NOTA de Aula Introdução e métodos de separação

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Química Geral para Engenharia Profa. Regina C. M de Paula 
CAPÍTULO I - QUÍMICA UMA CIÊNCIA EXPERIMENTAL 
 
1.1- Definição 
 
Química : é a ciência das moléculas e de suas transformações. Não apenas de um pouco 
mais de uma centena de elemento, mas da infinidade de moléculas que podem ser 
formadas a partir deles. 
 
1.2- Método Científico 
 
Descrição da metodologia científica utilizada para estudar a natureza. O pensamento 
científico é útil em vários aspectos de nossa vida. 
 
Etapas do método Científico 
 Observação : A observação de um fato pode ser qualitativa (a terra é sólida, o ar 
é gasoso) ou quantitativa (a temperatura de congelamento da água é 0 °C). 
 Formulação da hipótese: Uma hipótese é uma possível explicação para a 
observação. Uma hipótese é uma ferramenta útil para explorar um novo 
fenômeno e para guiar os experimentos que devem ser realizados. 
 Experimentos: são testes para verificar uma hipótese. Para ter certeza que seu 
experimento possa ser reproduzido, ele deve ser realizado em condições 
controladas. Com o resultado podemos decidir se nossa hipótese é correta ou se 
precisa ser revista ou ampliada. 
 
Uma vez que os resultados dos experimentos são reprodutivos e temos um conjunto de 
fatos que explicam as nossas observações podemos elaborar uma Teoria. 
 
Teoria: principio unificador que explica um conjunto de fatos. 
 
Uma teoria normalmente muda quando mais informações estão sendo disponíveis. Por 
exemplo, a teoria atômica de Dalton foi um grande passo na época para entendermos a 
composição da matéria, entretanto com o passar do tempo a evolução da química 
quântica levou os cientista a mudarem a teoria atômica. 
 
A teoria é uma invenção da mente humana. Ela expressa nossa tentativa de explicar o 
comportamento de uma observação. 
 
Na natureza muitas vezes observamos fatos que se aplicam a diferentes sistemas. Por 
exemplo, observou-se que a razão de massas dos elementos de um composto químico é 
fixa independente da origem da amostra e do método de preparação. Esta observação é 
denominada Lei das proporções definidas. 
 
Lei: é uma explicação verbal ou matemática de uma relação que é sempre a mesma nas 
mesmas condições. 
Uma lei pode ser violada? Não se as condições previstas na Lei são mantidas. Por 
exemplo, a lei de Charles diz que o volume é proporcional a temperatura para um 
número fixo de moles de gás ideal a uma dada pressão. A equação que define a Lei de 
Charles é: 
Vinicial/ T inicial = Vfinal/Tfinal 
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Note que as restrições da Lei não está incluída na equação e muitas vezes pode ser 
esquecida. Usando esta Lei você pode predizer a temperatura do CO2 acima do líquido 
em uma garrafa de refrigerante após abri-la, dado a temperatura inicial e seu volume 
final? Não, pois existe uma restrição da Lei que não foi observada, a pressão deve ser 
constante. 
 
Devemos saber diferenciar uma Lei de uma Teoria. A Lei é um sumário de um 
comportamento observado e a Teoria é uma explicação do comportamento. Uma Lei 
diz o que aconteceu, uma Teoria é a nossa tentativa de explicar porque o fato 
aconteceu. 
 
1.3 MATÉRIA 
Matéria, por definição, é qualquer coisa que ocupa lugar no espaço e tem massa. Todos 
os objetos no universo ocupam espaço e tem massa; portanto, é matéria. 
Matéria existe em três estados físicos diferentes: sólido, líquido e gasoso. 
 
Tabela 1: Os três estados da matéria 
 
Estado Definição Exemplos 
Sólido rígido; apresenta volume e forma 
fixa. 
cubo de gelo, diamante, 
barra de ferro. 
Líquido apresenta um volume definido 
mas fica com a forma do seu 
recipiente. 
gasolina, água, álcool, 
sangue. 
Gás Não apresenta volume e nem 
forma fixa; toma a forma e o 
volume do seu recipiente. 
ar, hélio,oxigênio. 
 
OBS: O estado da matéria depende da força existente entre as partículas contidas 
na matéria; quanto mais forte for essa força, mais rígida será a matéria. 
 
 
1.4 PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS 
 
PROPRIEDADE FÍSICA: É a propriedade que mantém a característica da matéria, ou 
seja, não envolve mudança na identidade química da matéria. Ex: cor, dureza, 
temperatura de ebulição, de fusão, condutividade elétrica. 
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Ex: Ferro apresenta o ponto de fusão em torno de 1535°C. Quando ele se funde, o metal 
muda de sólido para líquido, mas ele continua sendo ferro porque não ocorreu mudança 
na identidade química do mesmo. 
MUDANÇA FÍSICA: Envolve a mudança em uma ou mais propriedades físicas da 
matéria, mas não ocorre mudança na identidade química da mesma: sólido - líquido - 
gás. 
PROPRIEDADE QUÍMICA: É propriedade em que a matéria perde a sua identidade 
química, ou seja, ela se transforma em outro tipo de matéria. 
Ex: Ferro exibe uma propriedade química quando ele se combina com o oxigênio em 
presença de água formando o óxido de ferro que apresenta a cor marrom avermelhado 
(ferrugem). 
 
MUDANÇA QUÍMICA: Envolve uma mudança na composição quando uma dada 
substância se transforma em outra substância. Mudanças Químicas são conhecidas 
como REAÇÕES. Em qualquer mudança química: 
 
1. Uma ou mais substâncias são usadas 
2. Uma ou mais novas substâncias são produzidas 
3. Energia é absorvida ou liberada. 
 
EXERCÍCIO 
1. Classifique como propriedade física ou química. 
a) O ponto de ebulição de um certo álcool é 78°C. 
b) Diamante é muito duro. 
c) O açúcar fermenta formando o álcool. 
d) Um fio metálico conduz corrente elétrica. 
e) O metal gálio se funde em sua mão. 
f) Esta página é branca. 
g) Platina não reage com o oxigênio à temperatura ambiente. 
 
2. Classifique como mudança química ou física 
a) O ferro combina com o oxigênio formando a ferrugem. 
b) A madeira queima em contato com o oxigênio. 
c) Uma rocha se quebra em vários pedaços menores. 
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d) O leite "talhou". 
 
PROPRIEDADE EXTENSIVA: É a propriedade que depende da quantidade de 
matéria presente. Ex: comprimento, massa e volume. 
 
1.5 CLASSIFICAÇÃO DA MATÉRIA 
 
A Matéria se divide em: Substâncias Puras (Elementos e Compostos) e Misturas 
(Homogêneas e Heterogêneas.) 
 
ELEMENTOS E COMPOSTOS 
ELEMENTOS: São substâncias que não podem ser divididas em substância mais 
simples por métodos químicos. Ex: Ferro, alumínio, oxigênio e hidrogênio. 
COMPOSTOS: São substâncias que podem ser decompostas em substâncias mais 
simples por métodos químicos. Ex: água (água pura tem sempre a mesma composição: 
1 átomo de Oxigênio e dois de hidrogênio) 
OBS: 1. O elemento é sempre formado por átomos de um mesmo elemento químico, 
enquanto que, o composto contém átomos de elementos diferentes. 
 
 2. O composto sempre contém a mesma combinação dos átomos. As 
propriedades de um composto são muito diferentes das propriedades dos elementos que 
ele contém. Por exemplo, as propriedades da água são bastante diferentes das 
propriedades do hidrogênio puro e do oxigênio puro. 
 
 3.O elemento é representado por um símbolo químico, enquanto, o composto é 
representado por uma fórmula química. 
 
MISTURAS E SUBSTÂNCIAS PURAS 
MISTURA: É composta de mais de um tipo de matéria que pode ser separado por 
meios físicos. A composição da mistura varia. Ex: sangue (consiste de umaquantidade 
variada de proteína, açúcar, sal, oxigênio, dióxido de carbono e outros componentes 
misturado com a água); ar (mistura de oxigênio,nitrogênio, dióxido de carbono e outros 
componentes). 
 
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SUBSTÂNCIA PURA: É definida como uma amostra homogênea da matéria, ou seja, 
é toda espécie que apresenta propriedades físicas e químicas idênticas. Portanto, 
apresenta a mesma composição. São divididos compostos e elementos. 
MISTURAS DUAS OU MAIS SUBSTÂNCIAS 
PURAS 
 MÉTODOS FÍSICOS 
 
COMPOSTOS ELEMENTOS 
 MÉTODOS QUÍMICOS 
Misturas podem ser classificadas como homogêneas e heterogêneas. 
MISTURAS HOMOGÊNEAS: É a mistura que não muda de composição em toda a 
sua extensão. Qualquer parte da mistura apresenta as mesmas propriedades. É também 
chamada de SOLUÇÃO. Ex: ar, gasolina, solução de água + sal, etc. 
 
MISTURAS HETEROGÊNEAS: São misturas que apresentam composição variada 
(propriedades diferentes) em toda sua extensão. Ex: granito (pode ser separado em mica, 
quartzo e feldspato), sangue, concreto, areia + água, leite, etc. 
EXERCÍCIOS 
1. Identifique como sendo mistura ou substância pura. 
a) leite 
b) uma colher de açúcar 
c) uma colher da açúcar dissolvida em um copo d'água. 
d) madeira 
e) folha de alumínio 
f) vinho 
 
 
1.6 SEPARAÇÃO DE MISTURAS 
 
Raramente os elementos ou compostos são encontrados puros na natureza. Quando um 
composto é preparado no Laboratório, várias etapas são necessárias para separar o 
composto puro da mistura reacional. Alguns métodos importantes de separação são 
descritos abaixo: 
 
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FILTRAÇÃO: É um processo de separação dos sólidos que estão suspensos em 
líquidos através de um funil de filtração. Quando o líquido passa pelo funil, as 
partículas sólidas ficam retidas no mesmo. 
 
Figura 1 -Filtração 
 
CENTRIFUGAÇÃO: É usado, principalmente, para separar uma suspensão. 
Suspensões são misturas de pequenas partículas de um sólido insolúvel em um 
líquido. A mistura em um tubo é rotacionada a uma grande velocidade, de modo que, as 
partículas sólidas ficam situadas na parte de baixo do tubo. 
 
DECANTAÇÃO: É o método mais fácil para a separação de uma mistura heterogênea 
de sólidos insolúveis e um líquido. O sólido é permitido decantar e o líquido pode ser 
separado facilmente. A separação é feita pela diferença de densidade existente entre os 
componentes. 
Dois líquidos que não podem se misturar (líquidos imiscíveis), como óleo e a água, 
podem também ser separados por decantação. O óleo flutua na parte de cima por que é 
menos denso do que a água. O funil de separação é, freqüentemente, usado para a 
separação desses líquidos imiscíveis. A torneira é aberta permitindo a passagem do 
líquido que está em baixo (mais denso). Ocorre, portanto, a separação dos dois líquidos. 
EXTRAÇÃO POR SOLVENTES: É uma técnica útil para separar compostos tais 
como I2 e KMnO4 que apresenta diferente polaridade. Os compostos a ser separados são 
tratados com uma mistura de um solvente polar (H2O) e um solvente não polar (CCl4). 
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O I2 dissolverá no CCl4, enquanto que o KMnO4 dissolverá em H2O. Separando essas 
duas fases, deixando os solventes evaporar, podemos separar, portanto, I2 e KMnO4. 
 
 
EXTRAÇÃO POR SOLVENTE 
 
 
Figura 2 Extração por Solvente 
 
EVAPORAÇÃO: Uma mistura contendo sólido + líquido pode ser separado ao 
aquecer gentilmente a solução. O solvente evapora deixando somente o sólido no frasco. 
 
DESTILAÇÃO: Este método é baseado na diferença de ponto de ebulição entre os 
componentes e funciona bem para misturas de líquidos ou um sólido não volátil 
dissolvido em um líquido. A mistura é aquecida em um frasco de destilação até que um 
dos componentes comece a entrar em ebulição. Pedras de ebulição são colocadas na 
mistura para prevenir o aquecimento abrupto. Quando este componente começar a 
entrar em ebulição, ele entra em fase gasosa, onde ele passa por um tubo condensador 
contendo água de resfriamento. O tubo condensador diminui a temperatura do gás, 
permitindo que o mesmo retorne a líquido. Um cilindro graduado é colocado na parte 
final do condensador para coletar o líquido que está sendo separado. Esta forma de 
óleo e água 
(DECANTAÇÃO) 
Solução de KMnO4 e I2 
aquosa antes da 
separação 
CCl4 
Após a extração o 
I2 passa para a fase 
Menos densa 
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destilação é usada quando se quer separar uma mistura que apresenta uma 
diferença de mais 100°C entre seus componentes. 
 
