Fórmula Molecular: aprenda o que é e veja a Fórmula Estrutural

Quando um químico descobre um novo material, ele procura encontrar a sua composição por meio de técnicas físicas e químicas. A primeira coisa a se fazer é a purificação deste material, separando cada uma das substâncias ali presentes.

Em seguida, deve-se realizar uma análise elementar de cada um dos elementos da amostra. Através da análise qualitativa e quantitativa, é possível descobrir quais e quantos elementos químicos formam a amostra.

Com esse resultado, podemos escrever a fórmula molecular do composto, que indica o número real de átomos de cada elemento na molécula e pode ser determinada de três formas: através da fórmula mínima ou empírica, da fórmula percentual ou centesimal, ou ainda da fórmula estrutural.

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A fórmula molecular representa a composição exata de uma molécula, mostrando os tipos e quantidades de átomos presentes. Por exemplo, a água (H2O) tem 2 átomos de hidrogênio e 1 de oxigênio; o dióxido de carbono (CO2) tem 1 átomo de carbono e 2 de oxigênio. É fundamental para entender a estrutura química das substâncias.

A fórmula percentual ou centesimal indica a porcentagem, em massa, de cada um dos elementos que constituem a amostra.

Para determinar a fórmula percentual, devemos saber a massa total da amostra e a massa de cada elemento da amostra e jogar esses valores na fórmula 1.

Vejamos um exemplo:

A análise de um eucaliptol de massa total 3,16 g deu sua composição como 2,46 g de carbono (C), 0,373 g de hidrogênio (H) e 0,329 g de oxigênio (O).

Para determinar as percentagens em massa de C, H e O aplicamos a fórmula 1:

PASSO 1:

%C = 2,46 / 3,16 x 100% = 77,85%

%H = 0,373 / 3,16 x 100% = 11,80%

%O = 0,329 / 3,16 x 100% = 10,41%

A fórmula percentual da amostra é C_77,85%H_11,80%O_10,41%.

Agora podemos determinar a fórmula molecular da substância da seguinte forma:

PASSO 2:

Devemos supor, em todos os casos envolvendo fórmula percentual, que 100 g são 100% para converter a proporção dos elementos de porcentagem para massa.

100% amostra ---- 100 g           100% amostra ---- 100 g                 100% amostra ---- 100 g

77,85% C ---------- x      11,80% H ---------- y  10,41% O ---------- z

x = 77,85% x 100 g / 100%      y = 11,80% x 100 g / 100%             z = 10,41% x 100 g / 100%

x = 77,85 g de C           y = 11,80 g de H                 z = 10,41 g de O

PASSO 3:

Para determinar a quantidade em número de mol (n) de cada elemento, devemos dividir os valores de x, y e z pelas suas respectivas massas molares, segundo a fórmula 2.

n_C = 77,85 g / 12 g/mol = 6,49 mol

n_H = 11,80 g / 1 g/mol = 11,80 mol

n_O = 10,41 g / 16 g/mol = 0,65 mol

PASSO 4:

Por fim, dividimos todos os valores de n pelo menor deles, neste caso 0,65 g, e arredondamos para obter menor valor inteiro de átomos possível:

C = 6,49 mol / 0,65 = 9,98 ~ 10 mol de átomos de C

H = 11,80 mol / 0,65 = 18,15 ~ 18 mol de átomos de H

O = 0,65 mol / 0,65 = 1 mol de átomo de O

Portanto, a fórmula molecular do eucaliptol é C₁₀H₁₈O.

Para convertermos a fórmula molecular para fórmula percentual basta determinarmos a massa molecular (MM) através da massa atômica (MA) e do número de mol de átomos (n), usando a fórmula 3 da seguinte forma:

MMC₁₀H₁₈O = (10 x 12) + (18 x 1) + (1 x 16) = 120 + 18 + 16 = 154 g/mol

Assim, na massa molecular de 154 g/mol, o carbono participa com 120 g, o hidrogênio participa com 18 g e o oxigênio com 16 g:

154 g ---- 100%           154 g ---- 100%          154 g ---- 100%

120 g ---- x                 18 g ------ y                 16 g ------ z

x = 77,92% de C         y = 11,69% de H        z = 10,39% de O

Portanto, a fórmula percentual da amostra é C_77,92%H_11,69%O_10,39%.

Este valor foi bem próximo ao obtido a partir das massas dadas no exemplo.  

A fórmula mínima ou empírica indica a menor proporção, em números inteiros de mol, dos átomos dos elementos que constituem uma substância.

Em alguns casos, a fórmula mínima coincide com a fórmula molecular, como aconteceu no caso do eucaliptol. Tanto a fórmula mínima quanto a molecular é C₁₀H₁₈O. Porém, em outros casos, a fórmula molecular será um múltiplo inteiro da fórmula mínima, segundo a fórmula 4.

