Exercicis de química orgànica — Química 2n Batxillerat

Perquè el grup funcional determina la família del compost (i, per tant, la terminació del nom) i les seves propietats. Sense identificar-lo, no se sap ni com acaba el nom ni com es comportarà la molècula.

No. Si només canvia l'orientació (la molècula girada), és la MATEIXA substància. Per ser isòmers ha de canviar com estan connectats els àtoms (isomeria estructural) o la seva disposició fixa a l'espai (cis-trans).

Perquè cada grup funcional dona una banda pròpia i fiable: si aquella banda no hi és, es pot descartar que la molècula tingui aquell grup. No trobar un pic també és informació.
Exemple: la banda ampla d'O-H apareix cap a 3300 cm⁻¹ (3550-3200 cm⁻¹) en alcohols i àcids. Si en un espectre aquesta banda NO hi és, es pot afirmar que el compost no és ni alcohol ni àcid carboxílic, encara que tingui altres grups. Així, mirant si hi ha o no aquesta banda es descarten famílies senceres.

a) Té un grup hidroxil, -OH (alcohol), i un grup carboxil, -COOH (àcid carboxílic). El nom, àcid 2-hidroxipropanoic, ja ho reflecteix: la funció principal és la d'àcid.
b) Té un doble enllaç C=C (alquè) i un grup carbonil al final de la cadena, -CHO (aldehid).
c) Té un grup amino, -NH₂ (amina), i un grup carboxil, -COOH (àcid carboxílic).
Una mateixa molècula pot tenir més d'un grup funcional. Per anomenar-la es tria com a principal el de la família amb més prioritat (àcid > aldehid > cetona > alcohol > amina), i els altres es nomenen com a substituents.

Butà: CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ (cadena lineal de 4 carbonis).
2-metilpropà: CH₃-CH(CH₃)-CH₃ (cadena principal de 3 carbonis amb un metil al carboni 2).
Tots dos tenen 4 C i 10 H, però els carbonis estan units en un ordre diferent: és isomeria de cadena (o d'esquelet).
Comprovació: la fórmula general dels alcans, C_nH_2n+2, amb n = 4 dona C₄H₁₀ en tots dos casos.
Error típic: comptar com a isòmers el butà dibuixat estirat i el butà dibuixat doblegat; només canvia la forma del dibuix, no l'ordre en què estan units els àtoms.

Falsa. Perquè hi hagi isomeria cis-trans cal que cada carboni del doble enllaç porti dos substituents diferents, ja que el doble enllaç impedeix el gir lliure.
Exemple que sí que en té: but-2-è, CH₃-CH=CH-CH₃, on cada carboni del doble enllaç porta un H i un CH₃. Existeix el cis-but-2-è (els dos CH₃ al mateix costat del doble enllaç) i el trans-but-2-è (a costats oposats).
Exemple que no en té: but-1-è, CH₂=CH-CH₂-CH₃, perquè el carboni 1 té dos hidrògens iguals i les dues disposicions són la mateixa molècula. Tampoc no en tenen l'etè ni el propè.

En una addició es trenca l'enllaç π i s'uneixen àtoms nous als dos carbonis.
a) CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃ (età): és una hidrogenació.
b) CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br (1,2-dibromoetà): cada àtom de brom s'uneix a un carboni diferent. Aquesta reacció decolora l'aigua de brom i serveix per detectar enllaços múltiples.
c) L'etí té un triple enllaç (dos enllaços π) i afegeix dos mols de H₂: CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (etè) i després CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃. Global: CH≡CH + 2 H₂ → età.

És una reacció d'esterificació: un àcid carboxílic i un alcohol donen un èster i aigua.
CH₃-COOH + CH₃-OH ⇌ CH₃-COO-CH₃ + H₂O.
L'èster és l'etanoat de metil: el nom ve de l'àcid («etanoat») i del grup de l'alcohol («metil»). L'altre producte és l'aigua.
La reacció és reversible. L'àcid sulfúric fa de catalitzador i, a més, absorbeix part de l'aigua, cosa que afavoreix la formació de l'èster.

a) i b) Addició: els monòmers (etè i propè) tenen un doble enllaç C=C que s'obre i permet encadenar les molècules sense perdre cap àtom; no es forma cap altre producte.
c) Condensació: cada monòmer té dos grups funcionals iguals (dos -NH₂ o dos -COOH). En reaccionar, s'uneixen amb un enllaç amida, -CO-NH-, i en cada unió s'allibera una molècula d'aigua.
d) Condensació: l'età-1,2-diol (dos -OH) i l'àcid dicarboxílic (dos -COOH) s'uneixen amb enllaços èster, -COO-, i també es perd aigua.
Regla pràctica: si el monòmer té un doble enllaç, és addició; si els monòmers tenen dos grups reactius i es perd una molècula petita (aigua), és condensació.

En una combustió completa tot el carboni passa a CO₂ i tot l'hidrogen a H₂O.
Carboni: 2 C a l'etanol → 2 CO₂. Hidrogen: 6 H → 3 H₂O. Oxigen a la dreta: 2·2 + 3 = 7 àtoms; l'etanol ja en aporta 1, així que en calen 6 més, és a dir, 3 O₂.
C₂H₆O + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O.
Relació 1:3: n(O₂) = 3·2,0 = 6,0 mol.
Comprovació: 7 àtoms d'O a cada banda (1 + 6 = 4 + 3).

El sufix -à indica un alcà (enllaços simples) i l'arrel et- indica 2 carbonis.
Amb la fórmula general C_nH_2n+2 i n=2: C₂H₆, o desenvolupat CH₃-CH₃.
Pertany als alcans.

Tots dos són alcohols de 3 carbonis ($C_{3}H$₈O), però el grup -OH és en un carboni diferent: al carboni 1 en un cas i al 2 en l'altre.
El que canvia és la posició del grup funcional: és isomeria de posició.

Un àtom (l'H) es canvia per un altre (el Cl), sense afegir ni treure res més ni tocar cap doble enllaç.
És una reacció de substitució (típica dels alcans).

