Técnicas de cristalização

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Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)
Centro de Tecnologia e Geociências (CTG)
Departamento de Engenharia Química (DEQ)
Química Industrial - Análise Orgânica
Discentes: Maria Eduarda e Samyra
TÉCNICAS DE CRISTALIZAÇÃO
Resumo: O experimento descrito a seguir teve como objetivo, através de procedimentos de
cristalização, purificar, determinar a massa e o ponto de fusão de uma substância desconhecida
que também apresentava a presença de impurezas. Para isso, foi necessário fazer a solubilização
e escolher um reagente adequado para prosseguir todas as etapas dos procedimentos de forma a
se obter um resultado satisfatório visando o objetivo do experimento.
Palavras chave: cristalização, solubilidade
Introdução
A grande parte dos materiais
existentes na natureza são, em sua maioria,
formados por misturas de substâncias e, na
química, a purificação dessas substâncias é
de extrema importância. Para isso, existem
várias técnicas de purificação de misturas,
como é o caso da cristalização e da
recristalização.
A cristalização é um técnica de
purificação de compostos sólidos a uma
temperatura ambiente e consiste em provocar
a perda da solubilidade, obtendo-se um
precipitado e, com a filtração, é possível
fazer a remoção do precipitado pela
formação de um composto sólido que é
tipicamente cristalino.
Já a recristalização é uma técnica
para purificar os cristais que já foram obtidos
pela cristalização, uma vez que a
cristalização, embora separe os compostos de
forma quase pura, mantém algumas
impurezas que podem atrapalhar na obtenção
dos resultados.
Com o método da recristalização,
essas impurezas são removidas em uma
maior extensão. Esse método consiste em
dissolver os cristais em um pouco de
solvente a quente, os solventes mais
utilizados são: éter de petróleo, hexano,
diclorometano, acetona, etanol e água. Ainda
é necessário que esse solvente tenha algumas
características: não reaja com o soluto,
solubilize muito pouco a frio, solubilize por
completo à quente, tendo em vista que, é
importante que seja à quente, pois há a
necessidade de se formar uma solução
supersaturada, para, posteriormente,
precipitar-se e, consequentemente, sair em
formato de cristais após a filtragem, e seja
capaz de solubilizar as impurezas contidas
no soluto à frio.
Essas impurezas, que podem ser
removidas por cristalização, podem ser
classificadas por: impurezas insolúveis, que
posteriormente, podem ser retiradas pelo
método de filtração em uma solução quente
ou fria, impurezas bastante solúveis, nesse
caso, não há problema de permanecer na
solução, e impurezas coloridas, as quais são
formadas a partir da oxidação e
polimerização do oxigênio do ar, que podem
ser retiradas por absorção de carvão ativo.
Logo depois, filtra-se essa solução, que, em
seguida, será resfriada, assim, realizando
uma nova filtração para se obter novamente
os cristais.
Tal processo citado pode ser feito de
várias maneiras e diversas vezes para
aumentar a pureza do cristal desejado. Na
prática em questão, a recristalização será
usada para a purificação de uma substância,
na qual, ao final, será calculada a fórmula
molecular, determinada a sua fórmula
estrutural e o nome da substância em estudo.
Materiais
Almofariz de porcelana
Amostras desconhecidas contaminadas
Balança analítica
Bastão de vidro
Béquer
Dessecador
Erlenmeyer
Espátula
Estante para tubos de ensaio
Funil de Büchner
Funil de vidro
Fusiometro
Kitassato
Papel de filtro
Pinça de madeira
Pipeta graduada
Pisseta com água destilada
Placa cromatográfica
Placa de Petri
Tubo capilar
Tubos de ensaio
Vidro de relógio
Solventes:
Água
Álcool etílico
Álcool metílico
Diclorometano
Éter de petróleo
Hexano
Procedimento Experimental
Para começar, são fornecidas duas
amostras desconhecidas que são
contaminadas propositalmente e
caracterizadas como uma mistura de cristais
brancos e amarelos.
