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Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Curitiba Departamento Acadêmico de Química e Biologia – DAQBi Bacharelado em Química SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS CURITIBA 23 DE MARÇO DE 2022 SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS Relatório técnico apresentado na disciplina de Práticas de Química Orgânica como forma parcial de avaliação referente ao curso de Química da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. CURITIBA, 23 DE MARÇO DE 2022 RESUMO No presente trabalho analisou-se a solubilidade de compostos orgânicos sólidos e líquidos, utilizando cinco amostras desconhecidas. Empregando os testes de solubilidade presentes no esquema e tabela de classificação presentes no roteiro foi possível identificar e propor qual seriam os compostos desconhecidos de acordo com a análise da solubilidade. Os resultados obtidos foram satisfatórios pois conseguiu-se classificar todas as amostras. SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4 2.OBJETIVOS ............................................................................................................. 5 3. MATERIAIS E MÉTODOS....................................................................................... 5 3.1 MATERIAIS ....................................................................................................... 5 3.2 REAGENTES ..................................................................................................... 5 3.2 METODOLOGIA ................................................................................................ 5 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................... 8 5. QUESTÕES .......................................................................................................... 11 6. CONCLUSÃO ........................................................................................................ 15 7. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 16 4 1.INTRODUÇÃO Uma ligação covalente polar acontece quando os elétrons não estão igualmente distribuídos pelos átomos ligados, tem momento de dipolo diferente de zero. Uma molécula polar é uma molécula com momento de dipolo diferente de zero. Uma molécula apolar é uma molécula cujo momento de dipolo elétrico é igual a zero [1]. A solubilidade é um dos temas mais relevantes da área da química, tanto pela sua importância intrínseca quanto pela variedade de fenômenos e propriedades químicas envolvidas no seu entendimento. A solubilidade de uma substância orgânica está diretamente relacionada com a estrutura molecular, especialmente com a polaridade das ligações e da espécie química como um todo (momento de dipolo). Geralmente, os compostos apolares ou fracamente polares são solúveis em solventes apolares ou de baixa polaridade, enquanto que compostos de alta polaridade são solúveis em solventes também polares, o que está de acordo com a regra empírica de grande utilidade: “polar dissolve polar, apolar dissolve apolar” ou “o semelhante dissolve o semelhante” [3]. O processo de solubilização se dá pela interação entre a espécie que se deseja solubilizar (soluto) e a substância que a dissolve (solvente), e pode ser definida como a quantidade de soluto que dissolve em uma determinada quantidade de solvente, em condições de equilíbrio. Solubilidade é, portanto, um termo quantitativo. É uma propriedade física importante que desempenha um papel fundamental no comportamento das substâncias químicas, especialmente dos compostos orgânicos. É de interesse em diversas áreas, por exemplo: materiais, farmacêutica e ambiental. Em particular, na concepção de fármacos, é essencial considerar a solubilidade aquosa, a qual influencia fortemente as propriedades farmacocinéticas, tais como absorção, distribuição, metabolismo e excreção [3]. Em geral, compostos com grupos polares e de baixa massa molecular terão solubilidade em água. A presença de grupos ácidos resultará em solubilização em meio básico devido à reação de formação de um sal. Por outro lado, compostos com grupos básicos terão reação em meio ácido gerando um sal de amônio. 5 2.OBJETIVOS Determinar a solubilidade de algumas amostras líquidas e sólidas (A, B, C, D e E) para identificar o tipo de grupo funcional que as amostras devem conter e consequentemente propor qual será o composto orgânico em cada caso. 