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2.5: Fórmulas químicas

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Simbolize a composição das moléculas usando fórmulas moleculares e fórmulas empíricas
    • Represente o arranjo de ligação dos átomos dentro das moléculas usando fórmulas estruturais

    Uma fórmula molecular é uma representação de uma molécula que usa símbolos químicos para indicar os tipos de átomos seguidos por subscritos para mostrar o número de átomos de cada tipo na molécula. (Um subscrito é usado somente quando mais de um átomo de um determinado tipo está presente.) As fórmulas moleculares também são usadas como abreviações para os nomes dos compostos.

    A fórmula estrutural de um composto fornece as mesmas informações que sua fórmula molecular (os tipos e números de átomos na molécula), mas também mostra como os átomos estão conectados na molécula. A fórmula estrutural do metano contém símbolos para um átomo C e quatro átomos H, indicando o número de átomos na molécula (Figura 2.16). As linhas representam ligações que mantêm os átomos juntos. (Uma ligação química é uma atração entre átomos ou íons que os mantém unidos em uma molécula ou cristal.) Discutiremos ligações químicas e veremos como prever a disposição dos átomos em uma molécula posteriormente. Por enquanto, basta saber que as linhas são uma indicação de como os átomos estão conectados em uma molécula. Um modelo de bola e bastão mostra a disposição geométrica dos átomos com tamanhos atômicos não escaláveis, e um modelo de preenchimento de espaço mostra os tamanhos relativos dos átomos.

    A Figura A mostra C H subscrito 4. A Figura B mostra um átomo de carbono ligado a quatro átomos de hidrogênio em ângulos retos: um acima, um à esquerda, um à direita e um abaixo. A Figura C mostra um modelo 3D em forma de bola e bastão do átomo de carbono ligado a quatro átomos de hidrogênio. A Figura D mostra um modelo de preenchimento de espaço de um átomo de carbono com átomos de hidrogênio parcialmente embutidos na superfície do átomo de carbono.
    Figura 2.16 Uma molécula de metano pode ser representada como (a) uma fórmula molecular, (b) uma fórmula estrutural, (c) um modelo de bola e bastão e (d) um modelo de preenchimento de espaço. Os átomos de carbono e hidrogênio são representados por esferas pretas e brancas, respectivamente.

    Embora muitos elementos consistam em átomos individuais discretos, alguns existem como moléculas compostas por dois ou mais átomos do elemento quimicamente ligados entre si. Por exemplo, a maioria das amostras dos elementos hidrogênio, oxigênio e nitrogênio são compostas por moléculas que contêm dois átomos cada (chamadas de moléculas diatômicas) e, portanto, têm as fórmulas moleculares H 2, O 2 e N 2, respectivamente. Outros elementos comumente encontrados como moléculas diatômicas são flúor (F 2), cloro (Cl 2), bromo (Br 2) e iodo (I 2). A forma mais comum do elemento enxofre é composta por moléculas que consistem em oito átomos de enxofre; sua fórmula molecular é S 8 (Figura 2.17).

    A Figura A mostra oito átomos de enxofre, simbolizados com a letra S, que estão ligados uns aos outros para formar um octógono. A Figura B mostra um modelo 3D em forma de bola e bastão da disposição dos átomos de enxofre. A forma claramente não é octogonal, pois é representada na fórmula estrutural. A Figura C é um modelo de preenchimento de espaço que mostra que cada átomo de enxofre está parcialmente incorporado ao átomo de enxofre ao qual se liga.
    Figura 2.17 Uma molécula de enxofre é composta por oito átomos de enxofre e, portanto, é escrita como S 8. Ele pode ser representado como (a) uma fórmula estrutural, (b) um modelo de bola e bastão e (c) um modelo de preenchimento de espaço. Os átomos de enxofre são representados por esferas amarelas.

    É importante observar que um subscrito após um símbolo e um número na frente de um símbolo não representa a mesma coisa; por exemplo, H 2 e 2H representam espécies distintamente diferentes. H 2 é uma fórmula molecular; representa uma molécula diatômica de hidrogênio, consistindo em dois átomos do elemento que estão quimicamente ligados entre si. A expressão 2H, por outro lado, indica dois átomos de hidrogênio separados que não são combinados como uma unidade. A expressão 2H 2 representa duas moléculas de hidrogênio diatômico (Figura 2.18).

