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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE QUÍMICA APOSTILA DE QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL CURSO: NUTRIÇÃO PROFESSORA: OLGA SOARES DO REGO BARROS Goiânia, 2017 1 DISCIPLINA: Laboratório de Química Orgânica 1. Esclarecimentos e instruções gerais 1.1. Ementa: Segurança em laboratório de química: manuseio, operações e descarte de resíduos, Purificação e extração de substâncias orgânicas. Propriedades físicas e químicas de substâncias orgânicas. Caracterização de grupos funcionais. 1.2. Objetivo geral: Conhecer as técnicas básicas para o desenvolvimento de atividades experimentais ligadas à química. 1.3. Objetivos específicos: que o aluno conheça as normas de segurança, vidrarias e equipamentos de um laboratório de química, e que ele seja capaz de separar, sintetizar, purificar e analisar substâncias orgânicas. 1.4. Avaliação Na avaliação do aluno, serão considerados: participação nas aulas e domínio dos conteúdos, que serão medidos por relatórios e provas escritas, cada um com os seguintes pesos: Relatórios (4) e provas escritas (6). 1.5. Segurança no laboratório O aluno deve ler com atenção o material bibliográfico disponível, relacionado ao tema, e consultar outras referências sobre o tema. A segurança do aluno e de seus colegas depende de sua conduta no transcorrer das aulas de laboratório. Portanto, as instruções e recomendações sobre o procedimento no laboratório devem ser seguidas rigorosamente. 1.5.1. Equipamentos de proteção individual; estes são indispensáveis na realização dos experimentos e sem os equipamentos listados abaixo não será permitida a permanência do aluno no laboratório. • Guarda pó (avental, jaleco), óculos de segurança e luvas de borracha. 1.5.2. Vestuário: durante a realização dos experimentos a atenção com a forma de se vestir também deverá ser considerada, destacando-se a obrigatoriedade dos itens abaixo, sem os quais não será permitida a permanência do aluno no laboratório. • Calça comprida, sapato fechado e cabelo preso. 2. Referências bibliográficas: 1) Pavia D.L; Lampman G.M.; Kriz G.S., Engel R. G.; Química orgânica experimental- técnicas de escala pequena. 2o ed, Bookman, 2009. 2) Zubrick, J.W. Manual de sobrevivência no laboratório de química orgânica, 6º edição, Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2005. 3) Marques, J.A., Borges, C.P.F., Práticas de Química Orgânica, Editora Átomo, Campinas, 2007. 4) CRC – Handbook of Physics and Chemistry, CRC Press (qualquer edição) 5) Nuir, G.D., Hazards in the Chemical Laboratory, The Royal Chemical Society, 3o ed. London, 1988; 6) Braibante H. T. S; Química Orgânica, um curso experimental, Editora Atomo, Campinas, SP, 2015. 2 CRONOGRAMA 2° SEMESTRE 2017 Aulas Data ATIVIDADE 01 28/08 Apresentação do curso, segurança de laboratório e recristalização do ácido benzoico. 02 04/09 Separação dos componentes de analgésicos – parte 1 03 11/09 Separação dos componentes de analgésicos – parte 2 (recristalização/CCD) 04 18/09 Extração de pigmentos de alimentos (extrato de tomate) 05 25/09 Cromatografia em coluna 06 02/10 Cromatografia em camada delgada dos corantes extraídos de alimentos industrializados. 07 09/10 1º Prova Bimestral (teórica) 08 16/10 COMPEEX 09 23/10 Destilação simples e fracionada 10 30/10 Destilação por arraste à vapor 11 06/11 Separação do eugenol (extração e CCD) 12 13/11 Extração da cafeína do café, chá e guaraná. 13 20/11 Extração da caseína do leite 14 27/11 Síntese do salicilato de metila 15 04/12 2º Prova Bimestral (teórica) 16 11/12 Prova substitutiva (prática) ROTEIRO PARA ELABORAÇÃO DE RELATÓRIO Noções Gerais O relatório de atividades deve em primeiro lugar, retratar o que foi realmente realizado no experimento, sendo de fundamental importância a apresentação de um documento bem ordenado e de fácil manuseio. Além disso, deve ser o mais sucinto possível e descrever as atividades experimentais realizadas, a base teórica dessas atividades, os resultados obtidos e sua discussão, além da citação da bibliografia consultada. O relatório deve ser redigido de uma forma clara, precisa e lógica. Redija sempre de forma impessoal, utilizando-se a voz passiva no tempo passado. Ex. a massa das amostras sólidas foi determinada utilizando-se uma balança. Devem ser evitados expressões informais ou termos que não sejam estritamente técnicos (Não utilize em hipótese alguma adjetivo possessivo, como por exemplo, minha reação, meu banho, meu qualquer coisa). É bastante recomendável, efetuar uma revisão do relatório para retirar termos redundantes, clarificar pontos obscuros e retificar erros no original. Uma atenção especial deve ser dada aos termos técnicos, resultados, fórmulas e expressões matemáticas. As ilustrações (tabelas, fórmulas, gráficos) deverão vir na sequência mais adequada ao entendimento do texto e seus títulos e legendas devem constar imediatamente abaixo. Tabela: É composta de título, um cabeçalho, uma coluna indicadora, se necessário, e um corpo: ⇒ Título- deve conter breve descrição do que contém a tabela e as condições nas quais os dados foram obtidos; ⇒ Cabeçalho- parte superior da tabela contendo as informações sobre o conteúdo da cada coluna; ⇒ Coluna indicadora- à esquerda da tabela, especifica o conteúdo das linhas; ⇒ Corpo- abaixo do cabeçalho e a direita da coluna indicadora, contém os dados ou informações que se pretende relatar; Exemplo: Tabela 1.Algumas características dos estados da matéria Estado da matéria Compressibilidade Fluidez ou rigidez Densidade relativa 3 Gasoso Alta fluido baixa Líquido muito baixa fluido alta Sólido muito baixa rígido alta Tópicos de Composição: 1. Introdução 2. Objetivo 3. Materiais e Métodos 4. Resultados e Discussão 5. Conclusões 