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS 1. Espátulas 2. Tubos de ensaios e suporte 3. Papel indicador 4. Pipetas graduadas de 5mL 5. Provetas de 100 mL 6. Pipetas Graduadas de 10 mL 7. Pera. 3.2 REAGENTES 1. Solução de ácido clorídrico (HCl) 5% 2. Solução de hidróxido de sódio (NaOH) 5% 3. Solução de bicarbonato de sódio (NaHCO3) 5% 4. Éter Etílico (CH3CH2-O-CH2CH3) 5. Ácido Sulfúrico (H2SO4) 96% 6. Ácido Fosfórico (H3PO4) 85% 7. P-metil anilina (ou p-toluidina) 8. Ácido benzóico 9. Antraceno 10. Acetato de etila 11. Etanodiol (etilenoglicol). 3.2 METODOLOGIA Amostra A Primeiro, foram adicionados cerca de 2mL de água ao tubo de ensaio em que continha a amostra. Em seguida foram adicionados, em uma nova amostra, cerca de 2mL de hidróxido de sódio (NaOH) 5%. Em seguida, se adicionou cerca de 2ml de bicarbonato de sódio (NaHCO3) 5%. 6 Amostra B Em um tubo de ensaio colocou-se uma pequena quantidade da amostra B (sólida), em seguida adicionou-se aproximadamente 2mL de água. Repetiu-se o procedimento agora usando a solução de hidróxido de sódio (NaOH) 5%. Seguindo o fluxograma do esquema 1 adicionou-se aproximadamente 2mL de ácido clorídrico (HCl) 5%, em seguida, adicionou-se 2mL de ácido sulfúrico (H2SO4) 96%. Amostra C À primeira vista analisando as características físicas do composto foi possível notar que era um sólido, estava em forma de grãos pequenos e possuía uma coloração levemente marrom. Na primeira etapa foi adicionado água a uma pequena quantidade de amostra do sólido em um tubo de ensaio. Seguindo para a segunda etapa foi adicionado hidróxido de sódio (NaOH) 5% em outra amostra do sólido em um tubo de ensaio. Continuando a sequência de testes em um outro tubo de ensaio contendo a amostra C foi adicionado cerca de 2ml de ácido clorídrico (HCl) 5%. Amostra D No experimento usado para encontrar o composto orgânico da amostra D primeiro foi colocado um pouco da substância, que era um líquido, em um tubo de ensaio e em seguida foram adicionados 2ml de água (H2O). Após isso foi repetido o teste com 2ml de hidróxido de sódio (NaOH) 5% como solvente. Com isso partimos para o uso de 2 ml de ácido clorídrico (HCl) 5% como solvente. Usando o fluxograma do esquema 1 disponível no roteiro foram usados 2mL de ácido sulfúrico (H2SO4) 96%. Também foi observado que durante a reação o tubo de ensaio esquentou de forma rápida, demonstrando uma reação exotérmica. No último experimento foi usado 2mL de ácido fosfórico (H3PO4) 85% como solvente. Amostra E Como as anteriores adicionou-se aproximadamente 2mL de água a amostra E (líquida. A seguir, foram então adicionados cerca de 2 mL de éter etílico em um outro tubo de ensaio contendo a amostra. Para todas as amostras seguiu-se o esquema 1. 7 Esquema 1 – Classificação dos compostos orgânicos pela Solubilidade. Tabela 1 – Compostos orgânicos relacionados às classes de solubilidade. S2 Sais de ácidos orgânicos, hidrocloretos de aminas,aminoácidos, compostos polifuncionais (car boidratos, poliálcoois, ácidos, etc.). SA Ácidos monocarboxílicos, com cinco átomos de carbono ou menos, ácidos arenossulfônicos. SB Aminas monofuncionais com seis átomos de carbono ou menos. S1 Álcoois, aldeídos, cetonas, ésteres, nitrilas e amidas monofuncionais com cinco átomos de carbono ou menos. A1 Ácidos orgânicos fortes: ácidos carboxílicos, fenóis com grupos eletrofílicos em posições orto e para, -dicetonas. A2 Ácidos orgânicos fracos: fenóis, enóis, oximas, imidas, sulfonamidas, tiofenóis com mais de cinco átomos de carbono, -dicetonas, compostos nitro com hidrogênio em , sulfonamidas. B Aminas aromáticas com oito ou mais carbonos, anilinas e alguns oxiéteres. MN Diversos compostos neutros de nitrogênio ou enxofre contendo mais de cinco átomos de carbo no. N1 Álcoois, aldeídos, metil cetonas, cetonas cíclicas e ésteres contendo somente um grupo funcio nal; éteres com menos de oito átomos de carbono; epóxidos. N2 Alcenos, alcinos, éteres, alguns compostos aromáticos (com grupos ativantes) e cetonas (além das citadas em N1). I Hidrocarbonetos saturados, alcanos halogenados, haletos de arila, éteres diarílicos. DESCONHECIDA 2 VERMELHO AO TORNASSOL SA AZUL AO TORNASSOL NÃO ALTERA O TORNASSOL B 1 A1 INSOLÚVEL A2 INSOLÚVEL 3 4 N1 N2 8 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Amostra A Quando em contato com a água o sólido se mostrou insolúvel, na presença de NaOH 5% e NaHCO3 5% se mostrou solúvel. Através destes resultados, pode-se determinar utilizando a tabela 1 que a amostra A fazia parte da classe de solubilidade A1 (Ácidos orgânicos fortes: ácidos carboxílicos, fenóis com grupos eletrofílicos em posições orto e para, -dicetonas), e que se tratava do ácido benzóico (Figura 1), um composto aromático que faz parte da família dos ácidos orgânicos. Ele possui uma grande aplicação na indústria de alimentos, sendo utilizado, por exemplo, na