Estrutura, Ligação Química e Introdução à Química Orgânica

Por que uma pequena massa de gás preenche um frasco grande? Por que o cloreto de sódio sólido não conduz corrente, enquanto sua solução faz? A unidade 1 conecta a contagem de partículas, estrutura eletrônica e ligações ao comportamento observável, depois usa as mesmas ideias para explicar reações orgânicas.

Use esta referência com as folhas 1.1–1.5 e seus companheiros de habilidade mais estreitos. Você precisa de álgebra simples, potências de dez e equações balanceadas. Os tópicos 1–5 da especificação Pearson definem esta unidade. Cinética e equilíbrio pertencem à Unidade 2; não são pré-requisitos para estas folhas.

Um átomo é uma partícula de um elemento. Um elemento contém apenas um tipo de átomo, definido pelo número de prótons. Um íon possui carga elétrica porque seu número de elétrons difere do número de prótons. Uma molécula é um grupo discreto de átomos ligados covalentemente. Um composto contém elementos diferentes quimicamente combinados. Uma fórmula empírica fornece a razão inteira mais simples de átomos; uma fórmula molecular fornece os números reais de átomos em uma molécula. Redes iônicas têm unidades de fórmula, não moléculas separadas.

O mole é a unidade de quantidade de substância. A contagem de partículas é $N=nL$, onde $L=6.02\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$. Assim, um mole contém $6.02\times10^{23}$ das entidades especificadas. Sempre diga se você conta átomos, moléculas, íons ou unidades de fórmula. Um mole de moléculas de metano contém cinco moles de átomos.

Massa atômica relativa, $A_r$, compara a massa média ponderada por abundância do átomo com um décimo-seis da massa de um átomo de carbono-12. Massa molecular relativa, $M_r$, soma as massas atômicas relativas em uma molécula. Massa de fórmula relativa aplica a mesma soma a uma unidade de fórmula, incluindo estruturas gigantes. Ambas são razões sem unidades. Massa molar, $M$, é massa por mole, em $\mathrm{g\,mol^{-1}}$.

Use $n=m/M$ para uma massa, $n=cV$ para uma solução com $V$ em $\mathrm{dm^3}$, e $pV=nRT$ para um gás com pressão em Pa, volume em $\mathrm{m^3}$ e temperatura em K. Um volume molar de gás declarado pode substituir a equação gasosa apenas sob suas condições declaradas. Na aproximação usual de RTP em sala de aula, use $24\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}$. Divida $\mathrm{cm^3}$ por 1000 para obter $\mathrm{dm^3}$.

Método resolvido de massa reagentes. A equação é $\mathrm{Mg+2HCl\rightarrow MgCl_2+H_2}$. Há ácido em excesso e $0.480\ \mathrm g$ magnésio, com $M(\mathrm{Mg})=24.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$.

A razão dos coeficientes é Mg:H₂ = 1:1, logo $n(\mathrm{H_2})=0.0200\ \mathrm{mol}$. Na aproximação RTP declarada:

Se ambas as quantidades de reagentes forem fornecidas, compare a quantidade dividida pelo coeficiente. O menor valor identifica o reagente limitante. Não compare apenas as massas.

Concentração de massa é $m/V$ em $\mathrm{g\,dm^{-3}}$; concentração de quantidade é $n/V$ em $\mathrm{mol\,dm^{-3}}$. Divida a concentração de massa pela massa molar para converter entre elas. Partes por milhão, ppm, é uma fração multiplicada por $10^6$; declare se é uma fração de massa ou, para gases na mesma temperatura e pressão, uma fração de volume.

To find an empirical formula, divide each element's mass by its $A_r$ and divide the resulting amounts by the smallest amount. Multiply the whole ratio if necessary to obtain integers. Do not round 1.5 to 2: multiply all ratios by 2. To find a molecular formula, divide measured $M_r$ by empirical-formula mass and multiply every subscript by this integer.

Verificação resolvida. Um composto contém 2.40 g de carbono e 0.600 g de hidrogênio. A quantidade de carbono é $n=m/M=2.40/12.0=0.200\ \mathrm{mol}$; a quantidade de átomos de hidrogênio é $n=m/M=0.600/1.00=0.600\ \mathrm{mol}$. C:H = 1:3, logo a fórmula empírica é CH₃. Se $M_r=30.0$, o fator é $30.0/15.0=2$, dando C₂H₆. As massas dos elementos somam a massa da amostra, 3.00 g.