A primeira amostra, sem massa
definida, tem por finalidade realizar o teste
de solubilidade da impureza na presença dos
seguintes compostos orgânicos como
solventes: éter de petróleo, hexano,
diclorometano, álcool etílico, álcool metílico
e água.
A segunda amostra tem sua massa
definida totalizando 1,006 g (Grupo 2) e sua
finalidade é ser utilizada após os testes de
solubilidade, descritos a seguir, para a
realizar o processo de recristalização.
Também é medida a massa da tampa
da placa de petri juntamente ao papel de
filtro a ser utilizado na recristalização.
Cromatografia em camada fina (inicial):
É necessário utilizar as fases da
primeira amostra de forma separada em 3
recipientes de cerâmica e solubilizá-las a
partir do solvente mais adequado, definido
na fase teste, para realizar a cromatografia
em camada fina.
A partir da separação, adiciona-se o
solvente nos 3 recipientes e, após a completa
solubilização, são utilizados os capilares e
uma placa de vidro cromatográfica, contendo
sílica gel (SiO2), para comparar o tamanho
da coluna nas três diferentes amostras.
Processo de recristalização:
Na primeira parte do experimento,
adiciona-se, aproximadamente, a mesma
massa em 6 tubos de ensaio e, em cada um
deles, adiciona-se aproximadamente 3 mL
dos solventes: éter de petróleo, hexano,
diclorometano, álcool etílico, álcool metílico
e água.
Primeiramente, é realizada a
solubilização à frio com os solventes
supracitados e, caso não solubilize, realiza-se
a solubilização à quente colocando em banho
maria, imergindo o tubo de ensaio com a
amostra e o agente dentro de um béquer com
água, que estava sendo aquecida a 80 °C e
aguardar a possível solubilização da amostra,
acompanhando as mudanças aparentes.
Obs1: A solubilização deve ser
realizada com o auxílio de um bastão de
vidro sempre que necessário.
Obs2: A adição dos solventes, exceto
a água, deve ser realizada na capela.
Ao final das etapas de solubilização
em todas as amostras, identifica-se o
solvente mais adequado para o processo de
recristalização posterior.
Após a determinação do melhor
solvente, coloca-se a segunda amostra dentro
de um erlenmeyer juntamente com a água
destilada utilizada como solvente, para
prosseguir com o processo de recristalização.
Depois do processo finalizado e da
impureza totalmente solubilizada, filtra-se a
amostra, tendo como objetivo não deixar
nenhuma parte da solução no erlenmeyer ao
fim da filtração. Dessa forma, obteve-se a
substância separada e dissolvida
completamente da impureza, ou seja, o
cristal amarelo.
Com o auxílio de um recipiente com
gelo, acelerou-se o resfriamento e,
consequentemente, o processo de
cristalização da substância dissolvida. Ao
fim do resfriamento, foi realizada a filtração
a vácuo, e, posteriormente, foi utilizado o
dessecador com o objetivo de separar a
substância da água em que ela estava, para
que obtivéssemos a massa da mesma.
Ao fim dessa etapa, adicionou-se e
macerou-se, com o auxílio do bastão de
vidro, um pouco da amostra pura no vidro de
relógio e um pouco da amostra recristalizada
em outro vidro de relógio, com finalidade de
facilitar a solubilização das mesmas na
presença de uma pequena quantidade do
reagente. Após a solubilização, as amostras
dissolvidas são utilizadas na cromatografia a
fim de verificar a pureza da substância
recristalizada.
Com a parte restante da amostra
recristalizada, utilizou-se o capilar adequado
para adquirir uma pequena parte da amostra,
compactar uma quantidade suficiente para
ser visualizada no fusiometro e determinar a
temperatura em que a substância muda da
fase sólida para a líquida.
Resultados e Discussão
Tendo sido realizado todo o
procedimento experimental conforme
solicitado e seguindo a prática de maneira
correta, foi possível observar os resultados
que estão descritos a seguir.
Com duas amostras desconhecidas,
sendo uma com uma massa definida do
material que passa pelo processo de
recristalização, e, por sua vez, só é utilizada
depois que o solvente idealé definido, já a
outra amostra deve ser utilizada para testes
iniciais. Nas amostras haviam cristais
brancos e amarelos (contaminantes).
