Relatório - Ponto de fusão e ebulição

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Universidade de São Paulo
Instituto de Química de São Carlos
SQF0326 - Laboratório de Química Orgânica I
Prática 2: Ponto de Fusão e Ponto de
Ebulição
Prof. Dr. Antonio Carlos Bender Burtoloso
Cássio Luis Pires Lucato, 8599945
Leonardo Henrique Semensato, 9784206
São Carlos, 24 de Abril de 2018
Conteúdo
1 Introdução 3
2 Objetivos 5
3 Materiais e Métodos 5
3.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.2 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2.1 Parte 1: Calibração do termômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2.2 Parte 2: Análise de amostra desconhecida . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Resultados e Discussões 10
4.1 Parte 1: Calibração do termômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1.1 Ponto de fusão e ebulição da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1.2 Ponto de fusão do naftaleno e do ácido succínico . . . . . . . . . . . 11
4.2 Parte 2: Análise de amostra desconhecida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2.1 Análise do ponto de fusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2.2 Testes de solubilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5 Conclusões 15
Lista de Tabelas
1 Temperaturas de ebulição observadas para a água . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Faixas de fusão experimentais do naftaleno e do ácido succínico . . . . . . 11
3 Temperaturas medidas e temperaturas de referência [1] . . . . . . . . . . . 11
4 Medidas da faixa de fusão da amostra no 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 Temperaturas da bibliografia [1] da possível composição da amostra . . . . 13
6 Resultado dos testes para amostra n◦ 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1 Introdução
Umas das propriedades físicas mais viáveis para caracterização e identificação de
compostos orgânicos em laboratório são suas temperaturas de fusão e ebulição, ambas
dependentes das interações intermoleculares que geram coesão a ponto das moléculas de
um sistema assumirem um estado físico da matéria sólido ou líquido.
Temperatura é uma variável de estado, isto é, expressa uma condição física de um
sistema em um dado instante; fisico-quimicamente é uma grandeza que mensura o grau de
agitação das moléculas que constituem o dado sistema, sendo essa quantidade diretamente
proporcional à quantidade de energia cinética das moléculas devido ao seu movimento no
sistema/ vibração. Dessa forma energia térmica é um tipo específico de energia cinética. [2]
Para sistemas macroscópicos em que suas propriedades são determinadas pelo so-
matórios das interações intermoleculares leva-se em conta a energia mecânica do sistema
3
para fazer os balanços de energia, em que energia mecânica é definida:
Em = U +K
Em que U é a energia potencial do sistema, definida pelas interações intermoleculares
e K a energia cinética, definida pelo movimento e vibrações das moléculas. Para sistemas
isolados o ∆Em é nulo, contudo para sistemas fechados, em que há possibilidade de troca
de calor, o ∆Em equivale ao trabalho realizado no sistema:
τ = ∆U + ∆K
Quando é realizado um trabalho positivo, no sentido de calor ser concedido ao
sistema há um aumento na temperatura, consequentemente na energia cinética das molé-
culas, de um modo que:
τ = ∆K
Conforme há aumento de K, isto é, ∆K > 0, a energia potencial e portanto as
interações intermoleculares ditam menos a dinâmica do sistema, até chegar o ponto em que
K » U e as interações intermoleculares são praticamente desprezíveis para compreender a
dinâmica do sistema, que é o estado gasoso.
A temperatura de fusão, considerando as condições padrões, é determinada unica-
mente pelos tipos de interações intermoleculares das moléculas que as moléculas formam os
sólidos realizam, pois isso determinará se o sólido será amorfo, cristalino ou semi-cristalino,
isso para sólidos orgânicos. Sólidos cristalinos são formados a partir de interações que tem
direcionalidade e uma angulação específica, como é o caso de interações entre iônicas e de
hidrogênio. Moléculas que interagem exclusivamente por interações do tipo dipolo indu-
zido ou permanente formam sólidos amorfos, já que suas interações são de curto alcance
seus sólidos são formados pelo "empacotamento"disforme das moléculas.
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Por último há os sólidos semi-cristalinos, são geralmente polímeros que possuem
domínios cristalinos e dormínios amorfos, é o caso da quitina, por exemplo.