Balance as equações sem alterar as fórmulas das substâncias e inclua os estados: (s), (l), (g), (aq). Para uma precipitação, $\mathrm{Ag^+(aq)+Cl^-(aq)\rightarrow AgCl(s)}$ omite íons espectadores. Para um ácido e carbonato, $\mathrm{CO_3^{2-}(aq)+2H^+(aq)\rightarrow CO_2(g)+H_2O(l)}$ conserva tanto átomos quanto carga. Um precipitado ou gás é uma observação; uma equação explica a mudança. O zinco em sulfato de cobre(II) forma um depósito avermelhado de cobre enquanto a solução azul desbota: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s). O magnésio em ácido diluído dissolve com bolhas de hidrogênio: Mg(s) + 2H⁺(aq) → Mg²⁺(aq) + H₂(g). Um ácido com base solúvel pode aquecer sem gás ou precipitado: H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l). Associe cada equação à observação real, em vez de tratar toda reação de ácido como formação de gás.

Rendimento percentual compara a quantidade real com a teórica de produto. Para uma theoretical 4.00 g e um isolado seco real de 3.20 g, rendimento = 3.20/4.00 × 100% = 80.0%. Economia atômica compara a massa do produto desejado balanceada com todas as massas de produtos balanceadas. Inclua coeficientes da equação. Uma alta economia atômica não garante alto rendimento experimental.

Na prática de volume molar-gás, use uma quantidade limitada conhecida e colete o gás em condições medidas. Considere vazamentos, dissolução do gás, reação incompleta e espaço morto. Um vazamento reduz o volume medido de gás e, portanto, o volume molar calculado. Para confirmar uma fórmula pela reação com oxigênio, aqueça até massa constante, resfrie antes de pesar e explique como a perda de sólido ou oxidação incompleta altera a razão inferida. O raciocínio prático permanece parte desta unidade teórica.

Prótons e nêutrons estão no núcleo; elétrons ocupam orbitais ao redor dele. As massas relativas das partículas são aproximadamente 1, 1 e $1/1836$; as cargas são +1, 0 e −1. O número atômico $Z$ conta prótons; o número de massa $A$ conta prótons mais nêutrons. Assim, nêutrons = $A-Z$. Um íon positivo tem menos elétrons que prótons. Isótopos têm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons.

Um espectrômetro de massas forma íons positivos gasosos, separa-os por relação massa-carga, $m/z$, e detecta a abundância relativa, a proporção da amostra que contribui para cada tipo de íon. Vaporização, ionização, aceleração, separação e detecção têm funções distintas. Na separação magnética em potencial de aceleração dado, um íon com menor $m/z$ desvia mais; carga maior reduz $m/z$, em vez de tornar o desvio menor. Um íon duplamente carregado de massa-40 aparece em $m/z=20$.

Cálculo de média isotópica. Para 60% de massa-69 e 40% de massa-71 de gálio, $A_r=(69\times60+71\times40)/100=69.8$. A média fica entre as massas isotópicas, próxima ao isótopo mais abundante. Picos de íon molecular podem identificar $M_r$ quando a carga é conhecida. Com proporções de isótopos de cloro 3:1, picos de íon molecular Cl₂ aparecem em 70, 72 e 74 com probabilidades $9/16$, $6/16$ e $1/16$: a combinação intermediária ocorre em duas ordens.

Um orbital acomoda no máximo dois elétrons com spins opostos. Um orbital s é esférico; um orbital p tem dois lóbulos. Existem 1, 3 e 5 orbitais nas subcamadas s, p e d, acomodando no máximo 2, 6 e 10 elétrons. Preencha orbitais de energia igual individualmente antes de parear. As primeiras quatro camadas quânticas têm capacidades máximas de 2, 8, 18 e 32 elétrons. Suas subcamadas disponíveis são 1s; 2s/2p; 3s/3p/3d; e 4s/4p/4d/4f. Uma subcamada f possui sete orbitais e acomoda catorze elétrons. A tabela periódica possui blocos s, p e d conforme a subcamada que recebe o elétron diferenciador. Escreva configurações até o criptônio, incluindo as exceções do cromo e cobre: Cr é [Ar]3d⁵4s¹ e Cu é [Ar]3d¹⁰4s¹. Para seus íons positivos, remova elétrons 4s antes dos 3d. A notação de caixa eletrônica deve mostrar tanto ocupação quanto spin.

A primeira energia de ionização é a energia por mol para $\mathrm{X(g)\rightarrow X^+(g)+e^-}$. A segunda ionização remove um elétron de X⁺(g); a terceira ionização é X²⁺(g) → X³⁺(g) + e⁻. Todas as etapas de ionização são endotérmicas. Maior carga nuclear fortalece a atração; mais blindagem e maior distância do elétron enfraquecem-na. Um grande salto sucessivo na energia revela que todos os elétrons da camada externa foram removidos. Isso identifica a contagem de elétrons externos do grupo principal, mas sozinho não conta todas as camadas ocupadas.

Ao longo do Período 3, a carga nuclear aumenta enquanto a blindagem interna muda pouco, resultando em um aumento geral da primeira energia de ionização. O Al perde um elétron 3p de energia mais facilmente do que o Mg perde um elétron 3s. O S tem um elétron pareado 3p com maior repulsão do que os orbitais 3p semipareados no P. Ao longo de um grupo, o aumento da distância e da blindagem superam o aumento da carga nuclear. Tendências recorrentes através dos períodos são periodicidade; use eixos rotulados e interprete um eixo logarítmico como razões em vez de incrementos de energia iguais.

A tarefa de plotagem fornecida para a primeira 36-elemento na folha 1.2.2 testa ambos os eixos comuns e logarítmicos. Os picos dos gases nobres são seguidos por diminuições quando uma nova camada externa começa; efeitos de subcamada e pareamento produzem dips adicionais dentro de um período. A série de transição não forma uma linha perfeitamente suave ascendente. O hélio pertence ao bloco s por 1s² apesar de sua coluna de gás nobre.

Uma ligação iônica é a atração eletrostática líquida entre íons de cargas opostas em toda uma rede gigante. A transferência de elétrons forma íons; a atração é a ligação. Condutividade fundida ou dissolvida, migração de íons e evidências de densidade eletrônica apoiam o modelo iônico. Cátions coloridos movem-se em direção ao eletrodo negativo em solução. Mapas de densidade eletrônica mostram a distribuição de elétrons ao redor dos núcleos; compare a distribuição com o modelo iônico, em vez de assumir que um contorno registra diretamente a história da transferência de elétrons. Sólidos iônicos não possuem íons móveis. Íons menores e cargas maiores geralmente fortalecem a atração da rede. Em uma série isoeletrônica, maior número de prótons puxa a mesma população de elétrons mais perto: o raio diminui de N³⁻ em direção a Al³⁺. Ao longo de um grupo, camadas ocupadas extras aumentam o raio.

Uma ligação covalente é a atração entre dois núcleos e um par de elétrons compartilhado. Diagramas de pontos e cruzes identificam a origem dos elétrons. Inclua pares de elétrons não ligantes e colchetes/carga para íons. Uma ligação coordenada usa um par compartilhado inicialmente fornecido por um único átomo, como quando NH₃ doa um par a H⁺ para formar NH₄⁺. O cloreto de alumínio pode formar Al₂Cl₆ com duas pontes de cloreto e ligações coordenadas; os diagramas eletrônicos devem considerar todos os elétrons da camada externa.

Pares de elétrons ao redor de um átomo central se repelem e se organizam afastados. Pares não ligantes repelem mais fortemente que pares ligantes, mas não há redução de ângulo universal fixa por par não ligante. Conte as regiões ao redor do átomo central; uma ligação múltipla ocupa uma região. O comprimento da ligação é a distância entre núcleos; o ângulo da ligação é o ângulo entre ligações adjacentes.

Cada carbono no eteno tem três regiões e um arranjo planar, com ângulos de cerca de 120°. Eletronegatividade é a atração por um par de elétrons de ligação. Diferentes electronegatividades produzem ligações polares. Uma molécula é polar apenas se seus dipolos de ligação não se cancelarem: CO₂ é apolar; H₂O é polar. A ligação iônica e covalente são extremos de um continuum. O poder de polarização descreve a capacidade de um cátion de distorcer a nuvem eletrônica de outro íon; a polarizabilidade descreve quão facilmente essa nuvem é distorcida. Um cátion pequeno e altamente carregado distorce fortemente a nuvem eletrônica de um ânion; ânions grandes são mais fáceis de polarizar. Não use um único ponto de fusão como prova de estrutura.

Substâncias moleculares pequenas geralmente fundem ou fervem superando atrações intermoleculares em vez de quebrar ligações dentro das moléculas. O diamante tem quatro ligações covalentes por átomo em uma rede gigante; o grafite tem três por átomo em camadas e elétrons deslocalizados móveis; o grafeno é uma única camada. O diamante é duro e isolante; as camadas de grafite podem desliz umas sobre as outras e conduzir ao longo delas; o grafeno combina resistência e condutividade. Metais contêm íons positivos atraídos por elétrons deslocalizados, que transportam corrente em metal sólido e fundido.