produção de conservantes. Figura 1 – Ácido benzóico Fonte: Os autores. Amostra B O sólido se mostrou insolúvel em água, meio ácido (HCl e H2SO4) e em meio básico (NaOH). Com esses testes e a ajuda da tabela 1 foi possível classificar a amostra B como uma do grupo I (hidrocarbonetos saturados, alcanos halogenados, haletos de arila, éteres diarílicos, compostos aromáticos desativados). De acordo com os possíveis compostos presentes no roteiro concluímos que a amostra se tratava do antraceno (Figura 2) . Porque, além de se encaixar na classificação do grupo I, é um composto muito apolar que não apresentou solubilidade em nenhum dos solventes polares (H2O, NaOH, HCl e H2SO4). O antraceno é um hidrocarboneto aromático policíclico. A temperatura ambiente, é um sólido incolor que sublima facilmente. Quase todo o antraceno é oxidado para produzir antraquinona (Figura 2), produto básico para muitos corantes, inseticidas, conservantes, entre outros. 9 Figura 2 – Antraceno(esquerda), antraquinona(direita) Fonte: Os autores. Amostra C O sólido não apresentou solubilidade em água nem em NaOH 5%, entretanto quando em contato com o HCl 5% foi possível observar a dissolução. Com estes resultados e analisando a tabela 1 concluiu-se que a amostra faz parte do grupo B (Aminas aromáticas com oito ou mais carbonos, anilinas e alguns oxiéteres) e que se tratava da p-metilanilina (Figura 2). Figura 3 – p-metilanilina Fonte: Os autores. Amostra D O líquido não apresentou miscibilidade em água, NaOH e HCl. Porém, foi miscível em H2SO4 e H2PO4. Com base nos resultados obtidos no experimento e utilizando a tabela 1 que apresenta as classes de solubilidade foi possível identificar que se tratava da substância N2 (Álcoois, aldeídos, metil cetonas, cetonas cíclicas e ésteres contendo somente um grupo funcional; éteres com menos de oito átomos de carbono; epóxidos) que correspondia ao acetato de etila (Figura 4), um éster que é um ótimo solvente na indústria química. 10 Figura 4 – Acetato de etila Fonte: Os autores. Foi observado que os líquidos não se misturavam devido as densidades. O acetato de etila que possui uma densidade menor (0,98 g/cm3) que a dos seus solventes (1 g/cm3 do H2O, 2,13 g/cm3 do NaOH, 1,18 g/cm3 do HCl, 1,83 g/cm3 do H2SO4 e 1,18 g/cm3 do H3PO4). Além disso o acetato possui uma polaridade menor que a dos seus solventes, o que também contribuiu para a imiscibilidade do composto. Amostra E O líquido apresentou miscibilidade em água e imiscibilidade em éter. Através destes experimentos e da analise da tabela 1, concluiu-se que a amostra E fazia parte da classe de solubilidade S2 (Sais de ácidos orgânicos, hidrocloretos de aminas, aminoácidos, compostos polifuncionais (car boidratos, poliálcoois, ácidos, etc.), e que se tratava do etanodiol (Figura 5), um álcool com dois grupamentos –OH, muito utilizado como anticongelante automotivo. Figura 5 – Etanodiol Fonte: Os autores. Na tabela 2 é possível observar a solubilidade de cada amostra com o respectivo solvente e a qual grupo ela pertence. 11 Tabela 2 – Solubilidade das amostras AMOSTRA H2O Éter NaOH NaHCO3 HCl H2SO4 H3PO4 GRUPO A I – S S – – – A1 B I – I – I I – I C I – I – S – – B D I – I – I S S N1 E S I – – – – – S2 Legenda: S = solúvel;I = insolúvel; Na tabela 3 estão evidenciadas cada amostra e seu respectivo composto orgânico. Tabela 3 – Amostra e composto 5. QUESTÕES 1. Defina solubilidade e miscibilidade. Resposta: A solubilidade e a miscibilidade são termos usados para referir a habilidade de uma substância se dissolver em outra substância. Nesse processo a substância que foi dissolvida é chamada de soluto, enquanto a substância dissolvente é chamada de solvente. O tipo de solvente e soluto usado durante a reação é o que vai definir a diferença da solubilidade e a miscibilidade. A solubilidade vai se referir a habilidade da substância, especificamente o soluto, que vai se dissolver no solvente. Quanto mais soluto for dissolvido durante a reação, mais solúvel será a solução. Já a miscibilidade será comumente usada em solutos líquidos se dissolvendo em solventes líquidos. Líquidos miscíveis também podem ser definidos AMOSTRA COMPOSTO A Ácido Benzóico B Antraceno C p-metilanilina(p-toluidina) D Acetato de etila E Etanodiol (etileno glicol) 12 como líquidos que podem ser mixar até formar uma solução homogênea. Geralmente esses líquidos podem se mixar em um limite indefinido, significando que são solúveis em todas as quantidades. 