Figura 3- Destilação Simples 
 
OBS: Um líquido que vaporiza facilmente é chamado de LÍQUIDO VOLÁTIL. 
 
DESTILAÇÃO FRACIONADA: É um método usado para separar uma mistura 
contendo dois ou mais líquidos com diferentes pontos de ebulição. É bastante 
semelhante com a destilação simples, a diferença é que apresenta uma coluna de 
fracionamento. Essa coluna fracionada é empacotada com pérolas de vidro que 
propicia uma superfície de área muito grande, na qual parte do componente menos 
volátil se condensa e volta para o frasco destilador. O líquido mais volátil (menor 
ponto de ebulição, menor massa molar) entra em ebulição e consegue passar pela coluna 
de fracionamento. Ocorre, portanto, a vaporização seguida da condensação havendo, 
então, a separação. 
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Figura 4- Destilação Fracionada 
CRISTALIZAÇÂO FRACIONADA- Cristalização Fracionada: é um processo de 
purificação de um sólido baseado no fato das substâncias presentes terem diferentes 
solubilidades no solvente utilizado. A situação ideal seria aquela em que todas as 
impurezas fossem muito mais solúveis do que o composto a ser purificado. Neste caso a 
amostra será dissolvida, a quente, na menor quantidade possível do solvente, formando 
uma solução saturada. A solução seria resfriada e os cristais, que se formaram devido ao 
abaixamento da temperatura, recuperada por filtração. Se impurezas insolúveis 
estiverem presentes na amostra, a solução deve ser filtrada a quente antes de ser 
resfriada e os cristais recuperados. 
 
 
Condensador 
Fração 
Entrada de 
água 
Saída de 
água 
Termômetro 
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Figura 5- Cristalização Fracionada 
 
 
CROMATOGRAFIA: Foi a primeira técnica utilizada para separar os pigmentos 
coloridos na planta. O princípio básico da cromatografia é simples. Um gás ou um 
líquido é permitido fluir sob um suporte sólido. Compostos que apresentam alta 
afinidade pelo solvente são carregados juntamente com ele à medida que passa pela fase 
estacionária. Compostos que apresentam alta afinidade pelo sólido se move muito 
lentamente. 
CROMATOGRAFIA DE CAMADA FINA: Um suporte plástico ou uma lâmina de 
vidro é revestido com uma camada fina de um sólido tal como a alumina (Al2O3) ou 
sílica (SiO2). Pequena amostra do composto a ser separado é colocado na sílica oualumina e imerso num solvente. O solvente se move lentamente (por capilaridade) pela 
placa de vidro ou suporte plástico levando os componentes da mistura juntamente com 
ele.Alguns desses componentes tem mais afinidade pela Al2O3 ou por SiO2 contido no 
suporte ou placa e, portanto, movem-se mais lentamente. Outros apresentam maior 
solubilidade no solvente e se movem mais rapidamente.O resultado é a separação da 
mistura em seus componentes baseado na afinidade relativa entre a fase sólida 
estacionária e a fase líquida móvel. 
 
Figura 6- Cromatografia De Camada Fina 
CROMATOGRAFIA EM COLUNA: Apresenta os mesmos princípios observados na 
cromatografia de camada fina. Esta técnica envolve encher uma coluna de vidro com 
um suporte sólido, colocar algumas gramas da mistura no topo da coluna e, então, 
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adicionar o solvente. Aquele componente que for mais solúvel no solvente separará 
primeiro à medida que o solvente passa pela mistura. 
CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA (CLAE) 
 
A CLAE utiliza colunas pequenas que comportam materiais especialmente 
preparados e uma fase móvel que é eluída sob alta pressão. Esta técnica tem a 
capacidade de realizar separações e análises quantitativas de uma grande quantidade de 
compostos presentes em vários tipos de amostras. 
 
