

OH

Note que, no caso do etanol, o oxigênio apresenta dois pares de elétrons que não se ligam. Esse fator será importante para determinar a estrutura das moléculas.

Exercício resolvido

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Formas de representação  de uma molécula orgânica As moléculas orgânicas podem ser representadas de várias formas. Va-

mos considerar dois exemplos: o propano e o propeno. As formas mais co-muns de representação dessas moléculas são:

Estrutura tridimensional � . Representa-se a estrutura tridimensional das ligações simples dos átomos da molécula na forma tetraédrica, e as liga-ções duplas são representadas no plano:

C

C

C

C

C

C

propano propeno

Ligações planares, com átomos de hidrogênios ocultos ou não � . Todas as ligações da molécula são mostradas no plano. Os átomos de hidrogê-nios podem ser apresentados de maneira explícita ou deixados ocultos:

CC C

(hidrogênios ocultos)

propano CCH

H

H

H

H

C

H

H

H

(hidrogênios explícitos)

propeno

(hidrogênios ocultos)

CC C

(hidrogênios explícitos)

CCH

H

C

HH

H

H

Ligações ocultas � . Os átomos da molécula são apresentados, e as liga-ções ficam apenas indicadas de acordo com o número átomos de hi-drogênio ligados a cada átomo de carbono.

CH3CH2CH3 CH2CHCH3

propano propeno

Forma semiexplícita. � Apenas as ligações entre os átomos de carbono são apresentadas de forma explícita.

H3C CH2 CH3 CH2 CH CH3

propano propeno

Átomos ocultos � . Apenas as ligações são representadas.

propano propeno

Fórmula molecular � . Indica o número de átomos de cada elemento pre-sente na molécula.

C3H8 C3H6

propano propeno

Teia de conhecimentos

A representação dasmoléculas em Química Computacional

Computadores têm sido cada vez mais utilizados em diversos ramos da ciência para auxiliar os estudiosos a resolver problemas.

Em Química não é diferente. A Química Computacional é uma ferramenta empregada por quí-micos de todas as áreas. Com-putadores são usados para criar modelos de moléculas e para si-mular suas propriedades, como eletronegatividade, energia, car-ga nos átomos, entre outras.

O desenvolvimento da Quími-ca Computacional também está associado ao desenvolvimento de modelos cada vez mais sofistica-dos para a representação gráfica de moléculas.

Alguns exemplos:

> Representação computacional de modelo bola e bastão para uma molécula de fenol. Cores-fantasia.

C6H6O

> Representação computacional de uma proteína. Cores-fantasia.

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A geometria das moléculas orgânicas de acordo  com o modelo da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência A geometria das moléculas orgânicas e consequentemente a represen-

tação tridimensional delas pode ser prevista por meio dos elétrons de va-lência. Para isso, será usado o modelo da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência, já visto no capítulo 11 do volume 1 para compostos inorgânicos.

De acordo com esse modelo, os pares de elétrons da camada de valência de um átomo em uma molécula tendem a se distanciar o máximo possível uns dos outros, devido a forças de repulsão entre si.

Quando temos quatro pares de elétrons compartilhados, como é o caso do metano (CH4), a estrutura tetravalente é tetraédrica, pois essa forma geométrica é a que apresenta maior distância entre os átomos de hidrogê-nio, que se posicionam nos vértices do tetraedro.

Para aplicar o modelo de repulsão de pares eletrônicos às moléculas or-gânicas, podemos seguir alguns passos:

1o) Escrever a estrutura de Lewis para todos os átomos da molécula.2o) Considerar para a determinação da geometria todos os pares de elétrons

do átomo central, compartilhados ou não. 3o) Encontrar a geometria na qual os elétrons da camada de valência do

átomo central fiquem o mais longe possível uns dos outros.

