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UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá IFQ – Instituto de Física e Química Experimento 4 – Polarimetria QUI038 – Química Orgânica Experimental I Professor Maurício Santos Lucas Raposo Carvalho 23872 Thiago Cabral Gianoti 24955 Novembro de 2013 1 OBJETIVOS Os objetivos desse experimento foram determinar os ângulos de desvio da luz polarizada para diferentes amostras de sacarose, e as concentrações de sacarose em uma solução de coca- cola e em uma solução de coca-cola zero. Além disso, objetivou-se também verificar os ângulos de desvio da luz polarizada para derivados da sacarose. 2 INTRODUÇÃO A polarimetria é o processo em que se mede o ângulo de rotação de uma luz polarizada, após esta atravessar uma substância opticamente ativa. Substâncias opticamente ativas são aquelas que não possuem simetria, podendo ou não conter um carbono quiral (assimétrico). Os compostos que possuem simetria, são chamados de compostos aquirais, e estes não desviam a luz polarizada. Enantiômeros são as duas imagens especulares de um composto quiral, sendo elas não sobreponíveis. Os enantiômeros possuem as mesmas propriedades físicas, como por exemplo a sua solubilidade e o seu ponto de fusão, entretanto ao ser analisado em um polarímetro, nota-se que há o desvio da luz em sentido contrário para cada espécie, tornando possível diferi-los. Essas substâncias ao serem analisadas frente a luz polarizada, apresentam rotação para a direita (sentido horário) ou para a esquerda (sentido anti-horário). As que apresentam rotação para a direita são chamadas de dextrogiras ou dextrorrotatórias (abreviado por D), e as que apresentam rotação para a esquerda são chamadas de levógiras ou levorrotatórias (abreviado por R). Soluções racêmicas são aquelas que possuem os isômeros D e R na proporção 1:1. A rotação específica de cada substância depende da temperatura e do comprimento de onda da luz polarizada. Para a emissão da luz polarizada, geralmente utiliza-se a lâmpada de vapor de sódio, que possui o comprimento de onda = 589,6nm. A rotação específica é calculada pela seguinte formula: = rotação observada (em graus); l = caminho óptico (dm); c = concentração (g.mL-1). 3 METODOLOGIA Parte 1: Verificação do ângulo de desvio para a sacarose e soluções de coca-cola. 1. Vidrarias e equipamentos - Balança analítica; - Polarímetro; - 2 tubos do polarímetro (1dm e 2dm); - 1 bécher de 250 mL; - 2 béchers de 50 mL ou 100 mL; - 1 balão volumétrico de 200 mL; - 4 balões volumétricos de 100 mL; - 1 balão volumétrico de 25 mL; - 1 pipeta volumétrica de 25 mL; - 2 pipetas volumétricas de 50 mL; - 1 espátula. 2. Substâncias químicas - Água destilada; - Sacarose; - Coca-cola normal; - Coca-cola zero. 3. Procedimento Para medir os diferentes ângulos de rotação nas diferentes amostras de sacarose, mediu- se 40 g da substância em um bécher e adicionou-se uma quantidade de água destilada suficiente para solubilizar a massa medida. A solução foi então transferida para um balão volumétrico de 200 mL e o volume foi completado com água destilada, fazendo a homogeneização de forma adequada. A partir da solução obtida, uma série de diluições foi feita para preparar outras soluções de porcentagens (m/v) 15%, 10%, 5% e 2,5%. Foi calculada a concentração, também, em g/mL de cada uma das soluções preparadas. Com o uso do polarímetro, mediu-se, 5 vezes, o ângulo 4 de desvio (α) de cada uma das soluções e da água pura, organizando os dados obtidos em uma tabela. O mesmo procedimento acima foi feito para uma solução de coca-cola a 20% e uma solução de coca-cola zero, também a 20%. Parte 2: Verificação dos ângulos de desvio para derivados da sacarose. 