A prática começou pelos testes de
solubilidade realizados com seis solventes
diferentes. Os tubos de ensaio foram
devidamente identificados, como pode ser
observado na imagem 1. Foi determinado
pelo grupo que o ideal seria utilizar uma
pequena quantidade de soluto e solvente e
que o mesmo padrão seria replicado nos 6
tubos de ensaio, o que aumenta a
confiabilidade dos resultados e auxilia na
comparação dos comportamentos reativos.
Imagem 1: tubos de ensaio identificados para a fase
teste.
O objetivo dessa etapa consiste em
encontrar dois perfis de solvente: um que
solubilize à frio toda a amostra para a
realização da cromatografia em camada fina
(CCF) e outro que solubilize à quente apenas
os cristais brancos.
A primeira solubilização realizada foi
à frio, assim, foram descartados os solventes
que solubilizam em condições de
temperatura ambiente, pois o solvente ideal
para uma recristalização só deve solubilizar à
quente. Dessa forma, observou-se que o éter
solubilizou parcialmente os cristais
amarelos; o hexano solubilizou
completamente os cristais amarelos; o
diclorometano solubilizou os cristais brancos
e amarelos; o álcool etílico não solubilizou
nenhum dos cristais; o álcool metílico
solubilizou os cristais amarelos e brancos e a
água destilada não solubilizou nenhum dos
cristais.
Após isso, os que não solubilizaram à
frio foram submetidos a um sistema de
aquecimento em banho maria, no qual
observou-se que o éter evaporou rapidamente
assim que foi submetido ao aquecimento; o
hexano não mudou o comportamento
comparado com a solubilização à frio
(permaneceu sem solubilizar os cristais
brancos); o álcool etílico solubilizou os
cristais amarelos e brancos e a água destilada
solubilizou apenas os cristais brancos.
Dessa forma, chega-se ao final do
procedimento do teste de solubilização, e
mediante ao comportamento das amostras,
como pode ser observado nas imagem 2,
pode-se concluir que a água seria o solvente
ideal para a recristalização, haja vista que faz
a seletividade dos cristais ao não solubilizar
as impurezas (cristais amarelos). Também foi
possível concluir que o álcool metílico
(metanol) seria o solvente ideal para a
cromatografia em camada fina, uma vez que
foi o único solvente que solubilizou os
cristais amarelos e brancos à frio. Assim, a
fase teste foi finalizada.
Imagem 2: Resultado dos testes de solubilidade nos 6
solventes.
Na recristalização, foi utilizada a
amostra fornecida, em que a mesma foi
solubilizada em um erlenmeyer com água
destilada, como pode ser observado na
imagem 3, enquanto estava sendo submetido
ao aquecimento, homogeneizando com a
ajuda de um bastão de vidro, depois foi
transferido para o sistema de filtragem
atmosférica, sempre lavando o recipiente
onde se encontrava a amostra para que
houvesse o mínimo de perdas de massa
possível. Conclui-se que, nessa etapa, houve
perda na transferência por uso inadequado do
bastão de vidro como instrumento auxiliar e,
ao tentar solubilizar o soluto que ainda
estava no erlenmeyer, o processo de
recristalização já estava se iniciando. O
soluto composto por cristais amarelos
(material que ficou sobre o filtro de papel),
como pode ser observado na imagem 4, foi
descartado, visto que o mesmo não era mais
objeto de estudo da prática em questão.
Imagem 3: Solubilização da amostra em água
destilada.
Imagem 4: Soluto amarelo (contaminante).
Em seguida, deu-se seguimento ao
processo de recristalização à frio por meio de
um banho maria invertido ou banho de gelo
onde houve a formação satisfatória dos
cristais depois de, aproximadamente, 10
minutos. Um importante fator de perda nesse
processo é a recristalização incompleta no
banho de gelo.