Os sólidos cristalinos, em geral, possuem maior temperatura de fusão que um sólido
amorfo de massa molecular similar, isso porque as interações que mantém o retículo
cristalino do sólido são mais intensas que geram o "empacotamento"do sólido amorfo.
Por esse mesmo motivo que sólidos contendo impurezas possuem temperatura de fusão
abaixo dos sólidos puros: as impurezas interferem na rede de interações intermoleculares.
2 Objetivos
Estudar os pontos de fusão e ebulição de algumas substâncias, utilizando dois méto-
dos: do Tubo de Thiele e utilizando um aparelho de ponto de fusão. Calibrar o termômetro
através de um gráfico de valores experimentais e determinar a composição de uma amos-
tra desconhecida através do ponto de fusão e do teste misto, com o auxílio de testes de
solubilidade.
3 Materiais e Métodos
3.1 Materiais
1. Reagentes
(a) Naftaleno;
(b) Ácido succínico;
(c) Glicerina;
(d) Éter etílico;
(e) Bicarbonato de sódio (NaHCO3) a
5%;
(f) Ureia;
(g) Amostra desconhecida (no 50).
2. Vidrarias e acessórios
(a) Tubo de Thiele;
(b) Bico de Bunsen;
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(c) Termômetro;
(d) Tubos capilares;
(e) Tubos de ensaio;
(f) Tecnopon - Medidor Ponto de Fusão
– PFM-II.
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3.2 Metodologia
3.2.1 Parte 1: Calibração do termômetro
Ponto de fusão e ebulição da água
Preparou-se um frasco com gelo e um frasco com água fervendo, medindo a tem-
peratura de ambos os frascos com o termômetro. Em seguida, mediu-se novamente a
temperatura de ebulição da água, pelo seguinte método: com o auxílio de um Bico de
Bunsen, aqueceu-se um tubo de Thiele contendo glicerina. Dentro do tubo de Thiele,
acoplou-se o termômetro a um fino tubo de ensaio, contendo água destilada e um tubo
capilar, conforme a figura abaixo ilusta:
Figura 1 - Aparato para determinação do ponto de ebulição da água
Deste modo, esperou-se até que a água entrasse em ebulição (temperatura superior a
100 oC), fazendo com que fosse possível observar bolhas, devido à presença do tubo capilar.
Deixou-se então resfriar, anotando a temperatura em que fosse observada a última bolha
(ou seja, quando a ebulição cessasse).
Ponto de fusão do naftaleno e do ácido succínico
Aqueceu-se o tubo de Thiele contendo glicerina com o auxílio do Bico de Bunsen.
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Dentro do tubo, estava acoplado o termômetro e um tubo capilar, contendo a amostra
(naftaleno ou ácido succínico), conforme a figura abaixo ilustra:
Figura 2 - Aparato para determinação do ponto de fusão
A temperatura teve de ser controlada afastando ou aproximando a chama, sempre
tomando o devido cuidado ao chegar próximo do valor de ponto de fusão de cada amostra.
Anotou-se sempre dois valores de temperatura para cada repetição: um para quando era
observado que o sólido começava a se fundir, e outro quando era observado que esse
processo terminava, tendo assim faixas de temperatura de fusão.
Foram feitas duas medidas para o ácido succínico e três para o naftaleno. Ainda
para a determinação do ponto de fusão do naftaleno, foi feita mais uma medida, utilizando
o aparelho Tecnopon - Medidor Ponto de Fusão – PFM-II (figura abaixo).
Figura 3 - Aparelho utilizado para determinação do ponto de fusão
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3.2.2 Parte 2: Análise de amostra desconhecida
Análise do pontode fusão
Foi fornecida uma amostra desconhecida (no 50) que poderia ser qualquer um dos
quatro compostos abaixo:
Figura 4 - Possíveis substâncias da amostra desconhecida
Foram feitas três medidas de ponto de fusão da amostra, uma utilizando o método
do tubo de Thiele (vide Figura 2) e duas utilizando o aparelho Tecnopon - Medidor Ponto
de Fusão – PFM-II.
Foi realizado também um "teste misto", no qual a amostra foi misturada com a
substância "suspeita", verificando se o ponto de fusão se mantinha o mesmo ou abaixava.