Vejamos alguns exemplos de como isso funciona na Tabela 1.

Tabela 1. Relação entre fórmula molecular e fórmula mínima.

A fórmula molecular pode ser obtida a partir dos seguintes métodos:

Método 1: A partir da porcentagem em massa, calculando a fórmula mínima.

Vejamos o exemplo da vitamina C, cuja massa molecular (MM) é 176 g/mol.

Pelo PASSO 2 descrito anteriormente temos, para 100 g de vitamina C:

C = 40,9% em massa = 40,9 g

H = 4,55% em massa = 4,55 g

O = 54,6% em massa = 54,6 g

Pelo PASSO 3 temos:

C = 40,9 g / 12 g/mol = 3,41 mol

H = 4,55 g / 1 g/mol = 4,55 mol

O = 54,6 g / 16 g/mol = 3,41 mol

Pelo PASSO 4 chegamos à fórmula mínima da substância:

C = 3,41 mol / 3,41 = 1 mol de átomos de C

H = 4,55 mol / 3,41 = 1,33 mol de átomos de H

O = 3,41 mol / 3,41 = 1 mol de átomos de O

Como o valor encontrado para H não é inteiro e está muito longe para arredondar para 1, devemos multiplicar todos os valores por 3 para obter a menor proporção de números inteiros. (Se multiplicássemos por 2, 1,33 x 2 = 2,66, o valor também estaria muito longe para ser arredondado para 3).

C = 1 mol x 3 = 3 mol de átomos de C

H = 1,33 mol x 3 = 4 mol de átomos de H

O = 1 mol x 3 = 3 mol de átomos de O

Logo, a fórmula mínima da vitamina C é C₃H₄O₃.

A fórmula mínima apresenta massa molecular igual a:

MMC₃H₄O₃ = (3 x 12) + (4 x 1) + (3 x 16) = 88 g/mol

Aplicando agora a fórmula 4, temos:

176 g/mol = 88 g/mol x n

n = 2

Portanto, a fórmula molecular da vitamina C é (C₃H₄O₃)₂ = C₆H₈O₆. 

Método 2: Relacionando as porcentagens em massa com a massa molecular do composto.

Por exemplo, temos que:

Relação da porcentagem em massa com a massa molecular do composto.

Considerando que sua fórmula molecular seja C_xH_yO_z, temos:

MMC_xH_yO_z = (12x) + (1y) + (16z) = 176 g/mol

176 g ---- 100%           176 g ---- 100%          176 g ---- 100%

12x g ---- 40,9%          1y g ------ 4,55%         16z g ------ 54,6%

x = 6 mol de átomos de C      y = 8 mol de átomos de H     z = 6 mol de átomos de O

Fórmula molecular = C₆H₈O₆

A fórmula estrutural, também chamada de fórmula estrutural plana, mostra as ligações entre os átomos e sua disposição na molécula. Cada par de elétrons compartilhado por dois átomos é representado por um traço (–). Duplas ligações são representadas por dois traços (=) e triplas ligações por três traços (≡).

Para montar a fórmula estrutural de uma molécula devemos lembrar da Teoria do Octeto, que afirma que os átomos estabilizam com 8 elétrons na sua camada de valência.

A fórmula estrutural é mais utilizada na química orgânica, cujas moléculas são constituídas basicamente de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Uma molécula pode apresentar diversas fórmulas estruturais, como acontece o C₃H₆.

As propriedades destas duas moléculas mudam completamente dependendo da sua fórmula estrutural. Para saber qual fórmula estrutural desenhar, é preciso saber a nomenclatura da molécula. As duas fórmulas estruturais possíveis para o C₃H₆ estão representadas abaixo:

Ciclopropano e propeno.

Em quase todas as situações, as ligações entre hidrogênio e outros átomos não são representadas na fórmula estrutural. Por exemplo, as fórmulas estruturais do ciclopropano e do propeno são mais encontradas da seguinte forma:

Ciclopropano e propeno.

Este tipo de representação é chamado de fórmula estrutural simplificada ou condensada.

Conseguir determinar a fórmula molecular a partir da fórmula estrutural é ainda mais fácil do que nos casos anteriores. Você terá que simplesmente contar a quantidade de átomos que existem na molécula e escrever a fórmula molecular. No caso do ciclopropano e do propeno, a fórmula molecular será a mesma: C₃H₆.

Fórmula 1

porcentagem da massa do elemento=\(\frac{massa\hspace{1mm}do\hspace{1mm}elemento\hspace{1mm}da\hspace{1mm}amostra}{massa\hspace{1mm}da\hspace{1mm}amostra} x 100%\)

Fórmula 2

 n = massa / massa molar

Fórmula 3

MM = n x MA

Fórmula 4

Fórmula molecular = (fórmula mínima) x n