És el dimetil èter, CH₃-O-CH₃: els sis hidrògens són equivalents, perquè els dos grups metil estan en el mateix entorn, i donen un sol senyal. L'etanol, CH₃-CH₂-OH, té tres tipus d'hidrògens i donaria tres senyals.

L'oxidació d'un alcohol depèn dels hidrògens que té el carboni que porta el grup -OH.
Butan-1-ol (alcohol primari, CH₂OH): s'oxida primer a butanal, CH₃-CH₂-CH₂-CHO, i, amb oxidant en excés, a àcid butanoic, CH₃-CH₂-CH₂-COOH.
Butan-2-ol (alcohol secundari, CHOH): s'oxida a butanona, CH₃-CO-CH₂-CH₃, una cetona que en aquestes condicions ja no s'oxida més.
2-metilpropan-2-ol (alcohol terciari): el carboni amb l'-OH no té cap hidrogen i, per oxidar-lo, caldria trencar enllaços C-C. No reacciona amb el dicromat.
Això permet distingir els tres tipus d'alcohols: el dicromat passa de taronja a verd només amb els primaris i els secundaris.

CH₂=CH-CH₃ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃ (2-cloropropà)
CH₂=CH-CH₃ + HCl → CH₂Cl-CH₂-CH₃ (1-cloropropà)
Regla de Markovnikov: en l'addició d'HX a un alquè asimètric, l'hidrogen s'uneix al carboni del doble enllaç que ja té més hidrògens, i el halogen al carboni més substituït.
Aquí el C-1 (CH₂) té dos H i el C-2 (CH) només un: l'H va al C-1 i el Cl al C-2. El producte majoritari és el 2-cloropropà; el 1-cloropropà es forma en poca quantitat.
Raó: el carbocatió intermedi secundari (el que es forma en posar l'H al C-1) és més estable que el primari.

Es tracta d'una reacció d'eliminació: el grup -OH i un H d'un carboni veí surten en forma d'aigua i apareix un doble enllaç.
CH₃-CH₂-CHOH-CH₃ → CH₃-CH=CH-CH₃ (but-2-è) + H₂O
CH₃-CH₂-CHOH-CH₃ → CH₂=CH-CH₂-CH₃ (but-1-è) + H₂O
Regla de Saytzeff: l'H s'arrenca del carboni veí que en té menys i es forma l'alquè més substituït, que és el més estable.
Aquí l'H es pot perdre del C-3 (CH₂, 2 H) o del C-1 (CH₃, 3 H): el C-3 en té menys i dona el but-2-è, que és el producte majoritari. Aquest alquè, a més, existeix com a isòmers cis i trans.

a) CH₃-CH₂-CH₂-CH₂OH: cap carboni té quatre substituents diferents (els carbonis 1, 2 i 3 tenen dos H i el 4 és un CH₃). No és quiral.
b) CH₃-C*H(OH)-CH₂-CH₃: el C-2 porta H, OH, CH₃ i CH₂-CH₃. Sí que és quiral.
c) (CH₃)₂CH-CH₂OH: el C-2 porta H, CH₂OH i dos CH₃ iguals. No és quiral.
d) CH₃-C*H(OH)-COOH: el C-2 porta H, OH, CH₃ i COOH. Sí que és quiral.
Els compostos b) i d) existeixen com a dos enantiòmers (imatges especulars no superposables) que giren el pla de la llum polaritzada en sentits oposats.

CH₃-COOH + CH₃-CH₂OH ⇌ CH₃-COO-CH₂-CH₃ + H₂O (esterificació, relació 1:1).
M(àcid etanoic) = 60 g/mol → n = 12,0/60 = 0,200 mol. L'etanol és en excés, així que l'àcid és el reactiu limitant.
Massa teòrica d'èster: M(etanoat d'etil) = 88 g/mol → 0,200·88 = 17,6 g.
Amb un rendiment del 75 %: m = 17,6·0,75 = 13,2 g d'etanoat d'etil.
El rendiment no arriba al 100 % perquè la reacció és reversible i s'atura en un equilibri.

2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O (per a un mol de butà: C₄H₁₀ + 13/2 O₂ → 4 CO₂ + 5 H₂O).
n(butà) = 58/58 = 1,0 mol.
Oxigen: n = 1,0·13/2 = 6,5 mol → V = 6,5·22,4 = 146 L.
Diòxid de carboni: n = 4·1,0 = 4,0 mol → V = 4,0·22,4 = 89,6 L.
Aigua: n = 5·1,0 = 5,0 mol → m = 5,0·18 = 90 g.
Comprovació: massa de reactius = 58 + 6,5·32 = 266 g; massa de productes = 4,0·44 + 90 = 266 g.

Balanç d'àtoms: C₈H₆O₄ + C₂H₆O₂ és C₁₀H₁₂O₆, i la unitat repetitiva és C₁₀H₈O₄. La diferència, H₄O₂, són 2 H₂O: C₈H₆O₄ + C₂H₆O₂ → C₁₀H₈O₄ + 2 H₂O.
És una polimerització de condensació: els grups -COOH i -OH formen enllaços èster (el PET és un polièster) i es perd aigua.
M(àcid) = 166 g/mol → n = 83/166 = 0,50 mol. Cada mol d'àcid dona 1 mol d'unitats repetitives (M = 192 g/mol).
m(PET) = 0,50·192 = 96 g.
Comprovació: 83 g d'àcid + 31 g de diol (0,50 mol·62 g/mol) = 114 g = 96 g de PET + 18 g d'aigua (1,0 mol).

(a) D'addició: el doble enllaç s'obre i els monòmers s'enllacen sense perdre cap àtom.
(b) -CH₂-CHCl-.
(c) La massa molar del monòmer és 2·12 + 3·1 + 35,5 = 62,5 g/mol, i 125000/62,5 = 2.000 unitats.