2. Por que determinados compostos orgânicos são solúveis em soluções ácidas e outros são solúveis em soluções básicas? Esta dissolução é devido à solubilidade ou miscibilidade? Resposta: Tal comportamento é explicado simplesmente com a noção de reações ácido-base. Compostos orgânicos com algum caráter básico são solúveis em soluções ácidas, e compostos com algum caráter ácido se solubilizam em soluções básicas, isto ocorre porque soluto e solventes interagem de forma geral a formar um sal que se dissolve no meio. A dissolução que ocorre nestes casos é devido a solubilidade, já que normalmente a mistura entre sal dissolvido e solvente é de um solido com um líquido, e existe um limite de soluto que o solvente pode solubilizar. 3. Por que determinados compostos orgânicos são solúveis em água e éter etílico? Esta dissolução é devido à solubilidade ou miscibilidade? Resposta: Levando em consideração a regra do “igual dissolve igual” podemos supor que solventes polares dissolverão compostos polares, já solventes apolares dissolverão compostos apolares. A razão para isso acontecer é o que chamamos de força de atração intermoleculares. A força de atração de moléculas polares é chamada interação dipolo-dipolo, entre moléculas apolares são as forças de Van der Waals. Isso explicao porquê de existir compostos orgânicos solúveis em água e insolúveis em éter e vice-versa, já que a água é uma molécula polar e o éter uma molécula apolar. Porém quando ocorre de alguns compostos orgânicos dissolvidos nos dois solventes costuma existir uma diferença na nomenclatura, onde a solubilidade será na reação com a água e miscibilidade com o éter, e assim ocorrendo a dissolução em ambos. 13 4. Indique a reação que está ocorrendo, quando for o caso Reação da amostra A O ácido benzóico na presença de NaOH 5% teve sua solubilidade em água aumentada pela presença da substância alcalina, resultando da formação do benzoato de sódio e água a partir da reação ácido/base (Figura 6). Figura 6 – Reação entre o ácido benzóico e o NaOH Fonte: Os autores. O ácido benzóico também formou benzoato de sódio na presença de bicarbonato de sódio (NaHCO3), junto com água e a liberação de dióxido de carbono (Figura 7). O que ocorreu foi uma reação ácido-base, onde o bicarbonato de sódio age como uma base fraca que reage com o ácido benzóico, liberando um sal (benzoato de sódio), água e dióxido de carbono. Figura 7 – Reação entre o ácido benzóico e o NaHCO3 Fonte: Os autores. 14 Reação da amostra C Quando em contato com o HCl notou-se a diluição da p-metilanilina (Figura 8) e a transformação da solução que antes era incolor em uma solução com uma cor amarronzada. O que ocorreu foi uma reação ácido-base onde a p-metilanilina age como base, liberando um sal de p-metilanilina. Figura 8 – Reação entre a p-metilanilina e o HCl Fonte: Os autores. Reação da amostra D Quando em contato com os ácidos H2SO4 e H3PO4 ocorre a formação de um ácido carboxílico por meio de uma reação de dupla troca (Figura 9). Figura 9 – Reação entre o acetato de etila com os ácidos H2SO4 e H3PO4 Fonte: Os autores. Reação da amostra E A solubilidade do etanodiol em água é justificada por sua característica polar (Figura 10), e a insolubilidade em éter é devido ao fato de que o etanodiol faz interações do tipo ligação de hidrogênio, já o éter faz interações do tipo dipolo-dipolo, o que não é favorável do ponto de vista energético. Figura 10 – Reação do etanodiol com água Fonte: Os autores. 15 6. CONCLUSÃO Foi possível observar e testar a solubilidade dos compostos orgânicos e entender o porquê de alguns solubilizarem e outros não comparando os solventes disponíveis. Essa solubilidade está diretamente relacionada com a polaridade dos solutos e solventes envolvidos nas reações. Conseguiu-se observar que compostos apolares só serão solúveis em solventes apolares, já que as interações entre ambos são fracas. Constatou-se que moléculas com caráter ácido são solúveis em meio básico e as com caráter básico são solúveis em meio ácido, evidenciando que as reações ácido-base podem ser ferramentas importantes para a solubilização de compostos orgânicos que não costumam ser solúveis. 16 7. REFERÊNCIAS [1] Atkins, P., Jones, L., & Laverman, L. (2018). Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente (7a ed.). [2] Engel, Randall G.; Kriz, George S.; Lampman, Gary M.; Paiva, Donald L. (2013). Química orgânica experimental: técnicas de escala pequena: Tradução da 3a edição norte-americana. 3a edição brasileira. [3] Martins, C. R., Lopes, W. A., & Andrade, J. B. D. (2013). Solubilidade das substâncias orgânicas. Química Nova, 36(8), 1248–1255. Disponível em: [4] p-Toluidine. Merck. Disponível em: [5] Solubilidade. (2013). Disponível em: [6] What Are the Differences Between Solubility and Miscibility?. (2018). Sciencing. Disponível em: