Denumiri, denumiri...

Nu cred că există profesor de chimie care să nu fi întâlnit cel puţin un elev care, pus în faţa unei formule chimice, să nu reuşească să-i dea denumirea corectă. Explicaţiile elevilor erau din cele mai diverse, dar toate convergeau spre aceeaşi concluzie: "E grea chimia asta...". O singură explicaţie mi-a rămas în minte prin originalitatea ei; privind la structura pe care o voi exemplifica la mai jos, elevul şi-a întors privirile spre mine şi a spus cu toata candoarea celor 16 ani: "Presupun că se pronunţă altfel decât este scris...". Ca să scurtez povestea, voi prezenta în cele ce urmează structura unui alcan, urmând să exemplific şi denumirea acestuia.

 Alcanul din figura alăturată este de fapt un izomer al decanului(C₁₀H₂₂). Există reguli stabilite de catre IUPAC (International Union for Pure and Aplied Chemistry) care statutează modul în care se denumesc substanţele chimice, din diverse clase de substanţe. Pentru exemplul nostru, se procedeaza astfel:
1. Se identifică şi se numerotează catena cea mai lungă în ambele sensuri:

Se observă că aceasta este alcătuită din 6 atomi de Carbon, deci reţinem denumirea alcanului cu 6 atomi de carbon (HEXAN)
2. Se identifica atomii de Carbon la care se produc ramificaţii:

Aceştia sunt atomii de Carbon 3 şi 4.
3. Se identifică radicalii alchil de la atomii de carbon identificaţi mai sus.

Se observă că avem un radical etil şi doi radicali metil (doi radicali metil = dimetil)
Realizăm denumirea punând cap la cap informaţiile colectate la cei tri paşi anteriori:

• Pentru sensul numerotat cu albastru (de la stânga la dreapta): 4-etil-3,4-dimetil-hexan
• Pentru sensul numerotat cu roşu (de la dreapta la stânga): 3-etil-3,4-dimetil-hexan

Deoarece avem 2 denumiri diferite pentru aceeaşi substanţă, se alege ca şi denumire corectă cea în care suma cifrelor care apar este minimă: pentrul sensul de la stânga la dreapta suma este 11, air pentru sensul invers suma este 10. În concluzie, denumirea corectă este:

3-etil-3,4-dimetil-hexan

Rămâne la latitudinea cititorului să stabilească dacă răspunsul elevului a fost sau nu perinent ("Presupun că se pronunţă altfel decât este scris...")

Evadare din tipar

Aplicarea riguroasă a algoritmilor de rezolvare a problemelor de chimie este de cele mai multe ori calea spre rezultatul corect. Această metodă, pe lângă avantajele incontestabile pe care le aduce, poate să limiteze uneori capacitatea de analiză şi interpretare a datelor problemei. Există probleme care par a se încadra perfect într-un şablon până la un punct de impas. De aceea este recomandat să se analizeze cu atenţie contextul şi să se adopte o strategie adecvată în abordarea problemei.
Exemplu:
Un alcan A conţine 16,28% H. Determinaţi formula moleculară a alcanului.


La prima vedere, problema se încadrează în algoritmul de rezolvare a problemelor de compoziţie a substanţelor organice. Se ştie că alcanii sunt hidrocarburi, de unde se determină %C=100-16,28=83,72%. Iar de aici, prin aplicarea algoritmului clasic ajungem la (C₃H₇)_n. Ajunşi în acest punct constatăm că ne lipseşte masa moleculară pentru a determina valoarea "n", esenţială în aflarea formulei moleculare. Desigur, se poate aplica metoda încercărilor, prin acordarea de valori lui n (n=1,2,3,...) şi verificarea încadrării formulelor moleculare obţinute în formula generală a alcanilor.


O altă abordare, mai eficientă ar fi exprimarea conform limbii române a noţiunii de "procent".
Astfel, pornim de la formula moleculară generală a alcanilor (C_nH_2n+2) şi exprimăm în funcţie de aceasta masa moleculară M=12n+2n+2. Contribuţia Hidrogenului la masa moleculară este de 2n+2.
16,28% se traduce: În 100 grame A exista 16,28 grame H
Aplicând regula de trei simplă vom avea:
100 g A...................16,28 g H
14n+2 g A...............2n+2 g H


De unde rezultă n=6, iar formula moleculară a alcanului A este C₆H₁₄.