Els dos compostos tenen carbonil, així que tots dos han de mostrar una banda forta de C=O cap a 1700-1740 cm⁻¹: aquest senyal és COMÚ i no els distingeix.
El que els separa és l'O-H. L'àcid carboxílic té el grup -COOH, que dona una banda d'O-H MOLT ampla de 3300 a 2500 cm⁻¹; l'èster no té cap O-H i, per tant, no mostra aquesta banda.
Espectre A: té la banda ampla 3300-2500 cm⁻¹ (de l'O-H) a més del C=O a 1710 cm⁻¹: és l'àcid etanoic.
Espectre B: té C=O a 1740 cm⁻¹ i C-O a 1200 cm⁻¹ però cap banda ampla d'O-H: és l'èster (acetat de metil).
Parany: veure el C=O als dos i pensar que són iguals; cal fixar-se en si hi ha o no la banda ampla d'O-H, perquè l'absència d'un senyal també informa.

Massa 46: fórmules possibles C_2H6O (24 + 6 + 16 = 46) o CH_2O2 (l'àcid fòrmic).
IR: la banda ampla a 3.300 indica un O-H d'alcohol, i l'absència de banda a 1.700 descarta un C=O. Queda descartat l'àcid fòrmic.
RMN: tres tipus d'hidrògens en proporció 3 : 2 : 1, que són el CH₃, el CH₂ i l'OH.
És l'etanol, CH₃-CH₂-OH. El dimetil èter, que té la mateixa massa, no té banda O-H i només donaria un senyal.

a) n(C) = n(CO₂) = 1,32/44 = 0,0300 mol → m(C) = 0,360 g. n(H) = 2·n(H₂O) = 2·0,54/18 = 0,0600 mol → m(H) = 0,060 g. m(O) = 0,74 - 0,360 - 0,060 = 0,320 g → n(O) = 0,320/16 = 0,0200 mol.
Relació C : H : O = 0,0300 : 0,0600 : 0,0200 = 3 : 6 : 2 → fórmula empírica C₃H₆O₂ (massa 74 g/mol). Com que coincideix amb la massa molar, la fórmula molecular també és C₃H₆O₂.
b) Àcid propanoic: CH₃-CH₂-COOH. Etanoat de metil: CH₃-COO-CH₃. Metanoat d'etil: H-COO-CH₂-CH₃.
c) Tenen la mateixa fórmula però grups funcionals diferents (-COOH i -COO-): és isomeria de funció.
Comprovació: els tres compostos tenen 3 C, 6 H i 2 O.

a) A és el propan-2-ol, CH₃-CHOH-CH₃. B és la propanona, CH₃-CO-CH₃. C és el propè, CH₂=CH-CH₃. D és el 2-bromopropà, CH₃-CHBr-CH₃.
b) A → B: oxidació (alcohol secundari → cetona). A → C + H₂O: eliminació (deshidratació). C + HBr → D: addició; el producte majoritari és el 2-bromopropà per la regla de Markovnikov (l'H s'uneix al carboni que ja en té més).
c) L'altre alcohol de fórmula C₃H₈O és el propan-1-ol, un alcohol primari: s'oxidaria a propanal, CH₃-CH₂-CHO, que encara s'oxida més fins a àcid propanoic. Com que B no s'oxida més, és una cetona i, per tant, A és un alcohol secundari.

a) I: 2-clorobutà. II: 1,2-dicloroetè. III: 1-clorobutà. IV: but-2-è.
b) Isomeria geomètrica (cis-trans): II i IV, perquè cada carboni del doble enllaç porta dos substituents diferents (H i Cl en II; H i CH₃ en IV). Existeixen les formes cis i trans.
Isomeria òptica: només I, perquè el C-2 està unit a quatre grups diferents (H, Cl, CH₃ i CH₂-CH₃). A III cap carboni és quiral, i II i IV no tenen cap carboni amb quatre substituents diferents.
c) I i III tenen la mateixa fórmula (C₄H₉Cl) i la mateixa cadena de 4 carbonis, però el Cl està en una posició diferent: és isomeria de posició.
Un isòmer de cadena de III és l'1-cloro-2-metilpropà, CH₃-CH(CH₃)-CH₂Cl (també C₄H₉Cl, però amb esquelet ramificat).

a) C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅-NO₂ + H₂O (l'H₂SO₄ fa de catalitzador). És una reacció de substitució (nitració): un H de l'anell és substituït pel grup -NO₂.
b) M(C₆H₆) = 78 g/mol → n = 15,6/78 = 0,200 mol. Relació 1:1, així que la massa teòrica és 0,200·123 = 24,6 g (M del C₆H₅NO₂ = 123 g/mol).
Amb un rendiment del 80 %: m = 24,6·0,80 = 19,7 g de nitrobenzè.
c) Els sis electrons π del benzè estan deslocalitzats per tot l'anell (aromaticitat), cosa que li dona una estabilitat especial. Una addició destruiria aquest sistema; una substitució el conserva. Per això el benzè no decolora l'aigua de brom com ho fa un alquè.

a) C₅₇H₁₁₀O₆ + 3 NaOH → 3 C₁₇H₃₅COONa + C₃H₈O₃. Cada molècula de greix té tres enllaços èster i, per tant, necessita tres NaOH i dona tres molècules de sabó.
Comprovació d'àtoms: C: 57 = 3·18 + 3; H: 110 + 3 = 3·35 + 8; O: 6 + 3 = 3·2 + 3.
b) M(greix) = 890 g/mol → n = 89,0/890 = 0,100 mol.
NaOH: n = 3·0,100 = 0,300 mol → m = 0,300·40 = 12,0 g.
Sabó: M(C₁₇H₃₅COONa) = 306 g/mol → massa teòrica = 3·0,100·306 = 91,8 g; amb un rendiment del 90 %: m = 91,8·0,90 = 82,6 g de sabó.
Comprovació de massa: 89,0 g de greix + 12,0 g de NaOH = 101,0 g = 91,8 g de sabó + 9,2 g de glicerol (0,100 mol·92 g/mol).