A seguir, alguns exemplos de geometria de moléculas orgânicas e seus respectivos ângulos de ligação (cores-fantasia):

Modelo da repulsão dos pares eletrônicos na camada de valência (RPECV)

Esse modelo foi desenvolvido com o objetivo de prever a geo-metria da molécula por meio de sua fórmula eletrônica.

Em qualquer ligação covalen-te, os pares de elétrons da cama-da de valência tendem a ficar o mais afastados possível uns dos outros, uma vez que exercem re-pulsão entre si.

No caso de ligação dupla ou tripla, os pares de elétrons en-volvidos comportam-se como se fossem um único par, pois devem estar localizados na mesma re-gião do espaço, entre os dois áto-mos envolvidos na ligação.

Você se lembra?

Saiba mais

Se consultarmos as energias de ligação indicadas abaixo,

C C 2 C E1

C C C C E2

constataremos que E1 E2. Conclui-se que é mais difícil

quebrar uma ligação simples carbo-no carbono e separar os átomos do que quebrar uma das ligações da dupla carbono carbono.

A consequência disso é que os compostos com duplas ou triplas ligações entre os átomos de car-bono são mais reativos e as subs-tâncias que apresentam somente ligações simples entre carbonos são mais estáveis.

A ligação simples entre átomos de carbono é chamada ligação sig-ma (). Na dupla (C C), uma das ligações é chamada de sigma e a outra, de pi (p). É, portanto, mais fácil quebrar a ligação pi do que a sigma. Quando entre dois áto-mos de carbono há uma tripla liga-ção, uma delas é sigma e as outras duas são pi.

Esta tabela pode ser útil para determinar a geometria de boa parte das moléculas orgânicas.

Tipo de ligaçãodo átomo central

Disposição espacialdas ligações

Geometriadas ligações

Ângulo de ligação

C Tetraédrica 109,5°

C Trigonal plana 120°

C Linear 180°

C Linear 180°

109,5°

109,5°121,8°

116,5°

121,4°

117,2°

HCH

H

H

metanoetileno

CCH

HH

H

formaldeído

C

H

HO

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Page 10: Química organica

25

Ligações de carbono com outros elementos químicos  O número de ligações que o carbono forma nos compostos orgânicos é fixo: são sempre qua-

tro ligações. O nitrogênio, na maior parte das vezes, forma três ligações; o oxigênio, duas liga-ções; e o hidrogênio forma apenas uma, assim como o cloro e os outros halogênios.

A tabela a seguir mostra os principais elementos formadores da matéria orgânica e quantas ligações covalentes podem formar.

Elemento

Número de elétrons na camada de valência

Número de ligações

covalentes possíveis

Possibilidades

H 1 1 H

C 4 4 C CC C

N 5 3 N NN

S 6 2 S S

O 6 2 O O

Halogênios 7 1 F Cº Br I

O átomo de carbono pode ainda ligar-se a átomos de elementos metálicos. Quando há pelo menos uma ligação direta entre o átomo carbono e o de metal, temos a formação de um com-posto organometálico.

Dentre os metais que podem se ligar ao átomo de carbono estão os alcalinos e os alcalino- -terrosos, como o lítio e o magnésio, respectivamente, e metais de transição, como o ferro e a platina.

Geometria das estruturas em que onitrogênio e o oxigênio são átomos centrais

N Piramidal 107°

O Angular 104,5°

N

O

N

Co

C4H9

CH3

CH3

H3C

H3C

H O

O H O

N N

N

Estrutura da n-butil (piridil)cobaloxima, um exemplo de composto organometálico empregado para esclarecer o mecanismo que controla a atividade do complexo B12.>

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Page 11: Química organica

Carbono, um elemento muito especial 1

26

De acordo com o número atômico do carbono 18. (Z 6), qual é o número de ligações que esse elemento químico pode fazer?

Por que o carbono pode formar cadeias de diversos 19. tipos?

Quando átomos de carbono se ligam a átomos de 20. elementos não metálicos, como as ligações podem variar?

De acordo com o modelo de Lewis, como as liga-21. ções covalentes podem ser representadas?