Puţină ardere

O proprietate comună a hidrocarburilor este arderea. Absolut toate hidrocarburile, indiferent de seria din care fac parte ard în aer (sau oxigen) şi se transformă în dioxid de carbon şi apă. Această proprietate stă la baza diverselor formulări ale problemelor de chimie organică, întâlnite în special la amestecurile de hidrocarburi.


Problemă:
Un amestec de propan şi butan, ocupând un volum egal cu 10 ml, este supus arderii în exces de oxigen. După condensarea apei, de gazele rămase sunt trecute printr-o soluţie de KOH, volumul acestora reducându-se cu 36 ml. Determinaţi compoziţia în procente de volum a amestecului iniţial de hidrocarburi. (Volumele de gaze sunt măsurate în condiţii normale de temperatură şi presiune.)


Rezolvare


Ecuaţiile reacţiilor chimice:

KOH va reţine din amestecul de gaze rezultat după condensarea apei doar dioxidul de carbon, iar reducerea de volum de 36 ml este chiar volumul de dioxid de carbon rezultat din ardere.
V₁ = volumul de propan
V₂ = volumul de butan
a = volumul de CO₂ rezultat din arderea propanului
b = volumul de CO₂ rezultat din arderea butanului
Conform datelor problemei avem: V₁ + V₂ = 10 ml (1) şi
a+b =36 ml (2)
De pe ecuaţiile reacţiilor se obţine:
V₁ = a/3 şi  V₂ = b/4, adică, înlocuind în relaţia (1) a/3 + b/4 = 10 (3).
Folosindu-ne de relaţia (2) vom obţine a = 12ml şi b = 24ml.
De aici, V₁ = 4ml si V₂ = 6 ml, iar
%C₃H₈ = 40%
%C₄H₁₀ = 60%

Iosif Schichetanz, Florin Badea - Chimie Organică prin probleme

Rezolvare sistematică sau ... "speculativă"???

În cadrul rezolvărilor de probleme, de multe ori elevii sunt tentaţi să se abată de la "firul roşu" al modului de lucru şi să facă diverse asocieri între datele problemei şi rezultatele parţiale. Chiar dacă aceste mici speculaţii conduc la obţinerea unui rezultat final corect într-un timp oarecum mai scurt, la evaluare pot apărea surprize, deoarece nu există un fundament solid al argumentării.
Un exemplu în acest sens îl constituie problema de mai jos.
Problemă:


O hidrocarbură A având densitatea în raport cu azotul d_N2=2 se transformă într-o substanţă B, cu acelaşi număr de atomi de Carbon şi care conţine 21,62% Oxigen. Ştiind că substanţa B are NE=0 şi că în molecula ei există un singur atom de Oxigen, determinaţi care sunt formulele moleculare ale substanţelor A si B.


Rezolvarea sistematică:
Pentru hidrocarbura A:
d_N2=2 => M_A=d_N2*M_N2 = 2*28 = 56. (1)
Formula moleculară generală: C_aH_b, iar masa moleculară se poate calcula ca fiind M_A=12*a+b (2)


Pentru substanţa B:
C_aH_b'O
NE=0 => 2*a+2-b'=0 adică b'=2*a+2, formula moleculară devenind C_aH_2*a+2O (3)
M_B=12*a+2*a+2+16=14*a+18.


Ştiind că în 100 g B exista 21,62 g O, putem scrie astfel:
M_B ................................. 16 g O
100 g B ......................... 21,62 g O
--------------------------------------------
M_B=74 g/mol adică 14*a+18=74 de unde rezultă formula moleculară pentru substanţa B: C₄H₁₀O
Cunoscând ca hidrocarbura A conţine acelaşi număr de atomi de Carbon ca şi substanţa B, rezultă că formula moleculară a acesteia se poate scrie C₄H_b.
Din relaţiile (1) şi (2) se poate deduce valoarea lui b=8; deci formula moleculară a hirocarburii A: C₄H₈


Rezolvarea "speculativă"
Se determina masa moleculara a hidrocarburii A (vezi rezolvarea sistematică relaţia (1)).
Aici se poate specula, ştiind că valorile a,b trebuie sa fie numere naturale; din relaţia 12*a+b=56, valorile care satisfac aceasta relaţie si pentru care NE are valori rezonabile si care să reflecte o formulă moleculară reală vor fi a=4 şi b=8, adică formula moleculară va fi C₄H₈.
Cunoscând că substanţa B are acelaşi număr de atomi de Carbon ca şi A, că NE=O şi că în molecula ei există un singur atom de Oxigen (vezi rezolvarea sistematică relaţia (3)), formula moleculară a substanţei B devine C₄H₁₀O.
Acest tip de rezolvare poate fi mai mult sau mai puţin acceptata de către evaluator. Un motiv pentru care evaluatorul poate să respingă o astfel de rezolvare este lipsa unui argument solid în determinarea formulei moleculare a hidrocarburii A, chiar dacă acest rezultat este corect.