6. Referências Identificação Relatório N. Título Nome dos autores: Introdução Apresentar os pontos básicos do estudo ou atividades desenvolvidas, especificando as principais aquisições teórico-metodológicas, referentes as técnicas empregadas. Neste ítem é dado um embasamento teórico do experimento descrito. para situar o leitor naquilo que se pretendeu estudar no experimento. A literatura é consultada, apresentando-se uma revisão do assunto. Normalmente, as citações bibliográficas são feitas por números entre parênteses e listadas no final do relatório. Lembrar que a introdução não é uma cópia da literatura. Não copie os textos consultados, para isso basta uma máquina de fotocópias. A introdução deve conter no máximo 5 parágrafos e não exceder a 400 palavras. Parte Experimental (ou Materiais e Métodos) Descrição detalhada do experimento realizado, dos métodos analíticos e técnicas empregadas, bem como descrição dos instrumentos utilizados. Não é um receituário. Este item precisa conter elementos suficientes para que qualquer pessoa possa ler e reproduzir o experimento no laboratório. Utilizam-se desenhos e diagramas para esclarecer sobre a montagem de aparelhagem. Não deve incluir discussão de resultados. Resultados e Discussão Esta é a parte principal do relatório, onde serão mostrados todos os resultados obtidos, que podem ser numéricos ou não. Deverá ser feita uma análise dos resultados obtidos, com as observações e comentários pertinentes. Em um relatório desse tipo espera-se que o aluno discuta os resultados em termos dos fundamentos estabelecidos na introdução, mas também que os resultados inesperados e observações sejam relatados, procurandouma justificativa plausível para o fato. Em textos científicos utilizam-se tabelas, gráficos e figuras como suporte para melhor esclarecer o leitor do que se pretende dizer. Conclusões Neste ítem deverá ser feita uma avaliação global do experimento realizado, são apresentados os fatos extraídos do experimento, comentando-se sobre as adaptações ou não, apontando-se possíveis explicações e fontes de erro experimental. Não é uma síntese do que foi feito (isso já está no sumário) e também não é a repetição da discussão. Bibliografia Listar bibliografia consultada para elaboração do relatório, utilizando-se as normas recomendadas pela ABNT: Sobrenome do autor, iniciais do nome completo. Título do livro: subtítulo. Tradutor. Nº da edição. Local de publicação, casa publicadora, ano de publicação. Páginas consultadas. Exemplo: 4 Russel, J.B. Química Geral. Trad. de G. Vicentini et alli. São Paulo, Mc Graw-Hill, 1982. Critérios de Avaliação A avaliação será realizada por relatórios (R) , duas provas escritas (P) + Atividade (A) A média final será calculada segundo a equação abaixo: Média final = 0,4 x Pm + 0,4 Rm +),2 A Na equação Pm = Média entre as duas provas escritas Rm = Média dos relatórios A = Pré relatorio, Procedimento experimental e Relatorio. Embora todos os grupos realizem o mesmo experimento os relatórios devem ser preparados de forma personalizada pelo grupo. Relatórios copiados serão creditados como zero. Relatórios deverão ser entregues nas datas pré-determinadas. A entrega dos mesmos em dias posteriores sofrerão reduções sucessivas do conceito máximo. SEGURANÇA EM LABORATÓRIO DE QUÍMICA O trabalho em laboratório de Química tem como principais objetivos a aquisição de conhecimentos fundamentais sobre as operações práticas e o relacionamento das experiências com os conceitos teóricos. As experiências de laboratório, além de estimularem a curiosidade e desenvolverem as habilidades de observação, registro e interpretação de dados, oferecem a oportunidade de um bom treinamento na manipulação de diversos materiais e aparelhagens. O sucesso de uma experiência está diretamente relacionado com o interesse, organização e cuidado na sua execução. Assim, o respeito às normas de segurança é fundamental para se evitar acidentes, devido aos riscos inerentes aos trabalhos desenvolvidos. Entre os riscos mais comuns, destacam-se os seguintes: - manipulação de substâncias tóxicas, corrosivas, inflamáveis e explosivas; - manuseio de material de vidro; - uso do fogo e da eletricidade. 1. RISCOS QUÍMICOS Os agentes químicos podem ser introduzidos no organismo humano por três vias: inalação, absorção cutânea e ingestão. Dentre elas, a inalação constitui a principal via de intoxicação devido à facilidade de disseminação da substância dos pulmões para o sangue e daí para as diversas partes do corpo. O dano causado por uma substância específica depende: do tempo de exposição, da concentração, das características físico-químicas do composto e da suscetibilidade pessoal 1.1 Utilização de substâncias corrosivas Entre os principais agentes corrosivos encontrados nos laboratórios químicos destacamos os ácidos, as bases e os halogênios. Muitos deles provocam sérias queimaduras e devem ser manipulados cuidadosamente, evitando-se seu contato com a pele e mucosas. No caso de acidentes com esses produtos, deve-se conhecer a natureza química das substâncias para se executar corretamente os primeiros socorros. Como proceder no caso de acidentes com: a) Ácidos: (H2SO4, HCl, HNO3, etc...) Deve-se lavar, imediatamente, com muita água, depois neutralizar com solução alcalina diluída (geralmente solução aquosa de bicarbonato de sódio a 1%) e novamente com água. b) Bases: (NaOH, KOH, NH4OH, etc...) Deve-se lavar, imediatamente, com bastante água, neutralizar com solução ácida diluída (geralmente solução aquosa de ácido acético a 1%) e novamente com água. Obs.: Nos casos de queimaduras leves, após os procedimentos descritos, se necessário, aplicar pomada para queimadura. Em casos graves, procurar auxílio médico. 5 1.2 Utilização de substâncias inflamáveis Uma das principais causas de incêndios nos laboratórios relaciona-se com a manipulação incorreta de líquidos inflamáveis. Os líquidos inflamáveis mais comuns em laboratórios de química são: acetato de etila, acetona, benzeno, ciclo-hexano, dissulfeto de carbono, etanol, éter de petróleo, éter etílico, hexano, metanol. Estes reagentes devem ser manipulados longe das chamas. Além disso, deve-se evitar que seus vapores sejam liberados para o ambiente do laboratório. No caso de incêndios pode ser extinto colocando-se um pano molhado sobre a chama. Nos casos mais graves, usar areia seca ou extintores de incêndio. 2. NORMAS GERAIS DE SEGURANÇA a) Não fumar no laboratório. b) Usar jaleco (avental) abotoado, sapatos fechados e cabelos presos. c) Não usar lentes de contato. d) Não provar nem cheirar produtos químicos. e) Não levar as mãos à boca ou aos olhos quando estiver manuseando produtos químicos. f) Não usar reagentes sem rótulos. g) Ao manipular produtos químicos evitar a contaminação dos mesmos utilizando material limpo e seco para retirá-lo dos recipientes. h) Antes de iniciar experimentos que envolvam produtos químicos verificar a toxicidade e inflamabilidade dos mesmos, pois líquidos voláteis tóxicos ou corrosivos devem ser manipulados em capela. i) No preparo de soluções aquosas de ácidos e bases fortes adicionar o ácido ou a base sobre a água, lentamente, com agitação e resfriamento externo, devido à liberação de calor. j) Nunca usar chama direta para aquecer líquidos inflamáveis e, quando utilizá-la, verificar se não há líquidos inflamáveis por perto. k) Não trabalhar com vidro trincado ou quebrado. l) Ao introduzir tubos de vidro ou termômetro em rolhas, lubrificar o vidro com vaselina e proteger a mão com luvas grossas ou toalhas. m) Quando aquecer substâncias em tubo de ensaio nunca deixar a boca do mesmo voltada para si ou para os colegas. n) Evitar brincadeiras que possam comprometer a segurança dos colegas. o) Ao terminar seu trabalho verificar se a água e o gás estão fechados e a bancada limpa. Lavar bem as mãos e os braços após as aulas. A seguir relacionamos algumas substâncias tóxicas e/ou corrosivas e a maneira correta de manipula- las. Você deverá consultar esta lista em todas as aulas práticas antes de iniciar seu experimento. 6 1. TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO 1.1 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE EXTRAÇÃO (EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO) A extração é um processo de separação de compostos que consiste em transferir uma substância da fase na qual se encontra (dissolvida ou em suspensão) para outra fase líquida. Quando um soluto "A", contido no solvente 1, é agitado com um segundo solvente 2, imiscível com o primeiro, o soluto se distribui entre as duas fases líquidas. Após a separação das duas fases, estabelece-se uma situação de equilíbrio em que a relação das concentrações do soluto nas duas fases é uma constante "K" (coeficiente de partição). Segundo a lei de Nerst: K = C2 / C1 onde C1 e C2 são as concentrações do soluto "A" nos solventes 1 e 2. O coeficiente de partição depende da natureza do solvente usado em cada caso e da temperatura. O soluto passa para o segundo solvente em uma quantidade determinada porque segue sendo solúvel no primeiro solvente e porque pode saturar o segundo solvente, dependendo de sua solubilidade no mesmo. Em geral, escolhe-se como solvente extrator um que solubilize o soluto muito mais que o solvente original. O efeito da temperatura é óbvio: excetuando-se algumas substâncias que possuem um comportamento anômalo, na maior parte dos casos quanto maior a temperaturado solvente maior a solubilidade (um exemplo de comportamento anômalo é o oxalato de cálcio que é mais solúvel em água a frio do que a quente). A eficiência da extração está diretamente relacionada com a quantidade de solvente empregado e, principalmente, com o número de vezes (ciclos) em que a extração é repetida. Assim, mesmo que o volume final de solvente extrator a ser empregado seja o mesmo (p.ex. 50 mL) obtém-se maior quantidade de soluto extraído realizando 2-3 extrações com volumes menores (p.ex. duas extrações com 15 mL e uma com 20 mL) que uma única com o volume total do solvente. A explicação para este resultado pode ser facilmente comprovada experimental e matematicamente. 1.2 EXTRAÇÃO SÓLIDO-LíQUIDO Embora a grande maioria dos compostos orgânicos seja resultante de síntese, vários deles são extraídos de vegetais e animais. Ex.: amido, glicogênio, celulose, sacarose, alcalóides, etc. Várias são as operações utilizadas para a extração e purificação dessas misturas de compostos naturais. Extração solído-líquido é frequentemente utilizado pra extrair um composto de uma fonte natural, por exemplo, de uma planta. Alguns tipos de extração: a) a frio: Percolação b) a quente: Infusão, decocção e extração contínua Percolação: é uma operação na qual se retira da matéria bruta moída, através de solvente, os seus componentes solúveis. O Material moído do qual será feita a extração é geralmente colocado em um recipiente cilíndrico chamado Percolador. Decocção: consiste em manter a matéria bruta durante certo tempo com um solvente aquecido à ebulição. Extração contínua: é o processo, em que uma mesma quantidade de solvente, entrando em ebulição e pela condensação de seus vapores, atua sucessivamente sobre a mistura da qual se pretende retirar algum ou alguns de seus componentes. A substância desejada deverá ser solúvel no solvente usado. O extrator mais empregado para este fim é o Extrator de Soxhlet (figura 1), o qual é composto de 3 partes: balão, cilindro de extração ou extrator e condensador. A grande vantagem deste aparelho está no fato de poder usar-se pequena quantidade