1. Vidrarias e equipamentos: - Balança analítica; - Polarímetro; - Placa de aquecimento; - 2 tubos de polarímetro (1dm e 2dm); - 1 bécher de 250 mL; - 1 balão volumétrico de 200 mL; - 1 balão volumétrico de 40 mL; - 2 pipeta graduadas ou volumétrica de 10 mL; - 1 espátula; - 1 bastão de vidro; - 2 provetas de 50 ou 100 mL; - 1 termômetro (escala >100° C). 2. Substâncias: - Água destilada; - Sacarose; - HCl a 1 mol.L-1; - NaOH a 1 mol.L-1. 3. Procedimento: Assim como na Parte 1: Verificação do ângulo de desvio para a sacarose e soluções de coca-cola, verificaram-se os ângulos de desvio para uma solução de sacarose feita a 20% (m/v), preparada usando 40 g de sacarose em um balão de 200 mL. 5 Após a observação dos ângulos de desvio da sacarose, procedeu-se à análise dos ângulos de desvio dos derivados da sacarose. Para isso, verificou-se os ângulos em três situações diferentes (solução original na presença de catalisador (meio ácido) à temperatura ambiente; solução original aquecida a 100° C durante 10 min; solução original aquecida a 100° C durante 10 min e na presença de catalisador (meio ácido)). Primeiramente, separou-se 20 mL da solução original em uma proveta e adicionou-se 4 mL de HCl (ácido clorídrico) a 1 mol/L e aguardou-se 10 minutos. Após isso, adicionou-se 4 mL de NaOH (hidróxido de sódio) a 1 mol/L para que ocorresse a neutralização. Essa solução resultante teve seu ângulo de desvio medido pelo polarímetro. Após isso, separou-se 50 mL da solução original e este volume foi aquecido a 100° C por 10 min. Após o aquecimento, resfriou-se a solução e seu ângulo de desvio foi medido pelo polarímetro. Finalmente, separou-se 20 mL da solução original em uma proveta e adicionou-se 4 mL de HCl a 1 mol/L, além de aquecer a 100° C durante 10 min. Após o aquecimento, adicionou-se 4 mL de NaOH a 1 mol/L e esperou-se a solução resfriar. O ângulo de desvio dessa solução foi, então, medido pelo polarímetro. 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES Parte 1: Verificação do ângulo de desvio para a sacarose e soluções de coca-cola. Para realizar as diluições da soluções de sacarose, considerou-se que a solução inicial tinha uma porcentagem (m/v) de 20%, já que dissolveu-se 40g em 200 mL de água destilada. Para que as outras soluções fossem feitas, utilizou-se a seguinte fórmula: Equação 1: Relação entre volumes e concentrações de duas soluções A e B:[1] BBAA VcVc Onde c representa a concentração de cada solução, em qualquer unidade, desde que as unidades usadas, em a e b, sejam iguais, e V representa os volume de cada solução, em qualquer unidade, desde que as unidades usadas sejam iguais para a e b. Sabendo o volume total do balão volumétrico usado na solução diluída, e sua concentração, além da concentração inicial, foi possível saber os volumes necessários da solução original para que a diluição fosse feita. Para calcular as concentrações reais em g/mL de cada solução preparada, foi necessário considerar que a massa inicial de sacarose foi de 41,3103 g e, sendo assim, a concentração inicial foi de 0,2065 g/mL. Logo, através de cálculos similares aos anteriores (utilizando a Equação 1: Relação entre volumes e concentrações de duas soluções A e B), foram calculadas as concentrações reais (em g/mL) de cada solução diluída e esses dados foram colocados na Tabela 1: Soluções aquosas de sacarose. Com as soluções preparadas, mediu-se, usando o polarímetro, o