Un mic secret: Nesaturarea echivalentă

Considerând o substanţă organică cu formula moleculară generală C_aH_bO_cN_dX_e (X=F,Cl,Br,I) vom scrie relaţia de calcul pentru nesaturarea echivalentă (NE) ca fiind 

unde a,b,c,d,e reprezintă numărul de atomi corespunzători fiecarui element organogen. Evident că pentru elementele care nu se găsesc identificate în substanţa organică, numărul de atomi respectivi va fi 0.

Valoarea NE ne spune în primul rând dacă formula moleculară pentru care am calculat-o este sau nu reală. Astfel, pentru o formulă moleculară reală, NE va trebui să aibă valori din mulţimea numerelor naturale (0,1,2...). O nesaturarea echivalentă care are ca rezultat un număr fracţionar sau negativ indică o formulă moleculară greşită.
Alte informaţii deosebit de importante furnizate de către NE sunt cele legate de numărul de legături π şi/sau structuri ciclice pe care structura substanţei organice cu formula moleculară respectivă le poate conţine.
Aceste informaţii pot fi structurate conform tabelului de mai jos:

	Nr. legături π	Nr. struct. ciclice
NE=0	0	0
NE=1	1	0
	0	1
NE=2	2	0
	1	1
	0	2

După cum se observă din tabelul de mai sus, suma dintre numărul de legături π şi numărul de structuri ciclice este egal cu NE pentru formula moleculară a substanţei considerate.

Aplicaţie demonstrativă:
Să se modeleze 3 structuri izomere pentru hidrocarbura A care are formula moleculară C₅H₁₀.
 Rezolvare
Calculăm nesaturarea echivalentă şi obţinem NE=1. Din analiza tabelului de mai sus rezultă că putem modela pentru formula moleculară C₅H₁₀ structuri aciclice care să conţină o legătură π sau structuri ciclice care conţin doar legături σ. Din multitudinea de structuri posibile am ales trei dintre ele:

Informaţii ascunse ... la vedere

De cele mai multe ori, problemele de chimie organică par greu de abordat, datorită "sărăcimii" datelor numerice pe care le posedă. Totuşi rezolvarea unor astfel de probleme poate deveni foarte facilă dacă citim cu atenţie textul problemei şi interpretăm corect toate informaţiile stocate în acesta.

Să exemplificăm:

1. O hidrocarbură A, are masa moleculară 44 g/mol şi nesaturarea echivalentă NE=0. Determinaţi formula moleculară a hidrocarburii A şi propuneţi un model structural.

Rezolvare:

La prima vedere, singurele date numerice ale problemei sunt masa moleculară şi nesaturarea echivalentă. Dar, să revedem textul, evidenţiind noţiuni care ne pot furniza date suplimentare.

Deci: "O hidrocarbură A, are masa moleculară 44 g/mol şi nesaturarea echivalentă NE=0. Determinaţi formula moleculară a hidrocarburii A şi propuneţi un model structural."


Observaţi cuvântul HIDROCARBURĂ; acest cuvânt ne furnizează o informaţie importantă şi anume faptul că substanţa A este o hidrocarbură, adică o substanţă organică alcătuită doar din C şi H.

Automat, formula moleculară devine C_aH_b.

Informaţiile marcate cu culoarea roşie sunt evidente:

Masa moleculară a hidrocarburii A poate fi scrisa M_A=12*a+1*b = 44 (1)

Nesaturarea echivalentă NE=(2*a+2-b)/2 = 0 (2)

Din cele doua relaţii (1) şi (2) obţinem un sitem de două ecuaţii cu două necunoscute şi anume:

12*a+b=44
2*a-b=-2

Rezolvarea acestui sistem va returna valorile: a=3 şi b=8, deci formula moleculară a substanţei va fi C₃H₈.

NE=0 ne indică faptul că hidrocarbura A nu coţine legături de tip π, şi nici nu prezintă structuri ciclice, de aceea, structura plană este cea prezentată mai jos.

 Iată cum utilizând cu atenţie tot textul problemei găsim date suplimentare valoroase pentru rezolvarea cu succes a acesteia.