de solvente que atua, repetidas vezes sobre a substância a ser extraída. E ainda esse solvente atua sobre a mistura sempre puro ou quase. Figura 1 – Extrator de Soxhlet 7 Funcionamento do extrator de Soxhlet: coloca-se o solvente no balão que deverá ser aquecido na manta. A substância sólida é colocada no cilindro poroso “A” (confeccionado de papel de filtro resistente) e este, por sua vez, é colocado no tubo interno “B” do aparelho de Soxhlet o qual é adaptado ao balão. O condensador deverá ser ajustado à parte superior do cilindro de extração. Levando-se o solvente à fervura branda, seu vapor sobe pelo tudo “E”, condensa-se no condensador “D” e o solvente condensado vai cair no cilindro “A” e lentamente enche o corpo do aparelho. Quando o solvente alcança o topo do tubo “F”, é sifonado para dentro do balão “C”, e transforma assim a quantidade de substância que extraiu no cilindro “A”. O processo se repete automaticamente, até que esteja completa a extração. 2. TÉCNICAS DE SEPARAÇÃO 2.1 CROMATOGRAFIA É um método físico-químico de separação dos componentes de uma mistura. Baseia-se nas diferentes distribuições desses componentes em duas fases: Uma fase estacionária (que permanece parada) e uma fase móvel (que se movimenta no sistema). Durante a passagem da fase móvel os componentes serão seletivamente arrastados por ela e ao mesmo tempo retidos pela fase estacionária, ocasionando diferentes migrações e diferentes posições dos componentes da mistura. 2.1.1 CROMATOGRAFIA DE CAMADA DELGADA (CCD) (Figura 2a) Consiste na separação dos componentes de uma mistura através da migração diferencial desses componentes quando arrastados pela fase móvel (solvente) sobre uma camada delgada de adsorvente. Oferece separação em breve espaço de tempo, é versátil, apresenta grande reprodutibilidade, é de fácil execução. Por todas estas vantagens, é indispensável em laboratórios que realizam análise de substâncias orgânicas e organometálicas. É mais usada na separação de substâncias hidrofóbicas. Classificação: de acordo com o mecanismo de separação esta cromatografia é classificada, de um modo geral, como sendo uma cromatografia de ADSORÇÃO. De acordo com o estado físico das duas fases é também classificada como uma cromatografia líquida-sólida. Mecanismo de separação dos componentes: está fundamentado no fenômeno de ADSORÇÃO, que é o depósito ou a retenção seletiva de substâncias sobre a superfície de sólidos finamente divididos, por efeitos de forças eletrostáticas. Os adsorventes mais usados são: a sílica (SiO2) e a alumina (Al2O3). A sílica é um sólido, altamente poroso, e é um dos adsorventes mais utilizados em cromatografia. Existem vários tipos no mercado. Alguns tipos “Merck”: sílica “G” - apresenta em sua composição substâncias aglutinantes (10 a 15% de gesso ou 1 a 3% de amido) com o objetivo de fixar o adsorvente sobre a placa de vidro; sílica “H”- não contém aglutinantes. É usada em cromatografia de coluna; sílica “F”- contém substância fluorescentes; sílica “P”- para uso em camadas Preparativas. Fase móvel: o solvente ou mistura de solventes tem papel fundamental na separação de misturas. Entende-se que existe uma competição entre as moléculas da fase móvel e da amostra, pela superfície do adsorvente. Portanto, a escolha da fase móvel tem que considerar a natureza química das substâncias a serem separadas e a polaridade da fase móvel. Deve-se tomar como base a “série eluotrópica“ dos solventes (solventes em ordem de polaridade). O poder de eluição está diretamente relacionado com a polaridade. Série eluotrópica. Série eluotrópica: Pentano, éter de petróleo, cicloexano, benzeno, clorofórmio, éter etílico, acetato de etila, acetona. Aumento da polaridade Aplicação das amostras na cromatografia: em geral usam-se soluções de 0,1 a 1,0%. Pode-se utilizar micropipetas ou microseringas, que permitem determinar a quantidade de substâncias colocada nas placas. Quando não é exigida a quantidade de amostra podem-se usar capilares de vidro. As gotas devem ser aplicadas 1,5 a 1,0cm acima da borda inferior da placa (ponto de partida). Reveladores cromatográficos: são agentes físicos (ultravioleta, por exemplo) ou químicos (vapores de iodo, H2SO4, por exemplo) que tornam visíveis as substâncias separadas. 8 Constantes cromatográficas: são características reproduzíveis em um dado sistema cromatográfico. Por exemplo: Rf (Rate of flow) que é a relação de deslocamento dados pela relação de deslocamento do soluto pelo deslocamento do solvente. 2.1.2 CROMATOGRAFIA EM COLUNA (Figura 2b) Os métodos cromatográficos líquido-sólido (adsorção) podem ser realizados numa coluna recheada com um sólido (fase estacionária) e uma fase móvel líquida, onde a adsorção ocorrerá entre as superfícies das fases: móvel e estacionária. Dependendo do tamanho da coluna usada, é facilmente aplicada para fins preparativos, devendo ser monitorada, principalmente por cromatografia em camada delgada. a) b) Figura 2 – a) cromatografia em camada delgada, b) cromatografia em coluna 2.2 DESTILAÇÃO A destilação tem por objetivo a separação de um líquido volátil de uma substância não volátil ou, mais usualmente, a separação de dois ou mais líquidos de diferentes pontos de ebulição. A destilação é um processo físico de separação que consiste basicamente na vaporização de um líquido por aquecimento, seguida da condensação do vapor formado. Os principais tipos de destilação são: destilação simples, fracionada, a pressão reduzida, com arraste de vapor.2.2.1 DESTILAÇÃO SIMPLES (Figura 3) Só se aplica para separar um líquido de suas impurezas não voláteis, um solvente usado numa extração, ou excepcionalmente, para separar líquidos de pontos de ebulição muito afastados. Figura 3 – Aparelhagem de destilação simples 9 2.2.2 DESTILAÇÃO FRACIONADA (Figura 4) Destina-se à separação de líquidos miscíveis entre si, mesmo aqueles de pontos de ebulição próximos. Na destilação fracionada adapta-se uma coluna de fracionamento (coluna de Vigreaux, Hempel, etc.) entre o condensador e o balão de destilação. A função dessa coluna é proporcionar em uma única destilação, uma série de microdestilações sucessivas, de tal modo que, pela extremidade conectada ao condensador saem somente vapores do líquido mais volátil, regressando ao balão, por refluxo, a mistura dos vapores contendo o componente menos volátil. O ponto de ebulição pode ser definido como sendo a temperatura na qual a pressão de vapor de um líquido é igual à pressão exercida sobre a superfície do mesmo. Chama-se ponto de ebulição normal a temperatura em que um líquido passa ao estado gasoso à pressão de 1 atm (760 mmHg). O ponto de ebulição das substâncias, a uma dada pressão, é sempre o mesmo e se mantém constante durante a ebulição, enquanto o das misturas varia dentro de um intervalo de temperatura que depende da natureza e proporção entre os seus constituintes. 1) Toda a aparelhagem para destilação a pressão normal deve estar aberta para a atmosfera, a fim de evitar aumento da pressão do sistema com o aquecimento. 2) Deve-se encher o balão até o máximo de 2/3 de sua capacidade. Se o balão estiver muito cheio, pode ocorrer arraste mecânico do líquido a se destilar, impurificando assim o destilado. Se o balão estiver muito vazio (menos de ½ de sua capacidade) ocorrerão perdas desnecessárias devido ao grande volume que o vapor deve ocupar para encher o balão. 3) Não aquecer o balão até a secura se estiver usando bico de Bunsen, para não haver risco de quebra. 4) A água no condensador deve fluir no sentido contrário à corrente dos vapores para evitar choque térmico. 5) Quando houver necessidade de proteger o sistema da umidade do ar, é aconselhável adaptar à saída lateral um tubo de secagem (CaCl2). 6) O superaquecimento da massa líquida poderá resultar em uma ebulição tumultuosa, que pode ser evitada, adicionando-se à mistura, ainda frio, algumas pedras porosas (pedra-pomes, porcelana, pérolas de vidro). Neste caso, bolhas de ar contidas nas pedras porosas são eliminadas pelo aquecimento, as quais, devido à um aumento da pressão interna, vencem a pressão da coluna do líquido, sendo assim expelidas e rompendo a tensão superficial. 7) A destilação a temperatura superiores a 140-150 °C é normalmente conduzida com condensador refrigerado a ar. Não se utiliza condensador refrigerado a água para evitar quebra do condensador, devido ao choque térmico decorrente da diferença de temperatura entre o vapor do destilado e a água corrente. 8) Controlar o aquecimento de modo que o líquido destile a uma velocidade constante (cerca de 1 gota por segundo). a) b) Figura 4 – a) Aparelhagem para destilação fracionada, b) colunas de fracionamento 2.2.3 DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR (Figura 5) Um grande número de árvores e outras plantas exalam aromas agradáveis, que resultam de misturas complexas de compostos orgânicos voláteis. Essas misturas de produtos naturais voláteis constituem o que se denomina de óleos essenciais. Esse óleo produzido pela planta fica geralmente armazenado em pequenas 10 vesículas das folhas, pétalas e cascas. Devido a sua volatilidade ele escapa pelos poros das vesículas perfumando o ambiente. Dentre os óleos mais importantes, podemos destacar os de: eucalipto, canela, hortelã, jasmim, lavanda, limão, rosa e outros. A extração e comercialização desses óleos essenciais é importante para as indústrias de perfume, alimentos, fármacos e materiais de limpeza. Os métodos mais comuns de extração de óleos essenciais de plantas são a prensagem, a destilação por arraste de vapor e a extração com solventes. A destilação a vapor é bastante utilizada na purificação de substâncias que se decompõem a temperaturas elevadas, bem como na separação de um composto de uma mistura reacional que contém outros compostos não voláteis. Para que uma substância possa ser arrastada por vapor de água, é necessário que ela seja insolúvel ou pouco solúvel em água, não sofra decomposição em água quente e possua apreciável pressão de vapor (maior do que 5 mmHg a 100oC). Os vapores saturados dos líquidos considerados imiscíveis seguem a lei de Dalton (das pressões parciais) “quando dois ou mais gases ou vapores que não reagem quimicamente entre si são misturados à temperatura constante, cada gás exerce a mesma pressão que exerceria sozinho e a soma dessas pressões é igual a pressão total exercida pelo sistema” P= P1 + P2 + ........Pn Se uma mistura de dois líquidos for destilada o ponto de ebulição será a temperatura na qual a soma das pressões de vapor é igual à da atmosfera. Essa temperatura será menor do que o ponto de ebulição do componente mais volátil. Exemplo: Anilina Pe = 184oC, Água Pe = 100oC, temperatura de ebulição da mistura é igual a 98,5oC quando a pressão de vapor da água é igual a 717 mmHg e da anilina 43 mmHg. Figura 5 – Aparelhagem para destilação por arraste de vapor 2.3 TÉCNICAS DE FILTRAÇÃO A filtração é um processo de separação de misturas heterogêneas, principalmente dos tipos líquido- sólido e gás-sólido. Os filtros empregados no processo podem ser feitos de diferentes materiais porosos, tais como: tecido, algodão, papel, placa de vidro com pequenos orifícios (vidro sinterizado), fibras, lã de vidro ou amianto, etc... A porosidade (tamanho dos orifícios do filtro) varia de material para material; quanto mais poroso o filtro mais rápido o escoamento do líquido e menor a retenção de partículas. Assim, o material filtrante a ser utilizado deve ser cuidadosamente escolhido, levando-se em consideração o tamanho das partículas da fase sólida. Em laboratório de Química, o material poroso mais comum é o papel de filtro. TIPOS DE FILTRAÇÃO: a) Simples; b) A vácuo (por sucção). 2.3.1 FILTRAÇÃO SIMPLES: Nessa operação temos filtração por gravidade (o líquido desce pela ação da gravidade). Ela geralmente emprega um funil de vidro e papel de filtro dobrado em quatro ou pregueado. É um processo de filtração lento. 11 1 - A mistura líquido-sólido é transferida para o funil com o auxílio de um bastão de vidro, que deve tocar o papel de filtro; 2 - A mistura deve ser transferida lentamente, de modo que a quantidade de líquido no papel de filtro não ultrapasse 2/3 da sua altura; 3 - A haste do funil deve ser posicionada de forma a tocar a parede lateral do coletor (bécker ou erlenmeyer); 4 - Caso nem todo o sólido tenha escorrido para o funil, o mesmo deve ser removido com o auxílio de bastão de vidro. Para facilitar a remoção, transfere-se um pouco do líquido filtrado para o frasco que continha originalmente a mistura e filtra-se novamente. Se o aumento do volume do filtrado não interferir na experiência, pode-se também usar um pouco de solvente puro para auxiliar na transferência do sólido; 5 - Utilizando-se o dispositivo mostrado na figura 6 pode-se fazer filtração a quente. Figura 6 – Tipos de filtração 2.3.2 FILTRAÇÃO A VÁCUO: É realizada utilizando-se um funil de Buchner acoplado a um frasco de Kitassato. A sucção pode ser executada por uma bomba de vácuo. É um processo de filtração mais rápido e que permite uma secagem parcial do sólido, pois a sucção faz com que a corrente de ar que passa pelo filtro remova parte do líquidoque umedece o sólido. Observações: 1 - O papel de filtro é colocado no funil de Buchner, sobre a plataforma que contém diversos furos. O diâmetro do papel deve ser ligeiramente menor que o diâmetro da plataforma de porcelana, mas suficiente para cobrir todos os furos. 2 - O papel deve estar aderido ao funil. Isso é obtido molhando-o com a própria solução a ser filtrada e ligando-se o vácuo. A mistura é então adicionada, como na filtração simples. 2.4 RECRISTALIZAÇÃO A recristalização é o método mais comum de purificação de substâncias sólidas. Baseia-se na diferença de solubilidade do sólido e das impurezas nele contidas, em um solvente ou mistura de solventes quando aquecido após o resfriamento. O processo inclui as seguintes etapas: a) Dissolução da substância impura a uma temperatura próximo do ponto de ebulição do solvente. b) Filtração a quente da solução de modo a eliminar qualquer material insolúvel. c) Resfriamento do filtrado. d) Separação dos cristais formados. e) Secagem do material SELEÇÃO DO SOLVENTE E SOLUBILIZAÇÃO. A seleção do solvente é muito importante. Um bom solvente para recristalização deve dissolver grande quantidade da substância em temperatura elevada e 12 pequena quantidade em temperatura baixa. O solvente deve dissolver as impurezas mesmo a frio, ou, então, não dissolvê-las, mesmo a quente. Outros fatores, como a facilidade de manipulação, a volatilidade, a inflamabilidade e o custo, devem ser também considerados. Na tabela 3.5 estão listados os solventes mais frequentemente empregados em recristalização. Durante as preparações, nem sempre são fornecidas informações a respeito do solvente apropriado para a recristalização do produto obtido. Neste caso, é recomendável fazer testes em tubos de ensaio, com os solventes mais comuns. Observa-se a ação dos vários solventes a frio e à temperatura de ebulição, a formação de cristais durante o resfriamento e o volume de solvente necessário por grama da amostra a ser purificada. Às vezes, uma mistura de 02 solventes é mais conveniente. Isto é feito quando um dos solventes dissolve bem a substância a frio e o outro não, mesmo a quente. Para que se possa fazer mistura de solventes é necessário que: os 02 solventes sejam miscíveis em todas as proporções e sejam compatíveis com eles mesmos e com o soluto. Misturas de solventes mais usados em cristalização a) etanol + água d) éter + metanol b) metanol + água e) éter + acetona c) ácido acético + água O par mais comum é etanol e água. A substância geralmente é bem solúvel em etanol e pouco solúvel em água. A técnica consiste em aquecer o material a purificar com o melhor solvente até a ebulição da solução, e adicionar lentamente o pior solvente, até aparecer uma ligeira turvação. Adiciona-se, então, pequena quantidade do melhor solvente, de modo a obter uma solução límpida a quente. Durante a solubilização do material a quente, é importante usar a menor quantidade possível de solvente para diminuir as perdas do produto por solubilização. Costuma-se empregar um excesso de 2 a 3% de solvente de quantidade mínima necessária para dissolver a amostra. Impurezas coloridas ou resinosas podem ser removidas pela adição de pequena quantidade de carvão ativo à solução aquecida (em geral, cerca de 1 a 2% p/p) do material a ser purificado é suficiente. As impurezas, adsorvidas na superfície das partículas de carvão, são removidas durante a filtração. O uso de excesso de carvão ativo leva à perda do material a purificar. FORMAÇÃO DOS CRISTAIS - pode ocorrer de maneira expontânea ou induzida por meio de: agitação, resfriamento ou introdução de cristais de substância pura. O resfriamento muito rápido tem o inconveniente de originar cristais muito pequenos que podem adsorver impurezas contidas na solução. FILTRAÇÃO A QUENTE - A operação deve ser efetuada rapidamente, a fim de evitar a cristalização da substância no filtro ou no funil. Utiliza-se, para isso, papel de filtro pregueado e funil pré-aquecido. SOLVENTES COMUNS EM RECRISTALIZAÇÃO _________________________________________________________________ Solvente PE (ºC) Solvente PE (ºC) _________________________________________________________________ acetato de etila 77,0 diclorometano 39,8 acetona 56,5 éter de petróleo 20 - 90 ácido acético 118,0 éter etílico 34,6 água 100,0 etanol 78,5 benzeno 80,1 metanol 64,7 clorofórmio 61 tetracloreto de carbono 76,7 _________________________________________________________________ 13 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: Experimento 1: RECRISTALIZAÇÃO DO ÁCIDO BENZOICO (CONSERVANTE DE ALIMENTOS, antifungico) 1) Utilizar a solução do ácido em água (ou fazer uma solução de 2,0g de ácido benzóico impuro em 100 mL de água) 2) Juntar à solução pequena quantidade de carvão ativado e aquecer em chapa até completa dissolução do sólido. 3) Filtrar à quente com papel pregueado em funil aquecido em manta. 4) Separar o filtrado em dois béqueres e marcá-los. 5) Deixar um dos béqueres em repouso na bancada (Cristalização espontânea). 6) Induzir a cristalização na outra porção por agitação e resfriamento em banho de gelo. 7) Filtrar as duas porções, separadamente, à pressão reduzida (funil de buchner, kitassato e bomba). 8) Comparar os tipos de cristais obtidos. EXPERIMENTO 2: SEPARAÇÃO DOS COMPONENTES DE ANALGESICOS Em um gral, triturar seis comprimidos de um analgésico, transferir para um Erlenmeyer e adicionar 30 mL de diclorometano. Aquecer suavemente e filtrar a parte insolúvel. O precipitado deve ser colocado em um béquer com um pouco de EtOH. O material insolúvel é o excipiente usado no analgésico. A solução etanólica deve ser evaporada a 1/3 do volume inicial e deixada esfriar, quando cristalizará o paracetamol. A fase orgânica deve conter AAS e cafeína. A separação utiliza uma lavagem com ácido para tornar a cafeína um sal solúvel em fase aquosa, e a solução básica para remover AAS como sal, solúvel na fase aquosa. Neutralizar as fases aquosas, extrair com diclorometano e secar com sulfato de sódio anidro. EXPERIMENTO 4: EXTRAÇÃO DE PIGMENTOS DE ALIMENTOS (EXTRATO DE TOMATE) (A) Em um becker de 50 mL pese 10 g de pasta de tomate e adicione 15 mL de etanol 95%. Agite a mistura vigorosamente com um bastão de vidro até que a mistura torne-se fluida. Com um funil pequeno e algodão filtre para um erlenmyer de 50 mL a solução de pasta de tomate, depois de filtrar esprema o algodão com uma espátula para remover toda a água. O resíduo que está no algodão será utilizado para extrair os pigmentos. (B) Coloque o resíduo em um Becker de 50 mL e adicione 10 mL de éter de petróleo agite a mistura por 2 minutos para extrair os pigmentos. Filtrar com um novo funil para um becker de 50 mL. Depois cubra o becker com papel alumínio e reserve para a próxima aula. EXPERIMENTO 4 e 5: CROMATOGRAFIA EM COLUNA Amostra: Pigmentos obtidos da massa de tomate na aula anterior. Preparação da coluna: Pode-se utilizar como coluna uma bureta de 25 mL com 1,6 cm de diâmetro e 13 cm de comprimento. Coloca-se, com ajuda de um bastão, um pequeno chumaço de algodão na base de uma pipeta de Pasteur. Adiciona-se sílica-gel seca até cerca de 2 cm de altura a partir do algodão. Coloca-se hexano com outra pipeta de Pasteur até cobrir a camada de sílica-gel. Aplicação da amostra e eluição: Utilizar um conta-gotas para transferir uma porção da amostra para o topo da coluna e iniciar a eluição com éter de petróleo. Observe a migração dos pigmentos e sua separação em duas bandas. Coletar a primeira banda alaranjada (β-carotenos) quando esta começar a sair da coluna. Mudar a fasemóvel para acetona e coletar a segunda banda de coloração vermelha (licopeno). Experimento Arco-íris 14 Pese 15 g da pasta de tomate em um Becker adicione 30 mL de água e transfira para uma proveta com uma pipeta adicione 5 mL de água de bromo gota à gota. Com um bastão de vidro agite a solução com cuidado. Observe as cores na proveta. EXPERIMENTO 5: CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA Extração dos corantes de uma bebida em pó ou gelatina de sobremesa Coloque uma certa quantidade de bebida em pó ou gelatina de sobremesa em um tubo de ensaio e adicione água morna gota a gota até que a amostra se dissolva. Use esta solução concentrada para aplicar na placa cromatográfica. Aplicar com auxílio de um capilar as soluções de corantes na extremidade de uma placa de sílica-gel ativada. Deixar secar a placa e colocar na cuba cromatográfica que já deverá conter a seguinte fase móvel: 30 mL 2M NH4OH ( 4 mL NH4OH conc. + 26 mL H2O) + 30 mL 1- pentanol ou álcool n-amílico + 30 mL de etanol absoluto. A mistura deve ser preparada em uma proveta de 100 mL. Tampar a cuba e aguardar até o solvente atingir 1 cm antes do topo da placa, retirar a placa da cuba, deixar secar e revelar com luz ultravioleta ou com vapores de iodo. EXPERIMENTO 6: DESTILAÇÃO POR ARRASTE A VAPOR D'ÁGUA - obtenção de essências vegetais. Este experimento visa demonstrar a técnica da destilação por arraste com vapor d'água. O processo possui grande aplicabilidade podendo ser usado para a extração do óleo de cravo da índia, de casca ou folhas de limão, de casca ou de folhas de laranja, de folhas de eucalipto e de folhas de capim cidró. Figura 8 – aparelhagem de destilação por arraste de vapor Montar a aparelhagem para a destilação por arraste conforme o esquema (Figura 8). Colocar água no balão "A" (gerador de vapor) até atingir 2/3 de sua capacidade e algumas pedras de ebulição. Triturar aproximadamente 15g de cravo da índia e colocar no balão "B" juntamente com 100 mL de água. Conectar os balões com cuidado, aquecer o balão "A" e deixar destilando por arraste até obter cerca de 110 mL de destilado. Observe a condensação de gotas oleosas, límpidas, juntamente com a água, no frasco coletor e a retenção, no balão "B", de todas as demais substâncias insolúveis e as não destiláveis. O destilado (que possui odor agradável) contém parte