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.