Metoda combustiei

În vedere determinării compoziţiei şi proprietăţilor substanţelor organice,
asupra probelor de substanţă necunoscută se efectuează mai multe seturi de
analize. Analizele la care este supusă proba pot fi clasificate în trei categorii,
în funcţie de întrebarea la care răspund:

1. Analiza calitativă - răspunde la întrebarea "Care sunt elementele chimice din
care este compusă substanţa analizată?"
2. Analiza cantitativă - răspunde la întrebarea "Ce cantitate din fiecare element
determinat se găseşte în substanţa analizată?"
3. Analiza funcţională - răspunde la întrebarea "Ce grupări funcţionale
determină proprietăţile substanţei analizate?" 

În cele ce urmează, voi prezenta una dintre metodele folosite în vederea
determinării cantitative a elementelor chimice care compun o substanţă organică.
Substanţele organice au proprietatea de a arde şi de a se transforma în dioxid de
carbon, apă şi ale gaze (în funcţie de elementele organogene).

Voi prezenta în continuare o modalitate de a determina formula moleculară a unei
substanţe organice supusa combustiei şi ale cărei rezultate se cunosc.

Problema:

O substanţă organică A, având densitatea vaporilor săi în raport cu aerul
d=3,045 a fost supusă combustiei. Din 4,4 mg substanţă A s-au obţinut 8,8 mg CO2
si 3,6 mg H2O. Determinaţi formula moleculară a substanţei A.

Rezolvare:

Pentru rezolvare vom ţine cont că hidrogenul şi carbonul care se regăseşte în
apa respectiv dioxidul de carbon rezultat provine de la substanţa organică.
Raţionamentul de determinare a cantităţilor de C respectiv de H porneşte de la
conţinutul molar al cele două elemente. Astfel:
pentru C:
44 g CO2 ...................................................12 g C
8,8 mg CO2 (rezultat din combustie)............x mg C

de unde x=2,4 mg C

Analog, pentru H:
18 g H2O .....................................................2 g H
3,6 mg H2O (rezultată din combustie)..........y mg H

de unde y=0,4 mg H

Însumînd cele două valori x + y=2,4 + 0,4 = 2,8 mg C şi H.
Comparând această valoare cu cantitatea de substanţă supusă combustiei vom
observa ca există o diferenţă de 1,6 mg. Aceasta diferentă ne informează că pe
lângă C şi H, în substanţa supusă analizei există şi O.
Avand aceste date vom determina formula procentuală a substanţei A:

4,4 mg A ........ 2,4 mg C ......... 0,4 mg H .......... 1,6 mg O
100 mg A ........ %C .................... %H ................... %O

de unde: %C=54,54%; %H=9,09% şi %O=36,36%
Masa moleculară a substanţei A se determină pe baza densităţii relative
MA=d*Maer=3,045*28,9=88 g/mol

Având la dispoziţie aceste date se aplica algoritmul descris în acest articol.

Despre rapoarte masice

Adeseori, compoziţia unor substanţe organice poate fi reprezentata prin raportul masic. Raportul masic reprezintă raportul dintre cantitaţile, exprimate în grame, din fiecare element chimic care intră în compoziţia substanţelor organice.

Considerând o substanţă organica a cărei formulă chimică o putem scrie la modul general: C_aH_bO_cN_dX_e, putem scrie raportul masic C:H:O:N:X = 12*a:1*b:16*c:14*d:A_X*e, unde A_X este masa atomică a halogenului X considerat. Cu siguranţă, raportul masic, ca unică informaţie referitoare la compoziţia substanţelor organice nu poate conduce la mai mult decât determinarea formulei brute a acestor substanţe. De aceea, la rezolvarea acestui fel de probleme, trebuie "speculate" orice alt fel de informaţii suplimetare mai mult sau mai puţin evidente.

Voi prezenta în cele ce urmează câteva exemple de rezolvare a problemelor de compoziţie a substanţelor organice atunci cand se cunoaşte raportul masic al elementelor organogene constitutive.

Problema:

Să se determine formula brută a substanţelor organice a căror compoziţie este exprimată prin următoarele rapoarte de masa:

a) C:H = 12:1; b) C:H:O = 6:1:8; c) C:H:N = 6:2:7; d) C:H:O:N = 3:1:4:7

Rezolvare:

a) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_b

Raportul masic C:H=12:1 se exprimă, aşa cum am prezentat mai sus ca fiind:

C:H = 12*a:1*b=12:1; în limbaj matematic acest lucru se traduce: 12*a/b=12/1 de unde rezultă că 12*a=12*b adică a=b, caz în care formula moleculară C_aH_b devine C_aH_a, iar formula brută va fi: (CH)_a

b) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_bO_c

Vom grupa rapoartele masice două câte două, păstrând carbonul ca şi elementul de referinţă.