conjunto de ângulos (5) de desvio (α) para cada substância, sendo necessário observar a temperatura demedição e a média dos valores, dados fornecidos também pelo polarímetro. Os dados obtidos foram organizados na tabela abaixo (Tabela 1: Soluções aquosas de sacarose); Tabela 1: Soluções aquosas de sacarose Concentração (%) 0 2,5 5 10 15 20 Concentração (g/mL) 0 0,0259 0,0517 0,1033 0,1549 0,2065 Ângulo de desvio (α) (1) 0 1,735 3,529 7,029 10,413 14,096 Ângulo de desvio (α) (2) 0 1,735 3,521 7,024 10,413 14,094 Ângulo de desvio (α) (3) 0 1,735 3,519 7,025 10,412 14,096 Ângulo de desvio (α) (4) 0 1,735 3,521 7,025 10,41 14,092 Ângulo de desvio (α) (5) 0 1,734 3,517 7,025 10,407 14,093 Média 0 1,735 3,521 7,026 10,411 14,0942 Desvio Padrão 0 0,00045 0,0046 0,0019 0,00255 0,00179 Temperatura (°C) 29,5 30 30,7 31,3 31,5 31,4 7 Com base nos valores obtidos e expressos na tabela acima, plotou-se um gráfico (utilizando o software Origin 8.0) com valores de ângulo de desvio (α) observados no eixo y e valores de concentração, em g/mL, no eixo x, com base na fórmula da rotação específica de uma substância: Equação 2: Rotação específica de uma substância ([α]D):[2] cl T ][ Onde α é a rotação observada no polarímetro, em graus; l é o comprimento do caminho óptico, em dm; e c é a concentração da solução utilizada, em g/mL. Percebe-se que, em um gráfico de α versus (l.c), a rotação específica da substância é representada pelo coeficiente angular da reta originada pela regressão linear dos pontos obtidos. Logo, para o gráfico abaixo (Gráfico 1: Ângulos observados versus concentração das soluções de sacarose), considerou-se os valores da tabela 1 e que o caminho óptico usado foi de 1 dm. 0,0 0,1 0,2 0 7 14 alfa Linear Fit of alfa al fa l x c Equation y = a + b Adj. R-Squa 0,99985 Value Standard Err alfa Intercept -0,0139 0,04255 alfa Slope 67,989 0,36703 (Gráfico 1: Ângulos observados versus concentração das soluções de sacarose) Pode-se perceber que, de acordo com a regressão linear dos pontos, obteve-se um coeficiente angular de 67,989 (correspondente ao valor Slope determinado pelo software Origin 8.0). Logo, a rotação específica experimental da sacarose é de 67,989°. Além disso, pode-se perceber que o valor de R2 (representado por Adj. R-Square no Gráfico 1) é bem próximo de 1, o que mostra a alta proximidade da reta gerada pela regressão linear com a curva que descreve o próprio conjunto de valores obtidos no experimento. 8 Considerando esses valores e a fórmula contida na Equação 2: Rotação específica de uma substância ([α]D), é possível fazer previsões de ângulos de desvio para diferentes concentrações. Por exemplo, para uma solução de concentração igual a 0,06 g/mL, pode-se aplicar a fórmula da Equação 2 da seguinte maneira: 07934,4 )06,0()1( )989,67( ][ cl T O valor obtido para o ângulo de desvio, para uma solução de concentração 0,06 g/mL, condiz com a tendência observada na Tabela 1 e no Gráfico 1, já que, para uma concentração de 0,0517 g/mL o ângulo de desvio observado foi de 3,521° e a relação entre os ângulos e as concentrações aumenta de forma semelhante à linear. O valor teórico para a rotação específica da sacarose é compreendido entre 65,5° e 67,5°[3], já que não se trata de um produto completamente puro, logo, usar-se-á, como valor de comparação, o valor médio entre essa faixa (66,5°). O erro relativo entre a medida obtida experimentalmente (67,989°) e a medida teórica (66,5°) pode ser calculado da seguinte forma: Equação 3: Erro relativo entre uma medida teórica e uma experimental:[4] teórico