a) CH₃-CH₂Br + NaOH → CH₃-CH₂OH + NaBr: substitució (el Br és substituït pel grup -OH). Producte: etanol.
b) CH₃-CH=CH₂ + H₂O → CH₃-CHOH-CH₃: addició (hidratació); el producte majoritari, segons Markovnikov, és el propan-2-ol.
c) CH₃-CH₂-CH₂Cl + KOH → CH₃-CH=CH₂ + KCl + H₂O: eliminació (es perd HCl i apareix un doble enllaç). Producte: propè.
d) CH₃-COOH + CH₃-CH₂-NH₂ → CH₃-CO-NH-CH₂-CH₃ + H₂O: condensació (es perd una molècula d'aigua). Producte: N-etiletanamida.
Pista: l'hidròxid en medi aquós afavoreix la substitució i, en medi alcohòlic i en calent, l'eliminació.

a) n(C) = n(CO₂) = 1,318/44,01 = 0,02995 mol (m = 0,360 g). n(H) = 2·n(H₂O) = 2·0,540/18,02 = 0,05995 mol (m = 0,060 g). m(O) = 0,580 − 0,360 − 0,060 = 0,160 g → n(O) = 9,994·10^-3 mol. Proporcions C : H : O = 3,00 : 6,00 : 1 = 3 : 6 : 1 → fórmula empírica C₃H₆O (M = 58,08 g/mol). Com que M = 116 és el doble (2,0), la fórmula molecular és C₆H₁₂O₂. Insaturacions: (2·6 + 2 − 12)/2 = 1 (un C=O).
b) La banda intensa a 1 735 cm^-1 és un C=O d'èster (els àcids absorbeixen una mica més baix, ≈ 1 710, i tenen la banda ampla d'O–H; les cetones, prop d'1 715 cm^-1; i la banda intensa de C–O a 1 180 cm^-1 és típica dels èsters). No hi ha banda ampla entre 2 500 i 3 500 cm^-1: no hi ha O–H, de manera que no és un àcid ni un alcohol.
c) 4,12 (q, 2 H) i 1,25 (t, 3 H): grup –O–CH₂–CH₃ (el CH₂ es desplaça a camp baix perquè és al costat de l'O). 2,28 (t, 2 H): CH₂ al costat del C=O i d'un altre CH₂. 1,65 (sextet, 2 H): CH₂ amb 5 H veïns (2 + 3). 0,95 (t, 3 H): CH₃ al costat d'un CH₂. Estructura: CH₃–CH₂–CH₂–COO–CH₂–CH₃ → butanoat d'etil.
d) El pentanoat de metil, CH₃(CH₂)₃COOCH₃, tindria un singlet de 3 H prop de 3,7 ppm: el CH₃ unit a l'O no té H veïns i no es desdobla. L'etanoat de butil donaria un singlet de 3 H a ≈ 2,0 ppm (CH₃–C=O). Aquí no n'hi ha cap: tots els senyals estan desdoblats, de manera que l'estructura és la de l'etil.
e) CH₃CH₂CH₂COOCH₂CH₃ + NaOH → CH₃CH₂CH₂COONa (butanoat de sodi) + CH₃CH₂OH (etanol). n = 5,80/116,16 = 0,0499 mol → m(NaOH) = 0,0499·40,00 = 2,00 g i m(etanol) = 0,0499·46,07 = 2,30 g.

Errors típics

• Prendre la fórmula empírica com a molecular sense usar la massa molar de l'espectre de masses.
• Dir que la banda a 1 735 cm^-1 és sempre d'«àcid carboxílic»: cal mirar si hi ha banda ampla d'O–H (els àcids sí; els èsters no).
• Confondre l'ordre dels grups: el quartet de 4,1 ppm és el CH₂ unit a l'oxigen (part alcohòlica de l'èster) i el triplet de 2,3 ppm, el CH₂ unit al C=O (part àcida).

Conceptes treballats: anàlisi elemental per combustió, fórmula empírica i molecular, insaturacions, IR, RMN de protó (desplaçament, integració i multiplicitat), espectrometria de masses, nomenclatura d'èsters i hidròlisi bàsica.

a) C₅₇H₁₀₄O₆ + 3 CH₃OH → 3 C₁₉H₃₆O₂ + C₃H₈O₃ (trioleïna + metanol → oleat de metil + glicerol, propà-1,2,3-triol). És una transesterificació (substitució del grup alcohòlic d'un èster; es manté el grup èster). Comprovació de la massa: 885,4 + 3·32,04 = 981,5 i 3·296,48 + 92,09 = 981,5 g/mol.
b) n(oli) = 1000·10³ g/885,4 = 1129 mol. Metanol estequiomètric: 3·1129 = 3388 mol = 108,6 kg; usat (6 : 1): 217,1 kg. Biodièsel teòric = 3·1129·296,48 = 1004,6 kg; amb el 96 % de conversió: 964,4 kg. Glicerol: 1129·0,96·92,09 = 99,9 kg.
c) Economia atòmica = 3·296,48/(885,4 + 3·32,04) = 889,4/981,5 = 90,6 % (el glicerol és un coproducte aprofitable). Metanol en excés: 217,1 − 104,2 = 112,9 kg per recuperar per destil·lació.
d) C₁₉H₃₆O₂ + 27 O₂ → 19 CO₂ + 18 H₂O. Per kg de biodièsel: 19·44,01/296,48 = 2,82 kg de CO₂; amb 964,4 kg: 2,72 t de CO₂. Es diu «neutre en carboni» perquè el carboni de l'oli el va captar la planta de l'atmosfera per fotosíntesi: en cremar-lo, el CO₂ torna a l'atmosfera. Però només és neutre en part: el metanol sol provenir del gas natural, i el cultiu (maquinària, fertilitzants), el transport i el processament consumeixen energia fòssil; cal fer el balanç de tot el cicle de vida.
e) L'aigua hidrolitza l'èster (producte: àcid gras) i els àcids grassos lliures reaccionen amb la base: RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O. Es formen sabons (saponificació), que consumeixen el catalitzador, formen emulsions i dificulten la separació del glicerol i del biodièsel.