A tendência de fusão do Período 2/3 segue mudanças estruturais: elementos metálicos, depois carbono/silício covalente gigante, depois não-metais moleculares pequenos e gases nobres monoatômicos. No Período 2, lítio e berílio são metálicos; boro e carbono formam estruturas covalentes gigantes, então nitrogênio, oxigênio e flúor são moleculares e néon é monoatômico. Contagem de elétrons moleculares e atrações ajudam a explicar diferenças entre os não-metais. Uma explicação baseada apenas na carga nuclear suave não consegue explicar toda a tendência de fusão. Atração metálica mais forte, envolvendo carga iônica, tamanho iônico e número de elétrons deslocalizados, geralmente aumenta a temperatura de fusão; a estrutura detalhada do metal também importa. Aquecer um metal para fundi-lo não remove todos os seus elétrons.

Um grupo funcional confere reações características. Uma série homóloga compartilha um grupo funcional e fórmula geral, com membros sucessivos diferindo por CH₂. Isômeros estruturais têm a mesma fórmula molecular, mas diferente conectividade atômica. Em fórmulas desenvolvidas, mostre cada átomo e ligação; em fórmulas esqueletais, cada extremidade ou canto sem rótulo é carbono, com hidrogênios suficientes implícitos para quatro ligações. Mostre heteroátomos e seus hidrogênios ligados explicitamente.

Use met-, et-, prop-, but-, pent-, hex-, hept-, oct-, non-, dec- para um a dez átomos de carbono. Escolha uma cadeia principal contendo o grupo funcional relevante e numere para dar o menor localizador exigido, depois localize substituintes. Alcoanos acíclicos têm fórmula CₙH₂ₙ₊₂; cicloalcanos monocíclicos têm CₙH₂ₙ. Ambos são saturados: contêm apenas ligações simples carbono-carbono. CₙH₂ₙ sozinho não prova ser um alceno porque um cicloalcano pode compartilhar a mesma fórmula.

Gerar isômeros estruturais sistematicamente: mantenha a fórmula fixa, altere a cadeia principal ou o tamanho do anel, distribua os átomos de carbono restantes e, em seguida, remova duplicatas rotacionadas ou renumeradas. O pentano tem três isômeros de cadeia; o hexano tem cinco. Uma direção de desenho diferente por si só não gera uma nova estrutura.

Para anéis saturados simples, comece pelo maior anel e reduza-o movendo carbonos para substituintes. Há uma estrutura C₃H₆, duas C₄H₈ e cinco C₅H₁₀. O conjunto C₆H₁₂ tem doze estruturas constitucionais; formas cis/trans distintas não são contadas novamente como isômeros estruturais.

A destilação fracionada separa petróleo bruto em frações com diferentes faixas de ebulição. A craqueamento converte hidrocarbonetos maiores em produtos menores, incluindo alcenos; o rearranjo pode transformar cadeias lineares em estruturas ramificadas ou cíclicas. Balanceie átomos em toda equação proposta. A combustão completa de um hidrocarboneto forma CO₂ e água. A combustão incompleta pode formar CO tóxico ou particulado de carbono; o CO reduz o transporte de oxigênio no sangue ao se ligar à hemoglobina. Enxofre nos combustíveis e reações de nitrogênio/oxigênio em alta temperatura podem produzir óxidos ácidos. Partículas de carbono prejudicam a qualidade do ar; hidrocarbonetos não queimados podem contribuir para poluição fotoquímica. Remover enxofre dos combustíveis não impede óxidos de nitrogênio formados por ar quente. Neutralidade de carbono significa nenhum aumento líquido de dióxido de carbono sobre o limite do ciclo de vida declarado. O crescimento do bioetanol pode absorver CO₂, mas emissões de processamento e transporte impedem reivindicações automáticas de neutralidade de carbono. O hidrogênio produz água no uso; seu método de produção ainda importa.

Um perigo é uma fonte potencial de dano; risco considera sua probabilidade e severidade sob condições reais. Utilize a avaliação de riscos da escola, quantidades pequenas, ventilação e controles específicos para inflamabilidade ou toxicidade. Uma alternativa mais segura pode reduzir o risco sem fingir que a substância original não possui perigo.

Um radical livre possui um elétron desemparelhado. A fissão homolítica dá um elétron a cada fragmento; a fissão heterolítica dá ambos a um fragmento, formando íons. Luz UV inicia a substituição de cloro quebrando Cl₂ homoliticamente: Cl₂ → 2Cl·. Use setas curvilíneas de cabeça única para elétrons individuais.