- C:H=6:1 adică 12*a/b=6/1 de unde rezultă b=2*a (1)

- C:O=6:8 adică 12*a/16*c=6/8 de unde rezultă c=a (2)

Din cele două relaţii (1) şi (2) formula moleculară devine: C_aH_2aO_a iar formula brută va fi: (CH₂O)_a

c) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_bN_d.

Procedând analog ca şi la punctul b) vom avea:

- C:H=6:2 adica 12*a/b=6/2 de unde rezultă b=4*a (1)

- C:N=6:7 adică 12*a/14*d=6/7 de unde rezultă d=a (2)

Din cele două relaţii (1) şi (2) formula moleculară devine: C_aH_4aN_a iar formula brută va fi: (CH₄N)_a

d) Considerăm formula moleculara a substanţei C_aH_bO_cN_d.

Procedând analog ca şi la punctul b) vom avea:

- C:H=3:1 adica 12*a/b=3/1 de unde rezultă b=4*a (1)

- C:O=3:4 adică 12a/16c=3/4 de unde rezultă c=a (2)

- C:N=6:7 adică 12*a/14*d=6/7 de unde rezultă d=2*a (3)

Din cele trei relaţii (1), (2) şi (3) formula moleculară devine: C_aH_4aO_aN_2a iar formula brută va fi: (CH₄ON₂)_a.

Bibliografie: Iosif Schiketanz, Florin Badea - Chimie organică prin probleme.

Formule brute, formule moleculare

Chimia organică reprezintă, poate, cea mai fascinantă ramură a chimiei. Dacă ne gândim că toate organismele vii există şi se dezvoltă datorită unor reacţii chimice, vom intui cât de vast este acest domeniu. Iar dacă realizăm că substanţele chimice care iau parte la aceste reacţii se constituie în cea mai mare parte a lor în jurul Carbonului, cu atât vom fi mai fascinaţi.

"Compoziţia" unei substanţe chimice organice, tradusă prin formula procentuală se poate transpune în formulă brută (adică elementele care constituie compusul organic şi raportul atomic dintre aceştia) şi ulterior în formulă moleculară (adică elementele care constituie compusul organic şi numărul real al atomilor care intră în componenţa moleculei acestuia).

Presupunând că avem compoziţia unei substanţe organice A, să parcurgem în cele ce urmează paşii necesari pentru determinarea formulei brute şi a celei moleculare:

Problema:

O substanţă organică A conţine: 40%C, 6,66%H, având masa moleculară M_A=60 g/mol. Determinaţi formula moleculară a substanţei A. Se cunosc masele atomice pentru C - 12, H - 1, O - 16.

Rezolvare
1. Verifică existenţa oxigenului în compoziţia substanţei date, ca diferenţa dintre 100% şi suma procentelor substanţelor organogene date:
%O=100 - (%C+%H)=100 - 46,66=53,34%O
OBS  Dacă %O este foarte mic (sub 1%) se consideră că substanţa luată în discuţie nu conţine oxigen.

2. Împarte conţinutul procentual al fiecărui element la masa atomică a elementului respectiv:
C: 40:12=3,33
H:6,66:1=6,66
O:53,34:16=3,33

3. Împarte rezultatele obţinute la pasul anterior la cel mai mic dintre ele:
C: 3,33:3,33=1
H:6,66:3,33=2
O:3,33:3,33=1
OBS Rezultatele obţinute se rotunjesc, dacă este cazul, la cel mai apropiat întreg. Acestea reprezintă raportul atomic al elementelor componente ale substanţei A.

4. Scrie formula brută folosind raportul atomic obţinut la pasul anterior:
FB: (CH₂O)_n 

5. Determină valoarea indicelui n ca fiind raportul dintre M_A si masa moleculară a formulei brute:
n=MA/Mfb, unde Mfb=12x1+1x2+16x1=30 de unde obţinem n=2.


6. Scrie formula moleculară a substanţei A înmulţind numărul de atomi ai fiecărui element din formula brută cu valoarea indicelui n determinată la pasul anterior:

FM: C₂H₄O₂

Am ataşat pentru cei interesaţi 2 probleme.
Succes!