Depois, uma placa de petri
juntamente com um filtro de papel foram
pesados, por meio de uma balança analítica,
para cálculos posteriores, na qual obtivemos
a massa de 44,023g. Posteriormente, a
amostra já recristalizada após o banho de
gelo foi despejada cuidadosamente sobre um
sistema de filtragem à vácuo, utilizando o
mesmo papel filtro pesado anteriormente,
sempre lavando com água e passando pelo
processo de filtragem para evitar perdas por
aderência do soluto na vidraria. Uma
pequena parte do material cristalizado ficou
depositada nas paredes do funil de buchner,
provocando perdas do material filtrado, além
de alguns cristais aderidos a parede do
erlenmeyer.
Após o processo de filtragem à
vácuo, com o objetivo de separar os cristais
da água-mãe, o papel filtro juntamente com o
soluto recristalizado foi colocado na mesma
placa de petri pesada anteriormente, como
pode ser observado na imagem 5, que, por
sua vez, foi colocado em um dessecador,
como pode ser observado na imagem 6, cujo
objetivo é absorver toda umidade do
material. Após 6 dias, o material foi retirado
do dessecador para medição da massa final e
obtivemos 44,311g. Também foi possível
observar com clareza alguns cristais em
formato de agulha e outros como pequenas
partículas brancas com um aspecto cristalino.
Sobre tal formação, vale salientar que,
quando uma recristalização ocorre de forma
espontânea, é esperada a formação de cristais
no formato de agulha, como, no
experimento, o processo de resfriamento
(recristalização) foi forçado, alguns cristais
assumem o formato de partículas muito
pequenas.
Imagem 5: Amostra filtrada.
Imagem 6: Amostra no dessecador.
Paralelamente, uma parte da amostra
de teste foi solubilizada com o solvente
álcool metílico, escolhido como ideal através
do teste de solubilidade realizado
anteriormente, e o mesmo foi feito com uma
amostra contendo apenas os cristais amarelos
e outra contendo apenas os cristais brancos
dispostas sobre uma placa de vidro, na qual a
mesma foi submetida ao eluente e,
posteriormente, observou-se que a
cromatografia não ocorreu de forma
satisfatória, gerando resultados
inconclusivos, pois o material não se moveu
na coluna, como pode ser observado na
imagem 7. Uma possível causa para esse
erro é uma quantidade muito grande de
soluto ou a solubilização incompleta,
levando partículas do material não
solubilizado para a coluna, que, por sua vez,
não conseguiu arrastá-la; Outra possível
causa é a retirada precoce do material no
eluente. Vale salientar, também, que o
resultado esperado é que a coluna da amostra
(3) esteja em um altura intermediária entre a
altura da coluna que representa a amostra dos
cristais amarelos (1) e a coluna que
representa a amostra dos cristais brancos (2).
Obs3: Não foi possível realizar o
cálculo de fator de retenção neste
experimento, já que a cromatográfica não
ocorreu da forma esperada e não houve a
formação de colunas.
Imagem 7: Resultado da CCF comparando a amostra
do grupo (contaminada), uma amostra contendo
apenas os cristais amarelos como soluto e uma
amostra contendo apenas cristais brancos como
soluto.
Com o material recristalizado já sem
umidade vindo do dessecador, foi realizada
uma nova cromatografia em camada fina,
com o objetivo de verificar a eficiência da
recristalização, comparando uma amostra
pura e a recristalizada pelo grupo. As
amostras passaram pelo mesmo processo de
solubilização com álcool metílico, utilizando
pouco soluto e certificando-se quanto a
solubilidade completa para assim poder
coletar o material e submetê-lo ao eluente na
placa de vidro, transferindo o material com o
auxílio de um capilar e posteriormente
finalizar a CCF, apresentando um resultado
como pode ser observado na imagem 8.
Dessa forma, obtivemos um resultado
satisfatório. Nessa cromatografia, a amostra
foi macerada para facilitar a solubilização e
evitar erros.
Imagem 8: Resultado da CCF comparando a amostra
pura com a recristalizada pelo grupo.