Represente as estruturas de Lewis para os compos-22. tos a seguir.a) etano, C2H6

b) metanol, CH3OHc) propanona, CH3COCH3

Os compostos orgânicos apresentam estrutura tri-23. dimensional. Como é possível prever a forma espa-cial dos compostos orgânicos?

Qual a característica das ligações covalentes em 24. que o átomo de carbono está ligado a um elemento muito eletronegativo?

Dos compostos apresentados a seguir, represente 25. a fórmula estrutural indicando todas as ligações da molécula, incluindo os átomos de hidrogênio.

a)

OH

b) CH3CH3COH

c) CH3F

d) CH3CSCH2CH3

Para as estruturas representadas no exercício an-26. terior,

a) escreva a fórmula molecular para cada uma de-las (acrescente os átomos de hidrogênio que fal-tam nas ligações);

b) indique os polos positivos e negativos entre os átomos de carbono e os de oxigênio, entre os de carbono e os de flúor e entre os de carbono e os de enxofre.

AtividadesResponda a todas as questões em seu caderno.

Indique qual é o tipo de representação dada para 17. os compostos a seguir e escreva a fórmula mole-cular para cada um deles.

a)

b) (CH3)3CH

c)

d)

Solução

a) Esse composto está representado apenas pe-las suas ligações químicas. Corresponde a um ciclo com sete átomos de carbono e duas liga-ções duplas. Assim, a fórmula molecular cor-respondente é C7H10.

b) Nesse caso, temos a notação na qual os áto-mos estão explícitos, mas as ligações estão ocultas. Os parênteses significam que o gru-po CH está ligado a três grupos CH3, comple-tando as quatro ligações covalentes simples do átomo de carbono. Sua fórmula molecular é C4H10.

c) Aí temos a molécula representada em sua fórmula tridimensional, com a estrutura te-traédrica do átomo de carbono mostrada de forma explícita. A fórmula molecular desse composto também é C4H10.

d) Essa molécula está representada na forma plana, com as ligações e átomos explícitos, porém com os átomos de hidrogênio ocultos. A fórmula molecular desse composto também é C6H12O.

Exercícios resolvidos

C

C

H

C

HH HH

C

H

HH

H H

CC C C

C

C O

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Page 12: Química organica

27

ExperimentalAtividade

Geometria molecularObjetivo

Determinar os ângulos de ligação do átomo de carbono e como ele pode se ligar a outros átomos de carbono para formar cadeias e anéis.

Procedimentos

Materialfolhas de papel sulfite �

ou cartolina

10 cm

0,5 cm

11 cm 11 cm

11 cm 11 cm

1. Pegue uma folha de papel sulfite ou cartolina e, usando uma régua, desenhe a figura abaixo.

2. Recorte a figura e dobre-a nas linhas tracejadas.

3. Cole as abas do poliedro. O sólido formado deverá ter o mesmo aspecto da fi-gura ao lado.

4. Faça pelo menos seis desses modelos. Depois procure dispô-los de modos di-ferentes, para que você visualize, por exemplo, cadeias carbônicas lineares e cíclicas.

Analise e discuta 1. O tetraedro feito com papel ou cartolina pode representar a molécula de metano (CH4). Nesse caso,

em que posições do tetraedro estariam o átomo de carbono e os quatro átomos de hidrogênio?

2. Desenhe a molécula de metano utilizando esferas para representar os átomos de hidrogênio e de carbono e traços para representar as ligações covalentes entre esses átomos.

3. Represente a molécula de metano, da questão 2, dentro de um tetraedro.

4. A geometria tetraédrica é característica de estruturas em que um átomo central se liga a quatro li-gantes. Faça uma cadeia com três dos modelos feitos neste experimento e desenhe em seu cader-no uma cadeia com três átomos de carbono e seus respectivos átomos de hidrogênio, utilizando os símbolos (C para cada carbono e H para cada hidrogênio) e traços ( ) para representar as ligações covalentes entre esses átomos.

tesoura �

cola �

régua �

lápis �

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Page 13: Química organica

Questões globais

ATENçãO: não escreva no livro. Responda a todas as questões

em seu caderno.