Testes de solubilidade
Como 2 pares dos 4 possíveis compostos possuíam ponto de fusão quase idênticos,
foram realizados testes de solubilidade para determinação da amostra desconhecida: os
testes foram feitos adicionando cerca de 0,1 g da amostra em 3 mL do solvente, num tubo
de ensaio. Os solventes utilizados foram água, éter etílico e bicarbonato de sódio a 5 %.
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4 Resultados e Discussões
4.1 Parte 1: Calibração do termômetro
4.1.1 Ponto de fusão e ebulição da água
A temperatura de fusão observada ao mergulhar o termômetro num recipiente con-
tendo água e gelo foi de -1 oC.
As temperaturas de ebulição observadas estão na Tabela 1 abaixo:
Tabela 1 - Temperaturas de ebulição observadas para a água
Método Temperatura de ebulição (oC)
Tubo de Thiele
98
99
Medida direta
(termômetro na água em ebulição)
97
A média é portanto 98 oC. Entretanto, é necessário fazer uma correção com relação
à pressão atmosférica de São Carlos, utilizando as equações abaixo:
∆T = 1, 2× 10−4(760− P )(Tm + 273) (1)
Tc = Tm + ∆T (2)
Onde P = 690, 7 mmHg é a pressão atmosférica de São Carlos, Tm = 98 ◦C é a
temperatura de ebulição medida e Tc é a temperatura corrigida. Fazendo os cálculos,
tem-se que:
∆T = 1, 2× 10−4(760− 690, 7)(98 + 273) = 3, 1 ◦C
Tc = 98 + 3, 1 = 101
◦C
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4.1.2 Ponto de fusão do naftaleno e do ácido succínico
A Tabela 2 abaixo contém os dados experimentais de faixa de fusão para o naftaleno
e do ácido succínico:
Tabela 2 - Faixas de fusão experimentais do naftaleno e do ácido succínico
Método Composto Faixa de fusão (oC)
Tubo de Thiele
Naftaleno
75 - 79
Tubo de Thiele 79 - 80
Tubo de Thiele 77 - 79
Aparelho PFM-II 77 - 80
Tubo de Thiele
Ácido Succínico
186 - 189
Tubo de Thiele 185 - 188
Calculou-se então o valor médio do ponto de fusão do naftaleno e do ácido succínico.
Utilizando estes valores, junto ao ponto de fusão (Tabela 1) e de ebulição (valor de Tc)
da água, construiu-se a Tabela 3 abaixo:
Tabela 3 - Temperaturas medidas e temperaturas de referência [1]
Substância Temperatura de referência (oC)[1] Temperatura medida (oC)
Água (fusão) 0 -1
Água (ebulição) 100 101
Naftaleno 80,22 78
Ácido succínico 185 187
Utilizando a Tabela 3, plotou-se o gráfico de temperatura de medida × temperatura
de referência utilizando o software Origin Pror 2016, com o intuito de obter uma reta
para calibração do termômetro. A curva foi traçada utilizando a ferramenta Linear Fit,
que traça a melhor reta e fornece a equação da mesma.
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Figura 5 - Gráfico para calibração do termômetro (dados da Tabela 3)
Portanto, a equação de calibração, que pode ser usada em próximos procedimentos
ou práticas é:
TRe (
◦C) = 1, 559 + 0, 977× TMe (◦C) (3)
O coeficiente de correlação de Pearson (r) mede o quanto os dados se aproximam
de uma relação linear (reta) [3]. Quanto mais próximo de 1,0 for o valor de r, mais os
dados se aproximam da linearidade. Como exposto na Figura 5, r = 0, 99993, portanto a
calibração é válida.
