Em uma aula prática de química orgânica, um professor identificou os frascos de várias substâncias apenas por suas fórmulas moleculares. Em seguida, apresentou a representação tridimensional da molécula do borneol, um álcool secundário, conforme a figura. Ele explicou que, quando oxidado, o borneol dá origem à cânfora, uma cetona usada desde a Antiguidade como incenso e no preparo de medicamentos. Finalmente, o professor solicitou que os alunos identificassem o frasco contendo a substância cânfora.
SANTOS, A. P. B. et al. Oxidação do borneol à cânfora com água sanitária: um experimento simples de baixo custo e limpo. Química Nova, n. 6, 2009 (adaptado).
O frasco contendo cânfora apresenta a fórmula molecular:
A) C9H16O
B) C9H17O
C) C10H16O
D) C10H16O2
E) C10H18O2
✍ Resolução Em Texto
Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Química Orgânica (Interpretação de Fórmulas Estruturais, Contagem de Carbonos e Hidrogênios, Funções Orgânicas: Álcool e Cetona)
- Reações Orgânicas (Oxidação de Álcoois Secundários)
Tema/Objetivo Geral:
A questão exige a determinação da fórmula molecular de um produto (cânfora) a partir da fórmula molecular de seu reagente (borneol) e da compreensão da transformação química que os conecta (oxidação de um álcool secundário a uma cetona).
Nível da Questão: Difícil
- A questão é considerada difícil por duas razões principais: 1) a representação tridimensional do borneol é complexa (uma estrutura bicíclica), tornando a contagem manual de carbonos e hidrogênios propensa a erros; 2) exige o conhecimento específico do balanço de átomos em uma reação de oxidação de álcool secundário, sabendo que este processo remove dois átomos de hidrogênio.
Gabarito: C
- Esta alternativa está correta porque a fórmula molecular do borneol é C₁₀H₁₈O. A oxidação de um álcool secundário (como o borneol) para formar uma cetona (cânfora) envolve a remoção de dois átomos de hidrogênio (um da hidroxila e um do carbono ligado a ela), sem alterar o número de carbonos ou oxigênios. Portanto, a fórmula da cânfora é C₁₀H₁₆O.
PASSO 1 – O QUE A QUESTÃO QUER? (O MAPA DA MINA)
Decodificação do Objetivo:
A missão é atuar como um químico forense. Temos a “cena do crime”: a molécula de borneol antes da reação. Sabemos o “tipo de arma” usada: uma reação de oxidação que transforma um álcool em uma cetona. Precisamos deduzir o “retrato falado” molecular da vítima após o ataque, ou seja, a fórmula molecular da cânfora.
Simplificação Radical (A Analogia Central):
Imagine que o borneol é um brinquedo de montar complexo (a estrutura 3D). Nosso primeiro trabalho é fazer um inventário de todas as peças (contar os átomos de C, H e O). Depois, nos dizem que uma “reforma” (a oxidação) foi feita no brinquedo. Essa reforma específica consiste em remover o pino de encaixe “-OH” e um pino vizinho “-H”, e depois unir o “braço” do oxigênio diretamente ao corpo principal com um encaixe duplo. Essencialmente, a reforma removeu 2 peças de hidrogênio, mas manteve todas as outras. A questão é: qual o novo inventário de peças após essa reforma?
Plano de Ataque (O Roteiro da Investigação):
Nossa investigação química seguirá um processo em duas etapas:
- Etapa 1: Análise do Reagente. Vamos primeiro determinar a fórmula molecular do borneol a partir de sua estrutura. Isso exige uma contagem cuidadosa de todos os átomos.
- Etapa 2: Análise da Transformação. Vamos entender o que acontece, em nível atômico, durante a oxidação de um álcool secundário para uma cetona. Com isso, poderemos prever como a fórmula molecular muda do borneol para a cânfora.
PASSO 2 – DESVENDANDO AS FERRAMENTAS (A CAIXA DE FERRAMENTAS)
Para resolver este caso, precisamos de duas ferramentas: a técnica de contagem de átomos em fórmulas de bastão e o conhecimento da reação de oxidação.
Ferramenta 1: Decifrando a Fórmula de Bastão
Em representações de bastão como a do borneol:
- Cada vértice (quina) e cada extremidade de linha representa um átomo de Carbono, a menos que outro átomo esteja explicitamente escrito.
- O número de Hidrogênios em cada carbono é o que falta para que ele complete quatro ligações.
- Átomos como Oxigênio (O) e seus Hidrogênios (no grupo -OH) são sempre escritos.
Ferramenta 2: A Reação de Oxidação de Álcool Secundário
Um álcool secundário é aquele em que a hidroxila (-OH) está ligada a um carbono que, por sua vez, está ligado a outros dois carbonos.
- Reagente: R-CH(OH)-R’
- Reação: A oxidação remove o H da hidroxila e o H do carbono ao qual ela está ligada.
- Produto: O oxigênio forma uma dupla ligação com esse carbono, criando uma cetona (R-C(=O)-R’).
- Balanço Atômico da Transformação: A molécula perde exatamente 2 átomos de Hidrogênio. O número de Carbonos e Oxigênios permanece o mesmo.
PASSO 3 – INTERPRETAÇÃO GUIADA (MÃO NA MASSA)
Etapa 1: Análise do Borneol (C₁₀H₁₈O)
Vamos contar os átomos na estrutura do borneol. Esta é a parte mais trabalhosa.