erimentalteórico x xx re exp .. Considerando a equação acima, o erro relativo entre as duas medidas foi de 0,022, ou seja, 2,2%. Esse erro pode ser considerado desprezível e pode-se considerar que a medida experimental obtida foi precisa. É possível observar desvio da luz polarizada pela molécula de sacarose pela presença de átomos de carbonos quirais na molécula, no total de 9 átomos, e pela ausência de uma plano de simetria na molécula em questão, como mostra a figura abaixo (figura feita no software ChemDraw Ultra 7.0): 9 (Figura 1: Molécula de sacarose com seus átomos de carbono quirais representados). [3] Para as soluções de coca-cola e coca-cola zero, foi necessário realizar o aquecimento dessas soluções durante um período de 30 minutos, para que o gás presente na solução fosse evaporado, pois sua presença poderia interferir nos dados obtidos. Após isso, procedeu-se à medição dos ângulos de desvio (α) para cada solução, utilizando o polarímetro. Os valores medidos foram organizados na tabela abaixo (Tabela 2: Soluções de coca-cola e coca-cola zero): Tabela 2: Soluções de coca-cola e coca-cola zero Coca-cola Coca-cola zero Ângulo de desvio (α) (1) 0,444 0,067 Ângulo de desvio (α) (2) 0,441 0,071 Ângulo de desvio (α) (3) 0,45 0,06 Ângulo de desvio (α) (4) 0,435 0,063 Ângulo de desvio (α) (5) 0,435 0,067 Média 0,441 0,0656 Desvio Padrão 0,006363961 0,004219005 Temperatura (°C) 31,3 31 Com os valores médios de ângulos de desvio para cada solução, calculou-se a concentração de sacarose em cada uma delas, utilizando a Equação 2: Rotação específica de uma substância ([α]D) e o valor encontrado para a rotação especifica da sacarose na primeira parte do experimento (67,989°). Os valores encontrados foram de 0,00648 g/mL de sacarose para a coca-cola e de 0,00096486 g/mL para a coca-cola zero. Considerando que, como está escrito nas embalagens, a coca-cola apresenta uma massa de 37 g de açúcares e a coca-cola zero apresenta 0 g de açúcares, pode-se afirmar que as concentrações teóricas de açúcares das soluções são (considerando o volume da embalagem de 350 mL), respectivamente, 0,1057 g/mL e 0 g/mL. Considerando que os valores experimentais e teóricos foram muito diferentes, pode-se afirmar que a quantidade de açúcares descrita na lata 10 não compreende apenas a quantidade de sacarose, ou que os ângulos observados sofreram interferências de outras substâncias presentes na coca-cola, como parte do gás que não foi evaporado durante o processo de aquecimento. Parte 2: Verificação dos ângulos de desvio para derivados da sacarose. Assim como na Parte 1, uma solução de sacarose com concentração 20% (m/v) foi preparada e seus ângulos de desvio foram medidos pelo polarímetro. A massa pesada, porém, foi 200,0422 g, sendo essa massa solubilizada em água destilada em um balão volumétrico de 1 L, originando uma concentração real, em g/mL, de 0,20004. Os dados dos ângulos de desvio obtidos foram organizados na tabela abaixo (Tabela 3: Solução de sacarose e seus derivados): Tabela 3: Solução de sacarose e seus derivados. Procedimentos 2.1 2.2 a) 2.2 b) 2.3 c) Ângulo de desvio (α) (1) 13,657 7,521 13,653 8,423 Ângulo de desvio (α) (2) 13,655 7,632 13,639 8,416 Ângulo de desvio (α) (3) 13,653 7,602 13,639 8,417 Ângulo de desvio (α) (4) 13,65 7,573 13,638 8,418 Ângulo de desvio (α) (5) 13,644 7,555 13,634 8,416 Média 13,6518 7,5766 13,6406 8,418 Desvio Padrão 0,00507 0,04268 0,00723 0,00292 Temperatura (° C) 30 30,6 31,1 31 Diferentemente de como foi feito na Parte 1, a rotação específica da sacarose foi verificada