    Esta figura mostra quatro diagramas. O diagrama de H mostra uma única esfera branca e é rotulado como um átomo de H. O diagrama de 2 H mostra duas esferas brancas que não estão unidas. É rotulado com 2 átomos de H. O diagrama para H subscrito 2 mostra duas esferas brancas unidas. É rotulada como uma molécula H subscrito 2. O diagrama do 2 H subscrito 2 mostra dois conjuntos de esferas brancas coladas. É rotulado como 2 moléculas H subscritas 2.
    Figura 2.18 Os símbolos H, 2H, H 2 e 2H 2 representam entidades muito diferentes.

    Os compostos são formados quando dois ou mais elementos se combinam quimicamente, resultando na formação de ligações. Por exemplo, o hidrogênio e o oxigênio podem reagir para formar água, e o sódio e o cloro podem reagir para formar sal de mesa. Às vezes, descrevemos a composição desses compostos com uma fórmula empírica, que indica os tipos de átomos presentes e a razão mais simples de números inteiros do número de átomos (ou íons) no composto. Por exemplo, o dióxido de titânio (usado como pigmento na tinta branca e no tipo de protetor solar espesso, branco e bloqueador) tem uma fórmula empírica de TiO 2. Isso identifica os elementos titânio (Ti) e oxigênio (O) como constituintes do dióxido de titânio e indica a presença de duas vezes mais átomos do elemento oxigênio do que átomos do elemento titânio (Figura 2.19).

    A Figura A mostra uma foto de uma pessoa aplicando protetor solar na parte inferior da perna. A Figura B mostra um modelo 3D em forma de bola e bastão da molécula de dióxido de titânio, que envolve um complicado entrelaçamento de muitos átomos de titânio e oxigênio. Os átomos de titânio na molécula são mostrados como esferas de prata e os átomos de oxigênio são mostrados como esferas vermelhas. Há duas vezes mais átomos de oxigênio do que átomos de titânio na molécula.
    Figura 2.19 (a) O composto branco dióxido de titânio fornece proteção eficaz contra o sol. (b) Um cristal de dióxido de titânio, TiO 2, contém titânio e oxigênio na proporção de 1 para 2. Os átomos de titânio são cinza e os átomos de oxigênio são vermelhos. (crédito a: modificação da obra por “osseous” /Flickr)

    Conforme discutido anteriormente, podemos descrever um composto com uma fórmula molecular, na qual os subscritos indicam o número real de átomos de cada elemento em uma molécula do composto. Em muitos casos, a fórmula molecular de uma substância é derivada da determinação experimental de sua fórmula empírica e de sua massa molecular (a soma das massas atômicas de todos os átomos que compõem a molécula). Por exemplo, pode-se determinar experimentalmente que o benzeno contém dois elementos, carbono (C) e hidrogênio (H), e que para cada átomo de carbono no benzeno, existe um átomo de hidrogênio. Assim, a fórmula empírica é CH. Uma determinação experimental da massa molecular revela que uma molécula de benzeno contém seis átomos de carbono e seis átomos de hidrogênio, então a fórmula molecular do benzeno é C 6 H 6 (Figura 2.20).

    A Figura A mostra que o benzeno é composto por seis carbonos em forma de hexágono. Qualquer outra ligação entre os átomos de carbono é uma ligação dupla. Cada carbono também tem um único átomo de hidrogênio ligado. A Figura B mostra um desenho 3D de benzeno em forma de bola e bastão. Os seis átomos de carbono são esferas pretas, enquanto os seis átomos de hidrogênio são esferas brancas menores. A Figura C é um modelo de benzeno que preenche espaço, que mostra que a maior parte do espaço interior é ocupada pelos átomos de carbono. Os átomos de hidrogênio estão embutidos na superfície externa dos átomos de carbono. A Figura d mostra um pequeno frasco cheio de benzeno que parece estar transparente.
    Figura 2.20 O benzeno, C 6 H 6, é produzido durante o refino de petróleo e tem muitos usos industriais. Uma molécula de benzeno pode ser representada como (a) uma fórmula estrutural, (b) um modelo de bola e bastão e (c) um modelo de preenchimento de espaço. (d) O benzeno é um líquido transparente. (crédito d: modificação da obra de Sahar Atwa)

    Se conhecermos a fórmula de um composto, podemos facilmente determinar a fórmula empírica. (Isso é um exercício acadêmico; a cronologia inversa geralmente é seguida na prática real.) Por exemplo, a fórmula molecular do ácido acético, o componente que dá ao vinagre seu sabor acentuado, é C 2 H 4 O 2. Essa fórmula indica que uma molécula de ácido acético (Figura 2.21) contém dois átomos de carbono, quatro átomos de hidrogênio e dois átomos de oxigênio. A proporção dos átomos é 2:4:2. A divisão pelo menor denominador comum (2) fornece a razão de átomos mais simples, de número inteiro, 1:2:1, então a fórmula empírica é CH 2 O. Observe que uma fórmula molecular é sempre um múltiplo de número inteiro de uma fórmula empírica.