Na segunda cromatografia, que
podemos observar na imagem 8, realizou-se
o cálculode fator de retenção abaixo:
𝑅𝑓 = 𝐷𝑠𝐷𝑚 
Distância percorrida pela substância pura:
4,3 cm
Distância percorrida pela substância em
estudo: 3,7 cm
Distância percorrida pela fase móvel: 6,6 cm
da substância pura:𝑅𝑓 4,36,6 = 0, 65
da substância em estudo:𝑅𝑓 3,76,6 = 0, 56
Com o mesmo material recristalizado
e sem umidade vindo do dessecador, também
foi realizada a determinação do ponto de
fusão da amostra através de um fusiômetro,
como pode ser observado na imagem 9,
realizando o processo de colocar a amostra
no capilar, compactar e observar atentamente
o aumento gradual da temperatura até que se
constate o ponto onde o soluto recristalizado
e macerado começa a passagem do estado
físico sólido para o líquido. Dessa forma,
observou-se que o ponto de fusão é de
aproximadamente 116°C.
Imagem 9: Fusiômetro.
Cálculo do Rendimento:
Placa de petri + papel de filtro = 44,023g
Placa de petri + papel de filtro + material
recristalizado = 44,311g
44,311 - 44,023 = 0,288g
(peso total da substância recristalizada)
1,006g —---- Massa inicial (impura)
0,288g —--- Massa recuperada
O resultado esperado fornecido pela
professora seria 0,854g. Pode-se associar a
perda a vários momentos citados
anteriormente. Dentre as principais fontes de
perda, podemos destacar principalmente
erros na transferência da solução e o
processo de recristalização forçada em si,
uma vez que o ambiente não é 100%
controlado, espaços e materiais são limitados
como quando a cristalização iniciou-se antes
do processo de filtragem.
Substância: Ácido benzóico
Fórmula Molecular: C6H5COOH
Fórmula Estrutural:
Conclusão
Portanto, ao fim da prática, foi
possível utilizar diversas técnicas, como a
utilização do sistema de filtração a vácuo,
métodos para identificar o melhor solvente,
recristalização e purificação de uma
substância, também foi possível analisar a
pureza da amostra e seu rendimento.
A partir dos resultados que foram
obtidos tanto durante a prática, foi possível
determinar, após o processo de
recristalização e obtenção da massa, algumas
características físicas e químicas da
substância desconhecida que tínhamos no
início da prática, como o ponto de fusão, o
nome da substância, e com a ajuda das
informações que tínhamos no início da
prática, calcular a sua fórmula molecular,
determinar sua fórmula estrutural e por fim,
identificar e determinar nome da substância.
Para começar o processo de
identificação da substância, com base no
organograma, obtivemos como resposta os
compostos da classe S2 de solubilidade.
Partindo para as características
físicas, foi possível verificar semelhanças
quanto a aparência física, sua solubilidade
em água e também no éter, visto que é uma
das condições para sua possível classificação
de solubilidade final. Obtivemos uma
pequena diferença quanto ao ponto de fusão,
pois ainda pode ser considerada a presença
de impurezas na substância.
Foi analisada, também, outra
diferença após o cálculo de rendimento em
relação à massa que era esperada, fornecida
pela professora, devido a algumas fontes de
erros que ocorreram durante o experimento.
Ao fim de todo o processo, chegamos
no composto aromático ácido benzóico, que
tem sua fórmula molecular C6H5COOH, e
características similares a substância
desconhecida.
Questões
1. Por que se usa papel de filtro
pregueado na filtração a quente? Para
aumentar a superfície de contato de
filtração, o que aumenta a velocidade da
filtração.
2. Qual a importância do
resfriamento espontâneo da solução após
seu aquecimento para dissolver o sólido a
cristalizar? A solução deve ser permitida
resfriar lentamente à temperatura ambiente.
O resfriamento gradual é propício para a
formação de cristais grandes e bem
definidos.
3. Quando se usa funil de
Büchner? E em que situação o funil de
Hirsch é recomendado? O funil de Hirsch
apresenta a mesma finalidade que o funil de
Büchner no processo de filtração à vácuo.
A principal diferença de ambos é referente
ao volume da amostra usada. O funil de
Hirsch é usado na separação de volumes
menores, tipicamente de 1 a 10 mL (mas há
funis de Hirsch para volumes maiores).