Propagação: Cl· + CH₄ → HCl + CH₃·, depois CH₃· + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·. Um radical é regenerado, então a cadeia continua. Terminação une dois radicais, por exemplo 2CH₃· → C₂H₆. Substituições adicionais e múltiplas posições possíveis produzem misturas, limitando o valor do método para fazer um produto puro.

Um alceno acíclico com uma C=C tem fórmula CₙH₂ₙ. Um cicloalcano com um anel e uma dupla ligação tem CₙH₂ₙ₋₂: o anel remove mais dois hidrogênios. Uma dupla ligação consiste em uma ligação sigma σ por sobreposição frontal de orbital e uma ligação pi π por sobreposição lateral de orbital p. Rotacionar um carbono quebraria a sobreposição pi, então rotação é restrita. Isomerismo E/Z requer dois grupos diferentes em cada carbono da dupla. Classifique os átomos diretamente ligados pelo número atômico; em caso de empate, compare os próximos átomos. Compare prioridades separadamente nos dois carbonos. Grupos de maior prioridade juntos dão Z, opostos dão E. Cis/trans é insuficiente onde não há substituintes idênticos adequados para comparação.

Um eletrófilo aceita um par de elétrons. Na adição de HBr, uma seta curva inicia-se na ligação π e termina no H, enquanto outra inicia-se na ligação H–Br e termina no Br. Isso forma um carbocátion e Br⁻; então o par de elétrons não ligante do brometo forma a nova ligação carbono–bromo. A propeno forma principalmente 2-bromopropano porque seu mecanismo forma um carbocátion secundário em vez de primário. Carbocátions terciários são geralmente mais estáveis que os secundários, que são mais estáveis que os primários sob essas condições.

Para o eteno, os dois carbonos da dupla ligação são equivalentes. A adição de prótons em qualquer direção gera o mesmo carbocátion etila, CH₃CH₂⁺. O brometo doa um par de elétrons não ligante ao carbono positivo, formando bromoetano; não há dois produtos constitucionais diferentes entre os quais escolher.

O bromo é polarizado pela ligação π rica em elétrons e adiciona-se sobre ela; o eteno forma 1,2-dibromoetano. A descoloração do bromo sustenta a insaturação em teste orgânico adequado, mas não identifica um único alceno específico. Evite afirmações desnecessárias sobre misturas de produtos estereoquímicos.

Outras adições: hidrogênio com níquel forma um alcano; vapor d'água com catalisador ácido forma um álcool; permanganato(VII) acidificado frio e diluído oxida C=C a um diol. Especifique reagentes e condições, não apenas nomes dos produtos. Na polimerização por adição, abra cada C=C na cadeia principal do polímero, mantenha seus grupos laterais e mostre colchetes com ligações se estendendo através deles e $n$ fora. Uma unidade repetitiva é o menor segmento da cadeia principal cuja repetição descreve a cadeia, incluindo seus grupos laterais. Nenhuma pequena molécula é eliminada. A disposição de polímeros exige evidências: triagem/reciclagem, persistência, alternativas biodegradáveis e remoção de gases tóxicos da incineração têm diferentes vantagens e custos.

1. Um íon de massa 40 apresenta $m/z=20$. Explique sua carga.
2. As três primeiras energias de ionização de um elemento são relativamente próximas; a quarta é muito maior. Indique o que você pode inferir e o que não pode inferir apenas com esse salto.
3. Um gás ocupa 0.240 dm³ a um volume molar de 24.0 dm³ mol⁻¹. Uma amostra de 0.480 g gerou este gás em uma reação de proporção 1:1. Encontre a massa molar da amostra e cite uma razão pela qual o valor experimental poderia estar muito alto.
4. Por que a mesma fórmula molecular pode descrever tanto um alceno quanto um cicloalcano?
5. Preveja o produto quando HBr se adiciona a CH₂=C(CH₃)₂, e explique o carbocátion preferencial.

Respostas. 1 Um íon 2+ tem metade da relação massa-carga do íon de carga simples. 2 Três elétrons externos, compatível com Grupo Principal 3/13; o salto sozinho não estabelece o período. 3 $n=V/V_m=0.240/24.0=0.0100\ \mathrm{mol}$; $M=m/n=0.480/0.0100=48.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$. Vazamentos reduzem a quantidade medida de gás e elevam a massa molar inferida. 4 Um anel ou uma dupla ligação reduz a contagem de H em dois em relação a um alceno acíclico. 5 2-bromo-2-metilpropano; H adiciona-se ao CH₂, formando um carbocátion terciário antes que Br⁻ forneça um par para o carbono positivo.