- Carbonos: Temos 6 carbonos no anel principal (a “cadeira de barco”), 1 carbono na “ponte” de cima, e 3 carbonos nos grupos metila (CH₃) que estão pendurados. Total: 6 + 1 + 3 = 10 Carbonos (C₁₀).
- Oxigênio: Há apenas um, no grupo -OH. Total: 1 Oxigênio (O).
- Hidrogênios: Esta é a parte mais difícil. Vamos contar carbono por carbono, lembrando que cada um faz 4 ligações:
- 3 grupos metila (CH₃): 3 x 3 = 9 H
- O carbono ligado ao -OH também está ligado a 3 outros carbonos, então ele tem 1 H.
- O carbono da “ponta” oposta ao -OH está ligado a 3 outros C, então ele tem 1 H.
- Os 2 carbonos da base da “ponte” estão ligados a 3 outros C, então cada um tem 1 H (total 2 H).
- Os 2 carbonos “laterais” do anel estão ligados a 2 outros C, então cada um tem 2 H (total 4 H).
- O carbono “cabeça da ponte” está ligado a 3 outros C, então ele tem 1 H.
- Finalmente, o H do grupo -OH. Total: 9 + 1 + 1 + 2 + 4 + 1 = 18 H. (O cálculo direto é difícil; é mais fácil deduzir a partir da fórmula geral de alcanos bicíclicos, mas a contagem manual leva a isso).
- Fórmula Molecular do Borneol: C₁₀H₁₈O.
🚨 ARMADILHA CLÁSSICA! 🚨
O erro mais provável é a contagem incorreta de hidrogênios na estrutura complexa. É fácil esquecer um ou contar a mais. Por isso, a segunda etapa do raciocínio (entender a reação) é uma forma de confirmar ou corrigir a primeira.
Etapa 2: Análise da Oxidação
- Reação: Borneol (Álcool Secundário) → Cânfora (Cetona)
- Balanço Atômico: A molécula perde 2 Hidrogênios. O número de Carbonos e Oxigênios não muda.
- Cálculo:
- Fórmula do Borneol: C₁₀H₁₈O
- Tirando 2 Hidrogênios: C₁₀H₁₈₋₂O
- Fórmula da Cânfora: C₁₀H₁₆O
A Bússola (O Perfil do Culpado):
- Síntese do raciocínio: A oxidação de um álcool secundário (CₙHₓO) a uma cetona (CₙHᵧO) é uma reação de desidrogenação que remove dois átomos de hidrogênio. A tarefa consiste em determinar a fórmula do álcool (C₁₀H₁₈O) e subtrair 2 do índice do hidrogênio.
- Expectativa: A fórmula molecular da cânfora deve ter 10 carbonos, 1 oxigênio e 16 hidrogênios.
PASSO 4 – ALTERNATIVAS COMENTADAS (A AUTÓPSIA)
- A) C₉H₁₆O
- O “Diagnóstico do Erro”: Perda de Carbono. Reações de oxidação de álcoois como esta não quebram a cadeia carbônica. O número de carbonos deve ser conservado.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
- B) C₉H₁₇O
- O “Diagnóstico do Erro”: Múltiplos Erros. O número de carbonos está errado e o número de hidrogênios não corresponde à perda de 2 H a partir da molécula correta do borneol.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
- C) C₁₀H₁₆O
- Análise de Correspondência: Esta fórmula corresponde perfeitamente à nossa dedução. Mantém os 10 carbonos e 1 oxigênio do borneol, e reflete a perda de 2 hidrogênios (de 18 para 16) característica da oxidação de um álcool secundário a uma cetona.
- Conclusão: ✔️ Alternativa correta.
- D) C₁₀H₁₆O₂
- O “Diagnóstico do Erro”: Ganho de Oxigênio. Este erro vem de uma interpretação literal da palavra “oxidação” como “adicionar oxigênio”. Em química orgânica, oxidação frequentemente significa aumentar o número de ligações do carbono com o oxigênio ou diminuir o número de ligações com o hidrogênio. Esta reação específica é uma desidrogenação.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
- E) C₁₀H₁₈O₂
- O “Diagnóstico do Erro”: Múltiplos Erros. Assume-se incorretamente que um oxigênio é adicionado e que o número de hidrogênios permanece o mesmo, o que contradiz o mecanismo da reação.
- Conclusão: ❌ Alternativa incorreta.
PASSO 5 – O GRAND FINALE (APRENDIZAGEM EXPANDIDA)
Frase de Fechamento: A resposta correta é C₁₀H₁₆O, pois a oxidação do álcool secundário borneol (C₁₀H₁₈O) a uma cetona, a cânfora, é uma reação que remove dois átomos de hidrogênio, mantendo intacto o esqueleto de carbono e o único átomo de oxigênio.
Resumo-flash (A Imagem Mental): Oxidar um álcool secundário é como arrancar dois hidrogênios para forjar uma dupla ligação com o oxigênio.
🧠 Para ir Além (A Ponte para o Futuro): O mesmo princípio da oxidação de álcoois acontece em nosso fígado quando consumimos bebidas alcoólicas. A principal molécula do álcool, o etanol (um álcool primário), é oxidada pela enzima álcool desidrogenase a acetaldeído (um aldeído), também com a perda de 2 hidrogênios. É o acúmulo de acetaldeído, uma molécula tóxica, que causa muitos dos sintomas da ressaca. Posteriormente, outra enzima oxida o acetaldeído a ácido acético (vinagre), que é inofensivo. Entender a oxidação do borneol à cânfora nos dá o modelo químico para entender a bioquímica da ressaca.