Outra diferença é que no funil de Hirsch
pode haver placa filtrante de vidro
sinterizado (um vidro poroso, obtido a
partir do aquecimento de partículas de
vidro) no lugar da base com furos presente
no Büchner.
4. Em que situação se usa a pistola
de secagem de Abderhalden e quais as
condições adequadas? A pistola de
secagem de abderhalden é usada em
situações em que se precisa retirar
impurezas (geralmente essa impureza é
água) e esse instrumento é utilizado para
compostos orgânicos já que para moléculas
inorgânicas existem outros métodos como a
calcinação que não se usa em compostos
orgânicos e as condições para o uso devem
ser leve, suaves e cuidadosamente
controlada.
5. Quais as características físicas
do carvão ativo que o tornam tão úteis na
remoção de impurezas coloridas e
resinosas? O carvão ativo é um adsorvente
poderoso e a sua estrutura é basicamente
constituída por camadas hexagonais
paralelas formadas de carbono tetraédrico,
que estão interligadas pelos vértices dos
átomos de carbono. Essa região pode
acomodar uma série de elementos como
oxigênio, nitrogênio e hidrogênio que
podem estar na forma simples ou como
grupos funcionais, e a absorção pode se dar
por meios físicos, pelo tamanho dos poros
separando macromolecules de
micromoléculas ou por meio químico que
está relacionado com a interação entre a
superfície do carvão e das moléculas.
6. Qual o maior inconveniente da
técnica de inoculação para induzir a
cristalização? O maior inconveniente dessa
técnica é que precisa se certificar que o
cristal utilizado na inoculação é puro, pois,
se houver alguma impureza, o meio será
contaminado.
7.Quais os principais agentes
secantes? Cloreto de cálcio , sílica gel ,
ácido sulfúrico concentrado ou pentóxido
de fósforo.
8. Por que se realizam os testes de
solubilidade da amostra na ordem
crescente de polaridade dos solventes
(etapa 4 do procedimento)? O teste é
realizado na ordem crescente de polaridade,
pois é necessário determinar qual
polaridade será mais adequada à
solubilização do soluto e, nos solventes
disponibilizados, observa-se que, quanto
menor a polaridade, maior a volatilidade.
Assim, já que o solvente precisa ser à
quente, um solvente de ponto de ebulição
muito baixo não é interessante, pois será
evaporado muito rápido. Já um solvente
menos volátil, não será evaporado com
facilidade, possibilitando que, com o
aquecimento, a supersaturação da solução
ocorra.
Referências
[1] Cromatografia: um breve ensaio.
PubliSBQ, 7 de maio de 1998. Disponível
em:
<http://qnint.sbq.org.br/novo/index.php?hash
=conceito.33>.
[2] Cromatografia. Universidade da
Madeira. Disponível em:
<http://www3.uma.pt/quimica_organica/cont
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[3] Crystallization. BYJU’S. Disponível
em:
<https://byjus.com/chemistry/crystallization/
>.
[4] Diferença entre cristalização e
recristalização. EsDifferent.com. Disponível
em:
<https://pt.esdifferent.com/difference-betwee
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[5] Processo de Filtração - Sistema de
Filtração à vácuo e papel filtro. SPLabor, 6
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<https://www.splabor.com.br/blog/filtracao/a
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[6] Recrystallization. Wired
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<http://www.wiredchemist.com/chemistry/in
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[7] De onde vêm os nomes das vidrarias
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Disponível em:
<https://www.scielo.br/j/qn/a/KfBLxyDrjy4P
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[8] Pistola desecadora de Abderhalden.
Quimicafacil.net, 29 de out. de 2018.
Disponível em:
<https://quimicafacil.net/infografias/pistola-
desecadora-de-abderhalden/>.
[9] Carvão ativo. Universidade
Federal de São João Del-rei, 1 de out. de
http://www.wiredchemist.com/chemistry/instructional/laboratory-tutorials/recrystallization
http://www.wiredchemist.com/chemistry/instructional/laboratory-tutorials/recrystallization
http://www.wiredchemist.com/chemistry/instructional/laboratory-tutorials/recrystallization
2008. Disponível em:
<https://ufsj.edu.br/dcnat/carvao_ativo.php>.