Errors típics

• Pensar que és una reacció de condensació amb pèrdua d'aigua: aquí no es perd cap molècula petita; es canvia el grup alcohòlic de l'èster.
• Calcular el metanol amb la relació 1 : 1 en lloc de 1 : 3 (cada molècula d'oli allibera 3 grups acil).
• Dir que el biodièsel no produeix CO₂ perquè «és renovable»: sí que en produeix; el que és discutible és el balanç net en tot el cicle.

Conceptes treballats: transesterificació, estequiometria amb massa molar elevada, rendiment i economia atòmica, combustió d'un èster, balanç de carboni, reaccions secundàries (hidròlisi i saponificació).

a) Enllaç amida: –CO–NH–. Unitat repetitiva del niló-6,6: –[NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]–, de fórmula C₁₂H₂₂N₂O₂ i M = 116,21 + 146,14 − 2·18,02 = 226,32 g/mol. Unitats per cadena: 22 600/226,32 ≈ 100. Polietilè: unitat –[CH₂–CH₂]– de 28,05 g/mol → 22 600/28,05 ≈ 806 unitats.
b) Niló-6,6: condensació, perquè els dos monòmers tenen dos grups funcionals diferents (–NH₂ i –COOH) que reaccionen entre ells amb eliminació d'una molècula petita (H₂O). Polietilè: addició, perquè el monòmer té un doble enllaç C=C que s'obre; tots els àtoms del monòmer es conserven al polímer.
c) n(unitats) = 1000·10³ g/226,32 = 4,42·10³ mol. Diamina: 4,42·10³·116,21 = 513 kg; àcid: 4,42·10³·146,14 = 646 kg; aigua: 2·4,42·10³·18,02 = 159 kg. Comprovació: 513 + 646 − 159 = 1000 kg.
d) r = 1/1,02 = 0,9804 → X_n = (1 + 0,9804)/(1 − 0,9804) ≈ 101 molècules de monòmer per cadena. Com cada monòmer aporta uns 113,2 g/mol, M_n màxima ≈ 101·113,2 ≈ 11 400 g/mol, la meitat de la desitjada: cadenes massa curtes, i un material més fràgil i amb menys resistència (les propietats mecàniques depenen de la longitud). Per això en la condensació cal una estequiometria gairebé exacta (1 : 1); en l'addició no hi ha aquesta limitació.
e) El niló té grups amida (–CO–NH–), que formen ponts d'hidrogen amb l'aigua i entre cadenes (explica també el seu punt de fusió més alt i la seva resistència). El polietilè és apolar (només C–C i C–H) i no hi interacciona. El niló es pot reciclar perquè l'amida s'hidrolitza (reacció inversa de la condensació) i es recuperen els monòmers; el polietilè només té enllaços C–C, molt estables, i no es pot hidrolitzar.

Errors típics

• Oblidar que cada unitat repetitiva del niló-6,6 comprèn dos monòmers (una diamina i un diàcid) i restar només 1 H₂O en lloc de 2.
• Pensar que la massa del polímer és la suma de les masses dels monòmers sense restar l'aigua alliberada.
• Dir que l'addició és «més lenta» o «més ràpida» en lloc de raonar sobre l'estructura: la diferència clau és que no s'allibera cap molècula petita.

Conceptes treballats: polímers d'addició i de condensació, enllaç amida, massa molar de la unitat repetitiva i grau de polimerització, estequiometria amb pèrdua d'aigua, estequiometria i longitud de cadena (Carothers), forces intermoleculars i reciclatge.

a) Carbonis asimètrics: C2 i C3 (cadascun amb –H, –OH, –COOH i –CH(OH)COOH). Grups funcionals: dos àcids carboxílics i dos alcohols (és un diàcid i un diol; l'àcid carboxílic té prioritat en el nom). Amb dos carbonis asimètrics s'esperen 2² = 4 estereoisòmers (RR, SS, RS, SR), però els dos extrems de la molècula són iguals: les formes RS i SR són la mateixa molècula (meso), de manera que només n'hi ha 3.
b) La forma meso és una sola molècula amb un pla de simetria intern: l'efecte òptic de la meitat (R) es compensa amb el de l'altra meitat (S) dins de la mateixa molècula (compensació interna). En la barreja racèmica hi ha dues molècules diferents (R,R i S,S) en proporció 1 : 1: la compensació és externa; es poden separar en dos enantiòmers. La forma meso no es pot desdoblar.
c) n(NaOH) = 0,0500·12,60·10^-3 = 6,30·10^-4 mol; com que cada àcid té 2 H àcids, n(àcid) = 6,30·10^-4/2 = 3,15·10^-4 mol en 10,00 mL → c = 0,0315 M → 0,0315·150,09 = 4,73 g/L.
d) [H⁺] = 10^-3,40 = 3,98·10^-4 M; K_a1 = 1,05·10^-3; K_a2 = 4,57·10^-5. D = 6,23·10^-7. α₀ = 25,4 % (H₂T); α₁ = 66,9 % (HT^-); α₂ = 7,7 % (T^2-). Predomina l'hidrogentartrat, HT^-, perquè el pH (3,40) és entre pK_a1 i pK_a2. Aquest anió és el que, amb el potassi del vi, forma l'hidrogentartrat de potassi (les «sals» o cristalls de tartrat) que es dipositen amb el fred.
e) HOOC–CH(OH)–CH(OH)–COOH + 2 CH₃CH₂OH ⇌ CH₃CH₂OOC–CH(OH)–CH(OH)–COOCH₂CH₃ + 2 H₂O: 2,3-dihidroxibutanodioat de dietil (tartrat de dietil), per una esterificació (condensació; es perd aigua) amb catàlisi àcida. n(àcid) = 7,50/150,09 = 0,0500 mol; m(èster) = 0,0500·206,19·0,70 = 7,21 g.

Errors típics

• Pensar que sempre hi ha 2ⁿ estereoisòmers: la regla es redueix quan la molècula té simetria interna (formes meso).
• Dir que la forma meso és una barreja de dos enantiòmers: és un sol compost, no una barreja.
• Calcular l'acidesa amb relació 1 : 1 entre àcid i NaOH: l'àcid tartàric té dos grups –COOH i gasta 2 mol de NaOH per mol.