Vantagens da CLAE 
 Menor tempo de análise que a cromatografia em coluna 
 Alta resolução- análise de misturas complexas 
 Resultados quantitativos 
 Versatilidade – pode ser aplicada a compostos orgânicos e inorgânicos, 
líquidos ou sólidos solúveis, iônicos ou covalentes. 
 Boa sensibilidade – até 10-9 g de amostra 
 
Limitações da CLAE 
 Alto custo do instrumento 
 Alto custo de operação 
 Falta de um detector universal 
 
3.2.1- Fase Móvel 
 
 As características da fase móvel (eluente) devem ser: 
 Alto grau de pureza ou fácil purificação 
 Dissolver amostras sem decompor os componentes 
 Não decompor a fase estacionária 
 Ter baixa viscosidade 
 Ser compatível com o tipo de detector utilizado 
 Ter polaridade adequada para permitir uma separação conveniente dos 
componentes da amostra. 
 
Todo solvente deve ser filtrado em filtros de porosidade de 0,5 m para evitar que 
partículas finas possam bloquear a coluna. A presença de gases dissolvidos pode gerar 
bolhas no solvente que afetam a pressão, a eluição dos componentes na coluna e o 
funcionamento do detector. Por esta razão o solvente deve ser degaseificado por 
borbulhamento de gás inerte, como hélio ou nitrogênio, ou através da utilização do 
banho de ultra-som. Solventes aquosos devem conter cerca de 0,01% (m/v) de azida 
sódica para evitar o crescimento de microorganismos. 
 
Método de Cromatografia de Líquida de Alta Eficiência (CLAE) 
 
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A Figura 7- mostra um esquema simples de um equipamento de CLAE. 
 
 
Solvente
Bomba
Injetor
Coluna
Detector
Registrador
 
 
Figura 7 - Esquema de um Equipamento de CLAE 
 
 
O solvente é bombeado para a coluna através de uma bomba. A amostra é 
introduzida no fluxo de solvente através da válvula de injeção (25 –50 L) e 
arrastada para a coluna. As substâncias presentes são separadas e chegam ao 
detector, que gera um sinal para o registrador (Figura 4). 
 
 
 
 
Figura 8- Cromatograma fornecido pelo registrador 
 
 
CROMATOGRAFIA GÁS-LÍQUIDO (CGL)- A cromatografia gás-líquido é uma 
técnica mais sensível que a CLAE podendo realizar analises de quantidades sub-
nanomolar. Além disso, ela é menos sensível à interferência de sais e proteínas. A 
detecção é geralmente obtida em um detector de ionização de chama. A desvantagem é 
que nesta técnica é necessário que o material seja volátil. 
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Método de Cromatografia Gás-Líquido (CGL) 
 
A Figura 9 mostra um esquema simples de um equipamento de CGL 
 
1
2 3 5
4 6
7b
7a
7c
 
 
Figura 9 – Esquema de um cromatografo a gás: (1) Fonte de gás de arraste; (2) 
controlador de vazão e regulador de pressão; (3) Sistema de injeção de amostra; 
(4) coluna cromatográfica, (5) Sistema de detecção; (6) Registrador; (7) 
Termostato para injetor(a), coluna(b) e detector(c) 
 
Na CGL uma corrente de gás passa continuamente pela coluna e quando a amostra 
vaporizada é introduzida rapidamente nesta corrente de gás, ela é arrastada através da 
coluna. As substâncias presentes na amostra, depois de separadas, chega ao detector, 
que gera um sinal para o registrador, similar ao do CLAE. Em um cromatograma ideal, 
os picos apresentam-se separados e simétricos. Na prática pode haver sobreposição 
parcial devido a uma separação deficiente na coluna, ou à presença de picos com 
assimetria frontal ou calda. A assimetria frontal está, freqüentemente, relacionada com o 
excesso de amostra injetada ou com o uso de colunas em uma temperatura abaixo do 
ideal para a análise. As caudas aparecem devido às falhas na técnica de injeção da 
amostra, ou devido à adsorção excessiva na fase estacionária ou suporte. 
 