Carbono, um elemento muito especial 1

28

A síntese de Wöhler é considerada o marco inicial 27. do desenvolvimento da Química Orgânica. Por cau-sa dela ocorreu a “queda” da Teoria da Força Vital. Dada a reação de Wöhler:

NH4CNO (NH2)2CO

classifique o reagente e o produto como orgânico ou inorgânico, com as respectivas subdivisões.

Após sintetizar a ureia, como Friedrich Wöhler pode 28. ter descoberto que se tratava desse composto?

Em sua casa, provavelmente há uma série de pro-29. dutos químicos, entre eles produtos de limpeza, alimentos, etc. Dê exemplos de produto químico orgânico e de inorgânico.

Ainda sobre os materiais que você pode encontrar 30. no ambiente doméstico, indique os que são orgâni-cos naturais e os que são orgânicos artificiais.

De acordo com seu conhecimento sobre as ligações 31. químicas, e sabendo que o carbono possui quatro elétrons na última camada, responda.a) Para seguir o modelo do octeto, o átomo de car-

bono perde elétrons, ganha elétrons, ou estes são compartilhados quando ele se liga a outros ametais?

b) Qual é a natureza da ligação química do átomo de carbono com os átomos de ametais?

A pesquisa sobre produtos naturais engloba muitas 32. fases. O produto precisa inicialmente ser extraído de sua origem, como uma planta, por exemplo. Para isso, uma série de procedimentos experimentais é utilizada. Em seguida, os cientistas precisam iden-tificar as substâncias presentes no extrato. Como se chama esse processo de identificação e qual é seu objetivo?Considere o texto a seguir para responder às questões 33 e 34.A vitamina C é muitas vezes administrada em pas-tilhas efervescentes. Se examinarmos a bula de um desses medicamentos, encontraremos vários com-postos, entre eles corantes e essências, hidróxido de sódio e bicarbonato de sódio. O nome técnico da vitamina C encontrado nas bu-las é ácido ascórbico, cuja fórmula estrutural pode ser apresentada assim:

OOH

HO OH

HOO

ácido ascórbico

Apesar de a vitamina C ser naturalmente encon-33. trada em alimentos, ela também é produzida em laboratório. Que tipo de procedimento é necessário para isso?

Escreva a fórmula molecular do ácido ascórbico. 34.

A hemoglobina é o pigmento que dá cor aos glóbu-35. los vermelhos. Sua função principal é transportar o oxigênio dos pulmões aos tecidos. Esse transporte é feito pelo grupo HEME, cuja fórmula estrutural está apresentada a seguir:

COO22OOC

N N

N N

Fe

Pode o grupo HEME ser considerado um composto bio-organometálico? Explique.

De acordo com a variação de eletronegatividade 36. na Tabela Periódica, discuta como seria a polari-dade das ligações entre os átomos de carbono e de halogênios.

A substância de fórmula estrutural37.

SS

é conhecida por alil-propil-dissulfeto e é uma das substâncias responsáveis pelo cheiro do alho.Com base na fórmula estrutural dessa substância, nas massas atômicas (C 12; O 16; S 32) e nos seus conhecimentos de Química, indique a alterna-tiva correta.a) A sua fórmula molecular é C6H10S2.b) A sua massa molar é 119 g mol1.c) A porcentagem, em massa, de enxofre é aproxi-

madamente 43%.d) Apesar de estar presente no alho, trata-se de

uma substância inorgânica, pois apresenta en-xofre em sua estrutura.

e) A substância é formada por moléculas de geome-tria plana, como indica sua fórmula estrutural.