Conceptes treballats: isomeria òptica (carbonis asimètrics, enantiòmers, compostos meso, mescla racèmica), grups funcionals i nomenclatura d'àcids, valoració àcid-base d'un diàcid, fraccions d'espècies segons el pH, esterificació.

a) n(4-aminofenol) = 3,00/109,13 = 0,02749 mol. m(anhídrid) = 4,00·1,08 = 4,32 g → n = 4,32/102,09 = 0,04232 mol. Com que la relació és 1 : 1, el reactiu limitant és el 4-aminofenol (hi ha un 54 % d'excés d'anhídrid). m_teòrica = 0,02749·151,16 = 4,16 g; rendiment = 3,20/4,16 × 100 = 77,0 %.
b) Economia atòmica = 151,16/(109,13 + 102,09) × 100 = 71,6 %: la resta és l'àcid etanoic (coproducte).
c) És una acilació (reacció de condensació amb pèrdua d'una molècula d'àcid etanoic) i s'hi forma una amida (–CO–NH–). L'amina és un nucleòfil millor que el fenol: el nitrogen és menys electronegatiu que l'oxigen i reté menys el seu parell d'electrons solitari; per això la reacció s'orienta cap a l'amida i no cap a l'èster.
d) Anhídrid sobrant: 0,04232 − 0,02749 = 0,0148 mol → 2·0,0148 = 0,0297 mol d'àcid; a més, 0,02749 mol d'àcid de la reacció. Total = 0,0571 mol d'àcid etanoic → NaHCO₃: 0,0571·84,01 = 4,80 g; CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂, de manera que es desprenen 0,0571 mol de CO₂ → V = nRT/P = 1,40 L.
e) L'anhídrid té dues bandes C=O (≈ 1 820 i ≈ 1 750 cm^-1); el paracetamol, una banda de C=O d'amida (≈ 1 650 cm^-1), a més de les bandes de N–H i d'O–H (≈ 3 300 cm^-1). La desaparició de la banda de l'anhídrid indica que no en queda. L'absència de 4-aminofenol es comprova amb el punt de fusió, la cromatografia de capa fina (la mateixa R_f que un patró de paracetamol i cap altre punt) o amb el RMN.

Errors típics

• Calcular el rendiment amb el reactiu en excés en lloc del limitant.
• Dividir la massa obtinguda per la massa de reactiu (o de la suma de reactius) en lloc de la massa teòrica de producte: el rendiment compara producte real amb producte teòric.
• No comptar que l'anhídrid sobrant dona 2 mol d'àcid etanoic en hidrolitzar-se (un per cada CH₃CO).

Conceptes treballats: reactiu limitant i rendiment, economia atòmica, acilació i formació d'amides, nucleofília, estequiometria dels residus, gasos i espectroscòpia IR.

a) 1) CH₃CH₂CH=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂CH(OH)CH₃ (butan-2-ol): reacció d'addició (hidratació). Regla de Markovnikov: en addicionar HX a un alquè asimètric, l'H s'uneix al carboni amb més H (C1) i el grup X (aquí OH) al que en té menys (C2); el carbocatió secundari intermedi (en C2) és més estable que el primari. 2) CH₃CH₂CH(OH)CH₃ → CH₃CH₂COCH₃ (butan-2-ona): oxidació d'un alcohol secundari a cetona.
b) n(cetona) = 500·10³/72,10 = 6934 mol. Rendiment global = 0,820·0,900 = 0,738. n(but-1-è) = 6934/0,738 = 9396 mol → 527,2 kg. Alcohol que cal formar: 9396·0,820 = 7705 mol → 571,1 kg de butan-2-ol.
c) n(Cr₂O₇^2-) = 6934/3 = 2311 mol → 680,0 kg de K₂Cr₂O₇ (uns 1,36 kg per kg de cetona) i 2·2311 mol de Cr³⁺ = 240,4 kg de crom com a residu (en aquesta aproximació, es calcula el dicromat estequiomètric, sense excés).
d) Deshidrogenació: economia atòmica = 72,10/74,12 = 97,3 %; l'únic coproducte és l'H₂ (14,0 kg per aquesta producció), que és aprofitable. Amb el dicromat es generen quantitats de sals de crom i d'aigua i s'han de tractar residus tòxics (el Cr(VI) és cancerigen); la deshidrogenació catalítica és molt més «verda».
e) El carbocatió és pla i l'aigua l'ataca igual per les dues cares, de manera que s'obté una mescla racèmica (50 : 50 dels dos enantiòmers), sense activitat òptica neta. A la butan-2-ona, el C2 és un carboni carbonílic (C=O) amb només tres substituents: ja no és asimètric i la molècula no és quiral.
f) El butan-1-ol és un alcohol primari: s'oxida a butanal i, amb excés de dicromat, a àcid butanoic; l'oxigen s'afegeix al carboni extrem i la cadena queda lineal. No dona cetona, perquè una cetona exigeix que el carboni oxidat tingui dos enllaços C–C.

Errors típics

• Aplicar la regla de Markovnikov a l'inrevés (l'H al carboni amb menys H).
• Fer servir un sol rendiment: cal multiplicar els rendiments de les dues etapes i treballar cap enrere.
• Pensar que una mescla racèmica és «una molècula sense quiralitat»: és una barreja 50 : 50 de dos enantiòmers, cada un dels quals sí que és quiral.