Na cromatografia gás-líquido, a fase estacionária é uma líquido pouco volátil, 
recobrindo um suporte sólido ou as paredes de colunas capilares. A separação baseia-
se em mecanismos de partição das substâncias entre a fase líquida e a fase gasosa. 
 
Um padrão interno é sempre necessário para análise por CGL desde que é difícil a 
reprodutibilidade de injeções de amostras na coluna. O padrão deve ter características 
similares a da amostra e que seja detectado bem separados dos componentes presentes 
na amostra. Os picos observados na amostra (tempo de retenção) são comparados a dos 
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padrões para identificação. A determinação quantitativa pode ser obtida pela 
comparação das áreas do cromatograma. 
 
 %A =área A x100 . 
 área total 
 
 
Tabela . MÉTODOS DE SEPARAÇÃO DE COMPONENTES DE MISTURAS 
 
MÉTODO DE 
SEPARAÇÃO 
PROPRIEDADES 
FÍSICAS UTILIZADAS 
PROCEDIMENTO 
 
Filtração 
 
 
Solubilidade 
 
Adiciona-se a mistura sólido 
+ líquido a um filtro; o sólido 
fica retido e o líquido passa 
através do filtro. 
 
Cristalização 
 
 
Solubilidade 
 
Sólido antes dissolvido vai se 
separando do solvente e dos 
outros sólidos que 
permanecem dissolvidos por 
efeito de temperatura ou 
concentração. 
 
Destilação 
 
 
Volatilidade 
 
O componente mais volátil 
entra primeiro em ebulição e 
tem seu vapor resfriado e 
coletado. 
 
Cromatografia 
 
 
Adsorção 
 
Passando mistura gasosa ou 
líquida sobre papel ou através 
de coluna retida ou 
empacotada com adsorvente. 
 
Centrifugação 
 
 
Densidade 
 
Rotação de uma mistura 
sólido - líquido em alta 
velocidade em uma 
centrífuga. 
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LISTA DE EXERCÍCIOS 
1. Diferencie: a) propriedade química de propriedade física 
 b) mudança química de mudança física 
2 Quais dos seguintes são propriedades físicas ou propriedades físicas. Porque? 
a) ponto de fusão do ferro b) dureza do diamante. c) cordo sólido 
d) habilidade de queimar no ar e) queimando o gás natural f) corrosão do ferro. 
 
3. Defina os seguintes termos claramente e suscintamente. Dê dois exemplos para cada 
caso. 
a) substância b) mistura c) elemento d) composto 
 
4 Qual a diferença entre mistura heterogênea e mistura homogênea? Dê dois exemplos 
de cada. 
5. Qual a diferença entre uma destilação simples e uma destilação fracionada? 
6. Como você separaria os componentes das seguintes misturas: 
a) sal dissolvido em água b) gasolina e água c) óleo e água 
d) álcool (78°C) e éter (36°C) 
7. Descreva cromatografia de papel e em coluna. 
 
8. Como você diferencia uma substância pura de uma mistura? 
 
9. Discuta as propriedades dos sólidos, líquidos e gases. 
 
10. Classifique como propriedades físicas ou químicas: 
a) leite "talha" quando se adiciona algumas gotas de vinagre. 
b) manteiga fica "rancosa" quando deixada muito tempo a temperatura ambiente. 
c) Leite de magnésia neutraliza a acidez estomacal. 
d) Uma pessoa é asfixiada ao respirar o monóxido de carbono. 
e) óleo é escorregadio. 
f) álcool queima produzindo dióxido de carbono e água. 
11. Classifique como mistura homogênea ou heterogênea. 
a) areia da praia. 
b) uma amostra contendo cloreto de sódio dissolvido em água. 
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c) ar 
d) sangue 
 
12. Identifique os seguintes como mistura ou substância pura. 
a) madeira b) folha de alumínio c) vinho d) tablete de vitamina e) leite 
 
13. Uma substância pura X é fundida e o líquido é colocado num aparelho de eletrólise. 
Quando a corrente passa pelo líquido, um sólido marrom se forma em um recipiente e 
um sólido é depositado em outro recipiente. A substância X é um composto ou um 
elemento? 
 
14 Quais dos seguintes são propriedades intensivas ou extensivas. 
a) temperatura b) cor do cobre c) volume d) densidade e)massa.