do óleo como sobrenadante e parte disperso na água. Coloca-se água para aquecer no balão A (gerador de vapor). Quando começar a borbulhar vapor no balão B (balão de destilação), liga-se o aquecimento deste. Quando começar a destilar, desliga-se o aquecimento no balão B. Quando terminar a destilação, é necessário tirar a rolha do frasco A antes de interromper o aquecimento. Se esse cuidado não for tomado, pode haver refluxo do material do balão B para o balão A. . CCD - DOS CONSTITUINTES DO ÓLEO DE CRAVO O óleo do cravo da índia contém, entre outros componentes, quantidades apreciáveis de eugenol e acetileugenol, os quais podem ser separados entre si, considerando que o eugenol é um fenol e, por isso, possui características ácidas (reage com base forte). Em uma extração ácido-base as espécies são convertidas A B 15 separadamente em sais, os quais são solúveis em água, podendo dessa forma ser isolados dos meios orgânicos. Análises por CCD: Analisar por cromatografia em camada delgada, aplicando nas placas de sílica ativada pontos do óleo de cravo, dissolvidos em clorofórmio. Como eluente utilizar clorofórmio/hexano. Se forem utilizadas placas com indicador fluorescente, fazer a revelação na câmara de UV. Caso contrário, revelar na câmara de iodo. EXPERIMENTO 7: EXTRAÇÃO DA CAFEÍNA N N N N O O CH3 H3C CH3 H Cafeína ( 1,3,7-trimetil-xantina) Propriedades da cafeína: Pó branco ou agulhas brancas lustrosas, inodoro, amargo, neutro ao tornassol (pH=7), ponto de fusão: 235 - 237 o C. Solubilidade: 1g de cafeína é solúvel em 60 mL de água, 75 mL de álcool, 600 mL de éter e 6 mL de clorofórmio. Usos: Estimulante do sistema nervoso central e miocárdio, diurético e é associada a analgésicos por aumentar a circulação sanguínea. Procedimento experimental: 1. Aqueça, em um béquer de 400 mL, 25g do material triturado junto com 100 mL de água e carbonato de sódio até ficar alcalino. (ou 200 mL de refrigerante e carbonato de sódio). 2. Aquecer por 15 min. ( no caso de usar refrigerante, não aquecer) 3. Deixe esfriar e transfira para um funil de separação e adicione 25 mL de clorofórmio (ou diclorometano), agite e decante a camada orgânica para um erlenmeyer. Repita a extração com mais duas porções de 25 mL de clorofórmio. 4. Adicione agente dessecante à camada orgânica, filtre para balão de fundo redondo com algodão e evapore o solvente orgânico em evaporador rotatório. 5. Pese o balão com a cafeína e calcule o rendimento. EXPERIMENTO 8: Extração da caseína do leite 1.Em um Erlenmeyer (250mL) adicionar 50 g de leite e levar ao aquecimento em banho de água, agitando a solução constantemente, e controlando a temperatura. Fontes de cafeína: Chá preto - 1,0 a 4,8 % Café - 1,0 a 1,5% Mate - 1,25 a 2,0% Guaraná - 3,0 a 5,0% 16 2.Quando o banho atingir 40 C, retirar o frasco do aquecimento e adicionar 10 gotas de ácido acético glacial sob agitação. 3.Observar a formação do precipitado. 4. Filtrar sob vácuo. 5.Transferir o sólido para um erlenmeyer com 25 mL de etanol (95%). Após manter a agitação da mistura por 5 minutos, deixar decantar. 6.Descartar a fase etanólica cuidadosamente. Ao resíduo adicionar 25 mL de uma solução 1:1 de éter etílico:etanol, após agitação por 5 minutos, filtrar o sólido (vácuo). Secar ao ar, em papel de filtro, pesar e calcular o rendimento. Análise de proteínas: 1. Test de Biuret: Separe 5 tubos de ensaio e adicione 15 gotas em cada tubo dos seguintes itens (um item em cada tubo) e identifique-os: a. 2% glicina b. 2% gelatina c. 2% albumina d. Caseina preparada na parte A com 15 gotas de água destilada. e. 1% tirosina Para cada tubo adicionar 5 gotas de solução 10% aq. NaOH e duas gotas de solução de CuSO4 sob agitação. O aparecimento de cor púrpura-violeta evidencia a presença de proteínas. Anote os resultados 2. Teste com ninindrina. Separe 5 tubos de ensaio e adicione 15 gotas em cada tubo dos seguintes itens: a. 2% glicina b. 2% gelatina c. 2% albumina d. Caseina preparada na parte A com 15 gotas de água destilada. e. 1% tirosina Para cada tubo adicionar 5 gotas do reagente ninindrina e aqueça os tubos em um banho de água em ebulição por 5 minutos. Observe e anote os resultados. 3. Metal pesado Coloque 2 mL of leite em cada um dos três tubos, identifique-os e adicione algumas poucas gotas dos seguintes metais: a. Pb2+ como Pb(NO3)2 no tubo 1. b. Hg2+ como Hg(NO3)2 no tubo 2 c. Na+ como NaNO3 no tubo 3 Analise os resultados. 4. Teste para xantoproteinas. (Use uma mufa ou prendedor de tubos) Adicione 15 de gotas de cada solução em 5 tubos. Identifique-os: a. 2% glicina b. 2% gelatina c. 2% albumina d. Caseina preparada na parte A com 15 gotas de água destilada. e. 1% tirosina Para cada tubo adicione 10 gotas de HNO3 conc. sob agitação. Aqueça cuidadosamente os tubos em banho de água. Observe e anote os resultados. 17 Reagentes: Leite integral; ácido acético glacial, ácido nítrico concentrado, etanol 95%, sulfato de cobre (II) 5%; nitrato de chumo (II) 5%, nitrato de mecurio II 5%, nitrato de sódio 5%, reagente de ninindrina, hidróxido de sódio 10%, tirosina 1%, albumina2%, gelatina 2%, glicina 2%, éter etílico:etanol 1:1. EXPERIMENTO 9: Procedimento Experimental: Em um balão de 100 mL, munido de agitação magnética e condensador de refluxo, adicionou-se o ácido salicílico, o metanol e o ácido sulfúrico concentrado. Aquecer a mistura à temperatura de refluxo pelo período de 2 horas. Extrair com diclorometano (3x50 mL) e lavar a fase orgânica com solução saturada de Bicarbonato de Sódio. Secar a fase orgânica com sulfato de magnésio, filtrar e evaporar o solvente no rota-evaporador. Após evaporação, o produto é obtido na forma de um óleo incolor de cheiro agradável, com rendimento que varia entre 70-80%.
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