Conceptes treballats: addició a alquens (Markovnikov), oxidació d'alcohols, rendiment global en una síntesi de diverses etapes, estequiometria redox, economia atòmica i química verda, quiralitat i mescla racèmica.

a) >C=C< + I₂ → –CHI–CHI–: reacció d'addició electròfila. Els àcids grassos insaturats (oleic, linoleic, linolènic, amb 1, 2 i 3 dobles enllaços) fan augmentar l'índex d'iode; els saturats (palmític, esteàric) no hi contribueixen.
b) n(I₂) en 100 g = 115/253,80 = 0,453 mol. n(oli) en 100 g = 100/883 = 0,1133 mol. Dobles enllaços per molècula = 0,453/0,1133 = 4,00 ≈ 4.
c) n(oli) en 1,00 kg = 1 000/883 = 1,133 mol. Saturació total: 4·1,133 = 4,53 mol d'H₂ → V = nRT/P = 4,53·0,082·298,15 = 111 L. Fins a 1 C=C: 3·1,133 = 3,40 mol → 83 L. Índex d'iode del producte: M = 883 + 3·2,016 = 889,0 g/mol; índex = 1·253,80/889,0·100 = 28,5 g d'I₂/100 g (de 115 a 29).
d) En l'isòmer cis (àcid oleic) els dos fragments de cadena estan del mateix costat del doble enllaç i la cadena queda doblegada; en el trans (àcid elaidic) estan a costats oposats i la cadena és gairebé lineal, com la dels àcids saturats. Les cadenes rectes s'empaqueten més bé, amb més forces de dispersió de London entre molècules, de manera que els greixos trans tenen un punt de fusió més alt i són més sòlids a temperatura ambient. Els cis, doblegats, s'empaqueten pitjor i són líquids (olis).
e) És isomeria geomètrica (cis–trans), un tipus d'estereoisomeria: mateixa fórmula i mateix ordre dels enllaços, però diferent disposició espacial als dos costats d'un doble enllaç que no pot girar.

Errors típics

• Confondre l'índex d'iode amb la quantitat de H₂: l'I₂ s'addiciona igual que l'H₂, un mol per cada C=C, però la massa molar de l'I₂ és molt més gran.
• Calcular el nombre de dobles enllaços per gram d'oli en comptes de per molècula (cal passar a mols de triglicèrid).
• Dir que els isòmers cis i trans tenen el mateix punt de fusió perquè «són el mateix compost»: són compostos diferents, amb propietats físiques diferents.

Conceptes treballats: reaccions d'addició (halogenació i hidrogenació), insaturació dels greixos, estequiometria amb massa molar mitjana, gasos, isomeria geomètrica i relació entre estructura i propietats físiques.

a) n CH₂=CHCl → –[CH₂–CHCl]_n– (cloroetè o clorur de vinil → policlorur de vinil): polimerització d'addició (s'obre el doble enllaç C=C i no es perd cap molècula). % Cl = 35,45/62,49 × 100 = 56,7 %.
b) C₂H₃Cl + 5/2 O₂ → 2 CO₂ + H₂O + HCl (o 2 C₂H₃Cl + 5 O₂ → 4 CO₂ + 2 H₂O + 2 HCl).
c) m(PVC) = 50,0 t · 0,120 = 6,00 t = 6,00·10⁶ g → n(unitats) = 6,00·10⁶/62,49 = 96 010 mol. n(HCl) = 96 010 mol → m = 3,50 t d'HCl. n(CO₂) = 2·96 010 = 1,920·10⁵ mol → m = 8,45 t de CO₂ (només del PVC).
d) n(Ca(OH)₂) = 96 010/2 = 48 000 mol → 3,56 t; n(CaCl₂) = 48 000 mol → 5,33 t de residu salí (que cal gestionar). En la pràctica s'afegeix un excés de calç, perquè el contacte gas–sòlid no és perfecte i cal garantir que l'HCl quedi neutralitzat i no sigui emès.
e) [HCl] = 96 010 mol/(1 000·1 000 L) = 0,096 M → pH = −log(0,096) = 1,02: una aigua molt àcida, que no es pot abocar sense neutralitzar.
f) Amb clor present, a temperatures baixes o amb refredament lent poden formar-se compostos organoclorats tòxics i persistents (dioxines i furans); per això s'incinera a temperatura alta amb temps de residència prou llarg i es refreden els gasos ràpidament. El polietilè només té C i H: la seva combustió completa dona CO₂ i H₂O, sense gasos àcids.

Errors típics

• Posar 2 mol d'HCl per cada unitat de PVC: en cada unitat hi ha un sol àtom de clor.
• Oblidar la relació 2 : 1 entre HCl i Ca(OH)₂ en la neutralització, o oblidar passar tones a grams.
• Dir que la polimerització del PVC és de condensació: no s'allibera cap molècula petita; és una addició al doble enllaç.

Conceptes treballats: polimerització d'addició, composició centesimal, combustió d'un polímer, estequiometria amb tones, neutralització àcid-base, càlcul de pH, impacte ambiental de la incineració.

a) Insaturacions = (2·5 + 2 − 10)/2 = 1. La banda a 1 715 cm^-1, sense O–H ni C–H d'aldehid, indica un C=O de cetona (és l'única insaturació de la molècula; coherent amb C₅H₁₀O).
b) Dos senyals en RMN indiquen només dos tipus d'H: un grup CH₃ (triplet, 6 H → 2 CH₃) unit a un CH₂ (quartet, 4 H → 2 CH₂) i els dos CH₂ al costat del C=O (2,45 ppm). L'estructura és simètrica: CH₃CH₂–CO–CH₂CH₃, la pentan-3-ona. MS: M⁺ = 86; el pic base a m/z 57 és l'ió CH₃CH₂CO⁺ (3·12 + 5·1 + 16 = 57) per pèrdua d'un etil, i m/z 29 és CH₃CH₂⁺ (2·12 + 5 = 29). La pentan-2-ona, CH₃COCH₂CH₂CH₃, donaria un pic base a m/z 43 (CH₃CO⁺) i quatre senyals de RMN (un singlet de 3 H a ≈ 2,1 ppm, entre d'altres); no hi ha ni pic a 43 ni singlet.
c) Si fos clor, els dos pics serien M i M+2 amb una proporció 3 : 1; una proporció ≈ 1 : 1 és característica del brom (⁷⁹Br i ⁸¹Br). Massa: 3·12 + 7 + 79 = 122 i 3·12 + 7 + 81 = 124, d'acord amb les dades: C₃H₇Br. El doblet de 6 H i el septet d'1 H indiquen el grup isopropil: B és el 2-bromopropà, (CH₃)₂CH–Br. El pic base a m/z 43 és C₃H₇⁺ (3·12 + 7 = 43), per pèrdua de Br de l'ió molecular. L'1-bromopropà tindria tres senyals en RMN (triplet, sextet, triplet).
d) CH₃CH₂COCH₂CH₃ + H₂ → CH₃CH₂CH(OH)CH₂CH₃ (pentan-3-ol), una reducció (addició d'H₂ al C=O). El C3 té dos substituents iguals (etil, etil), de manera que no és asimètric: l'alcohol és aquiral i sense activitat òptica. En canvi, la pentan-2-ona dona pentan-2-ol, CH₃CH(OH)CH₂CH₂CH₃, amb el C2 unit a –H, –OH, –CH₃ i –CH₂CH₂CH₃: té un carboni asimètric i és quiral (s'obté com a mescla racèmica).
e) (i) KOH en etanol: eliminació, CH₃CHBrCH₃ → CH₃CH=CH₂ (propè) + KBr + H₂O. (ii) NaOH aquós: substitució, CH₃CHBrCH₃ + OH^- → CH₃CH(OH)CH₃ (propan-2-ol) + Br^-.