nessa parte através do simples uso da fórmula descrita na Equação 2: Rotação específica de uma substância ([α]D), de acordo com o seguinte cálculo: 2513,68 )1()20004,0( )653,13( cl T O valor observado não difere muito do valor obtido para a solução de concentração 0,2065 g/mL da Parte 1, de fato, os valores diferemde 0,385% (fazendo uso da fórmula expressa na Equação 3: Erro relativo entre uma medida teórica e uma experimental e considerando a medida teórica como sendo o valor do ângulo obtido na Parte 1). Essa diferença pode ser explicada na diferença de temperatura na observação das medidas, já que, na Parte 1, a temperatura era de 31,4° C e, na Parte 2, a temperatura era de 30° C. Considerando as partes do procedimento que envolvem a manipulação da solução original, levou-se em conta a reação ideal de inversão da sacarose em glicose e frutose, como é descrita abaixo (figura feita no software ChemDraw Ultra 7.0): 11 (Figura 2: Inversão da sacarose em meio ácido, com representação dos átomos quirais) A reação acima, denominada inversão da sacarose [5], é acelerada em meio ácido e na presença da enzima invertase. No caso do experimento em questão, usou-se soluções de ácido clorídrico para que essa reação ocorresse. Como se pode observar, a ligação glicosídica presente na sacarose é quebrada pela solução aquosa e a molécula sofre hidrólise. Após isso, um íon H+ se uma à uma parte da molécula e um íon OH- se une à outra parte, originando a glicose e a frutose, assim como prótons que mantém o teor ácido da solução. Além disso, verificou-se que a rotação específica da glicose compreende em um valor entre 49,0 a 55,0° positivos [6], sendo uma substância dextrogira enquanto a rotação específica da frutose compreende em um valor entre 87,7 a 91,3° negativos [7], sendo uma substância levogira. Como, em módulo, a rotação específica da frutose é maior, espera-se que, caso a reação de inversão ocorre, seja percebida uma diminuição do ângulo de desvio observado, quando esse for comparado com o ângulo de desvio da sacarose pura. Levando a reação de inversão da sacarose em questão, e considerando também que ela ocorre apenas na presença da enzima invertase ou em meio ácido, pode-se explicar os dados obtidos. Primeiramente, na presença de ácido e à temperatura ambiente, percebe-se que a reação ocorreu, já que o ângulo de desvio observado diminuiu de 13,65° para 7,57°. Isso nos indica também que, apesar da reação ter ocorrido, ela não ocorreu totalmente, apenas o suficiente para o ângulo de desvio diminuir. Caso a reação tivesse ocorrido completamente o ângulo de desvio observado seria muito pequeno ou até mesmo negativo. Além disso, como a reação de inversão da sacarose não depende da temperatura (aquecimento) quando ele é o único fator de aceleração da reação, percebeu-se que o ângulo de desvio observado, quando houve apenas o aquecimento, não se alterou significativamente. 12 Por fim, quando combinou-se ambas as condições, o esperado era que a reação de inversão da sacarose, previamente acelerada pela acidez do meio, fosse ainda mais acelerada pelo aquecimento, que acaba por estimular o choque efetivo entre as moléculas. Isso, entretanto, não foi observado, pois a diferença entre o ângulo de desvio observado para a sacarose pura e para a situação da presença apenas do meio ácido foi maior do que a diferença entre o ângulo de desvio para a sacarose pura e para a situação da presença de meio ácido com aquecimento, ou seja: )(3)(3 aqaq OHOH Essa relação não faz sentido à primeira vista, pois o aquecimento deveria acelerar a reação previamente acelerada pela presença de ácido. Porém, pode-se pensar que, nas condições de reação, a reação de inversão da sacarose pode não ter sido completa, ou até mesmo retardada, quando comparada com a reação na presença apenas de meio ácido, originando uma menor diminuição no ângulo de desvio. 