    A Figura A mostra uma jarra de vinagre branco destilado. A Figura B mostra uma fórmula estrutural para o ácido acético que contém dois átomos de carbono conectados por uma única ligação. O átomo de carbono esquerdo forma ligações simples com três átomos de hidrogênio. O átomo de carbono certo forma uma ligação dupla com um átomo de oxigênio. O átomo de carbono certo também forma uma ligação única com um átomo de oxigênio. Esse oxigênio forma uma única ligação com um átomo de hidrogênio. A Figura C mostra um modelo 3D de ácido acético em forma de bola e bastão.
    Figura 2.21 (a) O vinagre contém ácido acético, C 2 H 4 O 2, que tem uma fórmula empírica de CH 2 O. Pode ser representado como (b) uma fórmula estrutural e (c) como uma bola- modelo and-stick. (crédito a: modificação do trabalho pelo “HomeSpot HQ” /Flickr)

    Exemplo 2.6

    Fórmulas empíricas e moleculares

    As moléculas de glicose (açúcar no sangue) contêm 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrogênio e 6 átomos de oxigênio. Quais são as fórmulas moleculares e empíricas da glicose?

    Solução

    A fórmula molecular é C 6 H 12 O 6 porque uma molécula na verdade contém 6 átomos de C, 12 H e 6 O. A razão de número inteiro mais simples de átomos de C para H e O na glicose é 1:2:1, então a fórmula empírica é CH 2 O.

    Verifique seu aprendizado

    Uma molécula de metaldeído (um pesticida usado para caracóis e lesmas) contém 8 átomos de carbono, 16 átomos de hidrogênio e 4 átomos de oxigênio. Quais são as fórmulas moleculares e empíricas do metaldeído?

    Resposta:

    Fórmula molecular, C 8 H 16 O 4; fórmula empírica, C 2 H 4 O

    Retrato de um químico

    Lee Cronin

    O que é que os químicos fazem? De acordo com Lee Cronin (Figura 2.22), os químicos criam moléculas muito complicadas ao “cortar” moléculas pequenas e “fazer engenharia reversa” nelas. Ele se pergunta se poderíamos “criar um conjunto de química universal muito legal” com o que ele chama de química “app-ing”. Poderíamos “aplicar” a química?

    Em uma palestra TED de 2012, Lee descreve uma possibilidade fascinante: combinar uma coleção de “tintas” químicas com uma impressora 3D capaz de fabricar um aparelho de reação (pequenos tubos de ensaio, copos e similares) para criar um “kit de ferramentas universal de química”. Esse kit de ferramentas pode ser usado para criar medicamentos personalizados para combater uma nova superbactéria ou para “imprimir” medicamentos configurados pessoalmente de acordo com sua composição genética, meio ambiente e situação de saúde. Diz Cronin: “O que a Apple fez pela música, eu gostaria de fazer pela descoberta e distribuição de medicamentos prescritos”. 2 Veja sua palestra completa no site do TED.

    Esta é uma foto do químico Lee Cronin.
    Figura 2.22 O químico Lee Cronin foi nomeado um dos 10 cientistas mais inspiradores do Reino Unido. Cátedra mais jovem da Universidade de Glasgow, Lee dirige um grande grupo de pesquisa, colabora com muitos cientistas em todo o mundo, publicou mais de 250 artigos nas principais revistas científicas e deu mais de 150 palestras convidadas. Sua pesquisa se concentra em sistemas químicos complexos e seu potencial para transformar a tecnologia, mas também se ramifica em nanociência, combustíveis solares, biologia sintética e até vida e evolução artificiais. (crédito: imagem cortesia de Lee Cronin)

    É importante estar ciente de que pode ser possível que os mesmos átomos sejam organizados de maneiras diferentes: Compostos com a mesma fórmula molecular podem ter diferentes ligações átomo-átomo e, portanto, estruturas diferentes. Por exemplo, poderia haver outro composto com a mesma fórmula do ácido acético, C 2 H 4 O 2? E se sim, qual seria a estrutura de suas moléculas?