Errors típics

• Dir que l'ió molecular sempre és el pic més alt de l'espectre de masses: sovint es fragmenta i el pic base és un fragment.
• Pensar que dos pics moleculars a M i M+2 de la mateixa mida indiquen clor (el clor dona una relació 3 : 1; 1 : 1 és el brom).
• Oblidar que els dos grups etil iguals fan que la pentan-3-ona i el pentan-3-ol siguin simètrics: no hi ha cap carboni asimètric.

Conceptes treballats: espectrometria de masses (ió molecular, fragmentació, patró isotòpic), IR, RMN de protó, insaturacions, nomenclatura, reducció de cetones, quiralitat i reaccions d'eliminació i substitució d'halogenurs d'alquil.

a) Taula (mols): inici 0,250 / 0,250 / 0 / 0; equilibri 0,250−x / 0,250−x / x / x. K_c = x²/(0,250−x)² = 4,0 → x/(0,250−x) = 2 → x = 0,1667 mol. Equilibri: 0,167 mol d'èster i 0,167 mol d'aigua, 0,083 mol d'àcid i 0,083 mol d'alcohol. Rendiment = 0,1667/0,250 = 66,7 %; massa d'èster = 0,1667·130,19 = 21,7 g.
b) El reactiu limitant és l'alcohol. Amb α la conversió: α²/[(1−α)(3−α)] = 4 → 3α² − 16α + 12 = 0 → α = (16 − √112)/6 = 0,903 (l'altra arrel, 4,43, és impossible). Èster = 0,250·0,903 = 0,226 mol → 29,4 g (rendiment del 90,3 %). Es fa servir l'excés de l'àcid etanoic, que és barat i s'elimina fàcilment del producte rentant amb una solució de NaHCO₃ (es converteix en acetat de sodi, soluble en aigua); en canvi, el 3-metilbutan-1-ol és més car, poc soluble en aigua i té un punt d'ebullició (131 °C) proper al de l'èster (142 °C), de manera que és difícil de separar. És l'aplicació del principi de Le Châtelier: un excés de reactiu desplaça l'equilibri cap als productes.
c) Estat inicial del nou equilibri: èster 0,1667 mol, aigua 0,1667·0,10 = 0,01667 mol, àcid 0,0833 mol, alcohol 0,0833 mol. Q = (0,1667·0,01667)/0,0833² = 0,40 < K_c, de manera que el sistema evoluciona cap als productes. (0,1667+y)(0,01667+y) = 4,0 (0,0833−y)² → y = 0,0333 mol. Èster final = 0,200 mol: rendiment 80,0 % (26,0 g), amb 0,0500 mol d'aigua i 0,0500 mol de cada reactiu. En treure un producte, Q baixa per sota de K_c i l'equilibri es desplaça cap als productes. Repetint l'extracció es podria acostar al 100 %.
d) Fórmula molecular C₇H₁₄O₂ (130,19 g/mol). És una esterificació (reacció de condensació entre un àcid carboxílic i un alcohol, amb pèrdua d'aigua) i es forma el grup èster (–COO–). Isòmer de funció àcid carboxílic: per exemple l'àcid heptanoic, CH₃(CH₂)₅COOH, o l'àcid 4-metilhexanoic.
e) A l'IR l'alcohol i l'àcid mostren una banda ampla d'O–H (≈ 3 300 cm^-1 l'alcohol i molt ampla cap a 3 000 cm^-1 l'àcid); el producte pur no hauria de mostrar cap banda O–H i sí una banda intensa de C=O d'èster a ≈ 1 740 cm^-1 (l'àcid té el C=O cap a 1 710 cm^-1) i una de C–O a ≈ 1 240 cm^-1. A la RMN de ¹H, CH₃COO–CH₂–CH₂–CH(CH₃)₂ té 5 senyals amb integració 3 : 2 : 2 : 1 : 6 (CH₃CO; OCH₂; CH₂; CH; els dos CH₃ equivalents), que sumen 14 H.

Errors típics

• Prendre x = 0,250 mol (conversió completa) oblidant que és un equilibri amb K_c finita.
• En la prova amb excés d'àcid, calcular el rendiment respecte de l'àcid en lloc de respecte del reactiu limitant (l'alcohol).
• Creure que en treure l'aigua K_c canvia: el que canvia és Q; K_c només depèn de la temperatura.
• Comptar només 4 senyals de RMN a l'èster: el CH₃CO és un senyal a part dels dos metils terminals, que són equivalents entre ells.

Conceptes treballats: esterificació i grup èster, equilibri químic aplicat a la síntesi orgànica, rendiment i reactiu limitant, principi de Le Châtelier i quocient de reacció, isomeria de funció, identificació per IR i RMN.