Indique a alternativa formada por substâncias de 38. moléculas planas.a) H2O e NH3 d) CH2O e CO2

b) CO2 e CH4 e) CH3Cº e H2Sc) NH3 e HCº

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Page 14: Química organica

Ciência, tecnologia e sociedade

O cheirinho dos insetosA expansão da agricultura brasileira trouxe consigo

muitos problemas nos mais variados sistemas de pro-dução. O controle de pragas, por exemplo, em mui-tos casos, passou a ser realizado preventivamente, com base em calendários, sem antes verificar se a praga em questão encontrava-se em um nível populacional que pudesse causar prejuízos à cultura. Assim, investiu-se em novas tecnologias, fundamentadas em novos con-ceitos, que pudessem minimizar os riscos dos defen-sivos agrícolas.

Surgiu, então, o manejo integrado de pragas (MIP), que visa, por meio de amostragens sistemáticas, com ên-fase no controle biológico natural e nos níveis de ação, manter as pragas abaixo do nível de dano econômico, de forma harmoniosa com o homem, o meio ambiente e os inimigos naturais das pragas.

Dentre as táticas de controle de pragas com gran-de importância dentro do MIP, destaca-se aquela ba-seada no comportamento dos insetos, principalmente no que se refere aos aspectos da comunicação. Essa comunicação se dá, em grande parte, mediante sinais químicos entre indivíduos da mesma espécie ou en-tre espécies diferentes. Um inseto emite uma substân-cia química (odor) que é detectada por outro inseto em sensores localizados, normalmente, nas antenas. Os odores são muito importantes entre os insetos, ser-vindo na localização de alimento, defesa de território, atração sexual, organização das atividades e outros ti-pos de comportamento.

Os odores de insetos mais estudados são os fero-mônios, que são substâncias químicas secretadas por um indivíduo e detectadas por outro indivíduo da mesma espécie, produzindo mudanças de comporta-mento. Os feromônios podem desempenhar funções diferentes, como marcação de trilha, como no caso das formigas, que marcam quimicamente o caminho que andam para ser detectado e entendido por outras for-migas da mesma espécie; de alarme, como no caso dos percevejos conhecidos como “maria-fedida”, que exa-lam um cheiro desagradável quando são molestados; de ataque, para avisar outros insetos que devem atacar um intruso; de agregação, para atrair outros insetos da mesma espécie para um novo local de moradia ou para

uma nova fonte de alimento; sexual, para atração en-tre macho e fêmea visando à cópula e à procriação da espécie. Este último é o mais estudado e utilizado na agricultura.

A utilização de feromônios para monitoramento e controle de pragas é mais frequente nos Estados Unidos, no Japão e na França, com várias substâncias já sinteti-zadas e em uso pelos agricultores. No Brasil, os estudos com feromônios foram impulsionados a partir de 1990, principalmente com mariposas, besouros, formigas e percevejos. [...]ThomazInI, Marcílio José. Cheiro dos insetos auxilia o controle de pragas. Disponível em: <http://www.cpafac.embrapa.br/chefias/cna/artigos/feromonio.htm>. Acesso em: 26 jun. 2009.

Analise e discuta

1. O que são feromônios?

2. Qual é a diferença entre feromônios e hormônios?

3. Para que os feromônios são utilizados na lavoura?

> Insetos se acasalando: os machos são atraídos pelo cheiro das fêmeas.

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Page 15: Química organica

Esquema do capítulo

carbono: um elemento especial

tetravalente

1. Número fixo de ligações

2. Possibilidade de ligações múltiplas

3. Formação de cadeias

modelo de Lewis

elétrons de valência explícitos, modelo do

octeto

evolução estrutural

diferentes formas de

representação

geometria

Teoria da Repulsão dos

Pares Eletrônicos na Camada de

Valência (RPECV)

tipos de ligações

Química orgânica

Química dos compostos de carbono

o que éQuímica

Orgânica hojenascimento e evolução

ligações com átomos de

outros elementos

organometálicos

metaisnão metais

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