    Se você prever que outro composto com a fórmula C 2 H 4 O 2 poderia existir, você demonstrou uma boa visão química e está correto. Dois átomos de C, quatro átomos de H e dois átomos de O também podem ser organizados para formar um formato de metila, que é usado na fabricação, como inseticida e para acabamentos de secagem rápida. As moléculas de formato de metilo têm um dos átomos de oxigênio entre os dois átomos de carbono, diferindo do arranjo nas moléculas de ácido acético. O ácido acético e o formato de metilo são exemplos de isômeros — compostos com a mesma fórmula química, mas com estruturas moleculares diferentes (Figura 2.23). Observe que essa pequena diferença na disposição dos átomos tem um grande efeito em suas respectivas propriedades químicas. Você certamente não gostaria de usar uma solução de formato de metila como substituto de uma solução de ácido acético (vinagre) ao fazer molho para salada.

    A Figura A mostra um diagrama estrutural do ácido acético, C subscrito 2 H subscrito 4 O subscrito 2. O ácido acético contém dois átomos de carbono conectados por uma única ligação. O átomo de carbono esquerdo forma ligações simples com três átomos de hidrogênio. O carbono à direita forma uma ligação dupla com um átomo de oxigênio. O átomo de carbono certo também forma uma ligação única a um átomo de oxigênio que forma uma única ligação com um átomo de hidrogênio. A Figura B mostra um diagrama estrutural do formato de metilo, C subscrito 2 H subscrito 4 O subscrito 2. Essa molécula contém um átomo de carbono que forma ligações simples com três átomos de hidrogênio e uma única ligação com um átomo de oxigênio. O átomo de oxigênio forma uma ligação única com outro átomo de carbono que forma uma ligação dupla com outro átomo de oxigênio e uma ligação simples com um átomo de hidrogênio.
    Figura 2.23 As moléculas de (a) ácido acético e formato de metilo (b) são isômeros estruturais; eles têm a mesma fórmula (C 2 H 4 O 2), mas estruturas diferentes (e, portanto, diferentes propriedades químicas).

    Existem muitos tipos de isômeros (Figura 2.24). O ácido acético e o formato de metila são isômeros estruturais, compostos nos quais as moléculas diferem na forma como os átomos estão conectados entre si. Existem também vários tipos de isômeros espaciais, nos quais as orientações relativas dos átomos no espaço podem ser diferentes. Por exemplo, o composto carvone (encontrado em sementes de cominho, hortelã e cascas de tangerina) consiste em dois isômeros que são imagens espelhadas um do outro. S - (+) -carvone cheira a cominho, e R - (−) -carvone cheira a hortelã.

    A parte superior esquerda desta figura de 2 linhas e 4 colunas mostra um diagrama estrutural de carbono positivo, subscrito C 10 H subscrito 14 O. Esta molécula tem um átomo de carbono que forma uma ligação dupla com um grupo C H subscrito 2 e um grupo C H subscrito 3. O átomo de carbono também forma uma ligação única com outro átomo de carbono que faz parte de um anel. Esse átomo de carbono, fazendo parte do anel, forma ligações simples com um átomo de hidrogênio, um grupo C H subscrito 2 e um grupo C H subscrito 2. O primeiro grupo C H subscrito dois forma uma ligação única com C H, que forma uma ligação dupla com um átomo de carbono. Esse átomo de carbono forma uma ligação única com um grupo C H subscrito 3. O átomo de carbono que faz parte do anel forma uma ligação única com um átomo de carbono que forma uma ligação dupla com um átomo de oxigênio e uma ligação simples com um grupo C H subscrito 2 para completar o anel. Abaixo do diagrama estrutural da carvona está uma foto das sementes de cominho. A coluna 2 contém representações idênticas de esferas e bastões do diagrama estrutural na posição superior esquerda. Cada parte superior direita dessas imagens contém a letra “S” e há uma seta apontando para baixo da imagem superior até a inferior. As colunas 3 e 4 são representações de carbono negativo. A linha superior na coluna três mostra uma imagem espelhada da estrutura da bola e do bastão à esquerda, refletida no eixo y. Há uma seta apontando para baixo na imagem abaixo, que é a mesma estrutura girada em 180 graus no sentido anti-horário. Ambas as imagens na coluna 3 têm um “R” no canto superior direito. A imagem na primeira linha da coluna 4 é a mesma da estrutura de lewis na primeira linha da coluna 1, refletida no eixo y. Abaixo desse diagrama estrutural negativo de carbono, há uma foto de folhas de hortelã.
    Figura 2.24 As moléculas de carbono são isômeros espaciais; elas diferem apenas nas orientações relativas dos átomos no espaço. (crédito no canto inferior esquerdo: modificação da obra de “Miansari66” /Wikimedia Commons; crédito no canto inferior direito: modificação do trabalho de Forest e Kim Starr)

    Notas de pé

    • 2 Lee Cronin, “Print Your Own Medicine”, palestra apresentada no TED Global 2012, Edimburgo, Escócia, junho de 2012.