3.2: Fórmula e Pesos Moleculares

Determinando a Fórmula Empírica da Penicilina

Apenas como a fórmula empírica de uma substância pode ser usada para determinar a sua composição percentual, a composição percentual de uma amostra pode ser usada para determinar a sua fórmula empírica, que pode então ser usada para determinar a sua fórmula molecular. Tal procedimento foi realmente usado para determinar as fórmulas empíricas e moleculares do primeiro antibiótico a ser descoberto: penicilina.

Antibióticos são compostos químicos que matam seletivamente microorganismos, muitos dos quais causam doenças. Embora os antibióticos sejam hoje em dia muitas vezes tomados como garantidos, a penicilina foi descoberta há apenas cerca de 80 anos. O desenvolvimento subsequente de uma vasta gama de outros antibióticos para o tratamento de muitas doenças comuns contribuiu muito para o aumento substancial da esperança de vida ao longo dos últimos 50 anos. A descoberta da penicilina é uma história histórica de detectives em que o uso de percentagens de massa para determinar fórmulas empíricas teve um papel fundamental.

Em 1928, Alexander Fleming, um jovem microbiologista da Universidade de Londres, trabalhava com uma bactéria comum que provoca furúnculos e outras infecções, como o envenenamento do sangue. Para estudo em laboratório, as bactérias são geralmente cultivadas na superfície de um gel contendo nutrientes em pequenos pratos de cultura plana. Um dia Fleming notou que uma de suas culturas estava contaminada por um bolor verde-azulado semelhante ao bolor encontrado em pão ou frutas estragadas. Tais acidentes são bastante comuns, e a maioria dos trabalhadores de laboratório teria simplesmente jogado as culturas fora. Fleming notou, entretanto, que as bactérias estavam crescendo em todos os lugares do gel, exceto perto do bolor contaminante (parte (a) na Figura 2), e ele levantou a hipótese de que o bolor deveria estar produzindo uma substância que ou matava as bactérias ou impedia o seu crescimento. Para testar essa hipótese, ele cultivou o mofo em um líquido e depois filtrou o líquido e o adicionou a várias culturas bacterianas. O líquido não só matou a bactéria Fleming, como também uma grande variedade de outras bactérias causadoras de doenças. Como o fungo era um membro da família Penicillium (nomeado pelos seus ramos em forma de lápis sob o microscópio) (parte (b) na Figura \PageIndex{2}), Fleming chamou o ingrediente ativo na penicilina de caldo.

Embora Fleming não fosse capaz de isolar a penicilina em forma pura, a importância médica da sua descoberta estimulou os pesquisadores em outros laboratórios. Finalmente, em 1940, dois químicos da Universidade de Oxford, Howard Florey (1898-1968) e Ernst Chain (1906-1979), foram capazes de isolar um produto ativo, que eles chamaram de penicilina G. Dentro de três anos, a penicilina G estava em uso difundido para tratar pneumonia, gangrena, gonorréia e outras doenças, e seu uso aumentou muito a taxa de sobrevivência dos soldados feridos na Segunda Guerra Mundial. Como resultado do seu trabalho, Fleming, Florey, e Chain partilharam o Prémio Nobel da Medicina em 1945.

Assim que conseguiram isolar a penicilina G pura, Florey e Chain submeteram o composto a um procedimento chamado análise de combustão (descrito mais à frente nesta secção) para determinar que elementos estavam presentes e em que quantidades. Os resultados de tais análises são geralmente relatados como percentagens de massa. Eles descobriram que uma amostra típica de penicilina G contém 53,9% de carbono, 4,8% de hidrogênio, 7,9% de nitrogênio, 9,0% de enxofre, e 6,5% de sódio em massa. A soma destes números é de apenas 82,1%, em vez de 100,0%, o que implica que deve haver um ou mais elementos adicionais. Um candidato razoável é o oxigênio, que é um componente comum dos compostos que contêm carbono e hidrogênio; não suponha que a massa “ausente” seja sempre devida ao oxigênio. Pode ser qualquer outro elemento. Por razões técnicas, no entanto, é difícil analisar directamente o oxigénio. Assumindo que toda a massa em falta é devida ao oxigénio, então a penicilina G contém (100,0% – 82,1%) = 17,9% de oxigénio. A partir destas percentagens de massa, a fórmula empírica e eventualmente a fórmula molecular do composto pode ser determinada.

Para determinar a fórmula empírica a partir das percentagens de massa dos elementos de um composto como a penicilina G, as percentagens de massa devem ser convertidas em números relativos de átomos. Por conveniência, suponha uma amostra de 100,0 g do composto, embora os tamanhos das amostras utilizadas para análises sejam geralmente muito menores, geralmente em miligramas. Esta suposição simplifica a aritmética porque uma porcentagem de massa de 53,9% de carbono corresponde a 53,9 g de carbono numa amostra de 100,0 g de penicilina G; da mesma forma, 4,8% de hidrogênio corresponde a 4,8 g de hidrogênio em 100,0 g de penicilina G; e assim por diante para os outros elementos. Cada massa é então dividida pela massa molar do elemento para determinar quantos moles de cada elemento estão presentes na amostra de 100,0 g:

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>Thus 100.0 g de penicilina G contém 4,49 mol de carbono, 4,8 mol de hidrogênio, 0,56 mol de nitrogênio, 0,28 mol de enxofre, 0,28 mol de sódio e 1,12 mol de oxigênio (assumindo que toda a massa que faltava era oxigênio). O número de valores significativos no número de moles de elementos varia entre dois e três porque alguns dos dados analíticos foram reportados para apenas dois valores significativos.

Estes resultados dão as razões dos moles dos vários elementos da amostra (4,49 mol de carbono para 4,8 mol de hidrogênio para 0,56 mol de nitrogênio, e assim por diante), mas não são as razões de número inteiro necessárias para a fórmula empírica – a fórmula empírica expressa os números relativos de átomos nos menores números inteiros possíveis. Para obter números inteiros, dividir os números de toupeiras de todos os elementos da amostra pelo número de toupeiras do elemento presente na menor quantidade relativa, que neste exemplo é enxofre ou sódio. Os resultados serão os subscritos dos elementos na fórmula empírica. Para duas figuras significativas, os resultados são os seguintes:

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A fórmula empírica da penicilina G é portanto C16H17N2NaO4S. Outras experiências mostraram que a penicilina G é na verdade um composto iônico que contém cátions Na+ e – ânions na proporção de 1:1. A complexa estrutura da penicilina G (Figura \PageIndex{3}) não foi determinada até 1948.

Em alguns casos, um ou mais dos subscritos de uma fórmula calculada usando este procedimento podem não ser inteiros. Isto significa que o composto de interesse contém um número não-integral de átomos? Não; erros de arredondamento nos cálculos, bem como erros experimentais nos dados podem resultar em proporções não integrais. Quando isto acontece, o julgamento deve ser exercido na interpretação dos resultados, como ilustrado no Exemplo 6. Em particular, rácios de 1,50, 1,33 ou 1,25 sugerem que você deve multiplicar todos os subscritos na fórmula por 2, 3, ou 4, respectivamente. Somente se a razão estiver dentro de 5% de um valor integral, deve-se considerar arredondamento para o inteiro mais próximo.