13 DADOS DAS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS ENVOLVIDAS - Ficha técnica da sacarose: [8][9][10] Tabela 3: Sacarose - Características. Nome IUPAC 2-[3,4-dihidroxi-2,5-bis(hidroximetil)tetrahidrofuran-2- il]oxi-6-(hidroximetil)oxano-3,4,5-triol Nome usual α-D-Glucopiranosideo, β-D-fructofuranosil; açúcar Número CAS 57-50-1 Fórmula linha-ângulo O O O HO HO OH OH HO OH HO OH Fórmula molecular C12H22O11 Ponto de fusão 185-187° C Ponto de ebulição - Densidade (a 17° C) 1,5805 g/cm³ Solubilidade (a 25° C) Muito solúvel em água e metanol; Pouco solúvel em etanol; Insolúvel em éter etílico. Em água: 2,12.10^6 mg/L Segurança Meio de extinção contra incêndio: água, CO2, espuma, pó. Evitar inalação dos pós e derramamento em águas residuais Toxicidade Toxicidade aguda: DL50 (oral, rato): 29700 mg/kg 14 CONCLUSÃO Pode-se concluir que os valores obtidos dos ângulos de desvio para a sacarose, assim como o valor de rotação específica foram muito precisos. Por outro lado, os valores encontrados para ângulos de desvio para soluções de coca-cola não foram confiáveis o bastante para que as concentrações de sacarose nas soluções (teórica e experimental) fossem comparadas. Além disso, atestou-se, com sucesso, a reação de inversão da sacarose através dos ângulos de desvio observados. 15 REFERÊNCIAS [1] Skoog, D. A; West, D. M.; Holler, F. J.; Crouch, S. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed., Thomson: São Paulo, 2007. 1124 pp. [2] Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry. Oxford: New York, 2007. 1512 pp. [3] Sigma-Aldrich. Sucrose Product Specification. Disponível em: <http://www.sigmaaldrich.com/Graphics/COfAInfo/SigmaSAPQM/SPEC/S7/S7903/S7903- BULK________SIGMA____.pdf>. Acesso em: 3 de Dezembro de 2013. [4] Vuolo, J. H. Fundamentos da Teoria de Erros. 2ª ed., Edgard Blucher Ltda.: São Paulo, 1996, 264 pp. [5] BRIGHENTI, Deodoro Magno et al. Inversão da sacarose utilizando ácido cítrico e suco de limão para preparo de dieta energética de Apis mellifera Linnaeus, 1758. Ciênc. agrotec., Lavras , v.35, n.2, Abril de 2011. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1413- 70542011000200010&lng=en&nrm=iso>. Acesso em 4 de Dezembro de 2013. [6] Sigma-Aldrich. Glucose Product Specification. Disponível em: <http://www.sigmaaldrich.com/Graphics/COfAInfo/SigmaSAPQM/SPEC/15/158968/158968- BULK_______ALDRICH__.pdf>. Acesso em 4 de Dezembro de 2013. [7] Sigma-Aldrich. Fructose Product Specification. Disponível em: <http://www.sigmaaldrich.com/Graphics/COfAInfo/SigmaSAPQM/SPEC/F3/F3510/F3510- BULK________SIGMA____.pdf>. Acesso em 4 de Dezembro de 2013. [8] Sucrose MSDS. Disponível em: <http://www.sigmaaldrich.com/MSDS/MSDS/DisplayMSDSPage.do?country=BR&language=pt& productNumber=S7903&brand=SIGMA&PageToGoToURL=http%3A%2F%2Fwww.sigmaaldric h.com%2Fcatalog%2Fproduct%2Fsigma%2Fs7903%3Flang%3Dpt>. Acesso em: 5 de Dezembro de 2013. [9] Sucrose – Compound Summary. Disponível em: <http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=1115#x125>. Acesso em: 5 de Dezembro de 2013. [10] FISPQ – Sacarose. Disponível em: <http://downloads.labsynth.com.br/fispq/FISPQ- %20Sacarose.pdf>. Acesso em: 5 de Dezembro de 2013.
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