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4.2 Parte 2: Análise de amostra desconhecida
4.2.1 Análise do ponto de fusão
A Tabela 4 abaixo contém as faixas de fusão obtidas experimentalmente da amostra
no 50:
Tabela 4 - Medidas da faixa de fusão da amostra no 50
Método Faixa de fusão (oC)
Tubo de Thiele 128 - 131
Aparelho PFM-II 130 - 132
A média portanto é de 130 oC. Utilizando a Equação 3, calculou-se a temperatura
corrigida pela equação de calibração do termômetro:
TRe = 1, 559 + 0, 977× 130 ≈ 129 ◦C
A Tabela 5 abaixo mostra os pontos de fusão da possível composição da amostra:
Tabela 5 - Temperaturas da bibliografia [1] da possível composição da amostra
Composto Ponto de fusão (oC) [1]
Ácido benzoico 122,340
β-naftol 122
Ureia 132,4
Ácido malônico 132
Comparando o valor de TRe com os fornecidos acima, conclui-se que a amostra era
possivelmente ureia ou ácido malônico, visto que só seria possível medir temperaturas
maiores de ponto de fusão caso fossem cometidos erros grosseiros do experimentador.
A pequena diferença entre TRe e os pontos de fusão da ureia e do ácido malônico se
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dá porque a amostra não era 100 % pura, diminuindo assim a intensidade das interações
intermoleculares. Deste modo, é necessário menos energia para a fusão do composto, o
que explica a pequena diferença de 3 oC entre o valor medido e o de referência.
Para o "teste misto", misturou-se a amostra à ureia e mediu-se novamente o ponto de
fusão (utilizando o aparelho PFM-II), obtendo a faixa de fusão de 130 oC a 133 oC. Como
explicado anteriormente, a diminuição da faixa de fusão indicaria que a amostra seria
ácido malônico, pois diminuiria a intensidade das interações intermoleculares, diminuindo
assim a temperatura necessária para fundir o composto. Entretanto, como foi observado
que a faixa permaneceu a mesma, conclui-se desse teste que a amostra no 50 era ureia.
Com o intuito de reafirmar o que foi concluído acima foram feitos testes de solubi-
lidade.
4.2.2 Testes de solubilidade
O teste de solubilidade da amostra desconhecida em água foi positivo; a solubilidade
tanto da ureia quanto do ácido malônico em água decorre da possibilidade das interações
de hidrogênio entre solvente e soluto que rompem o retículo cristalino através da solvata-
ção. A ureia possui 4 hidrogênios que podem realizar interações de hidrogênio, atuando
como doadores, assim como pares eletrônicos do oxigênio e nitrogênio que podem atuar
como aceptores; o ácido malônico possui duas carboxilas, que possuem tanto doadores
(H) quanto aceptores para interações de hidrogênio (O).
O segundo teste de solubilidade, seguindo o diagrama, foi em éter, cujo resultado foi
negativo. Para ureia, apesar da possibilidade da formação de interação de hidrogênio entre
o oxigênio do éter que atua como aceptor e os hidrogênios da ureia que atuariam como
doadores, não ocorreu a solubilização da ureia, pois somente a presença de um aceptor
para as interações não é o suficiente para romper o retículo cristalino, é necessário também
que haja um doador, como na água, para compensar as interações do interior do retículo
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que são rompidas.
Já o ácido malônico seria solúvel em éter, pois a solubilização se dá tanto pela
interação entre as cadeias carbônicas quanto por interações de hidrogênio entre os hidro-
gênios carboxílicos e pares eletrônicos do éter, tais interações são suficiente para romper
o retículo cristalino do ácido malônico.
Um último teste foi realizado, porém de reatividade, consistiu em observar a forma-
ção de bolhas da amostra desconhecida em solução de NaHCO3. A molécula de ureia só
é desprotonada em meios extremamente alcalinos, devido ao seu pKa = 19, enquanto o
ácido malônico tem pKas de 2,83 e 5,69, respectivamente; dessa forma em solução con-
tendo NaHCO3 é seria observada a formação de bolhas no tubo de ensaio, segundo a
reação:
C(COOH)2(s) + NaHCO3(aq) −−→ C(COO)2Na2(aq) + H2CO3(aq)
H2CO3(aq) −−→ H2O(aq) + CO2 ↑
C(COOH)2(s) + NaHCO3(aq) −−→ C(COO)2Na2(aq) + H2O(aq) + CO2 ↑
Como não foi observada a formação de bolhas no tubo de ensaio para o terceiro teste
realizado, além da insolubilidade em éter, pode-se assegurar que a molécula da amostra
desconhecida é ureia.5 Conclusões
Aspectos como verificação da pureza, teste misto e determinação de amostra desco-
nhecida através do ponto de fusão (com auxílio de testes de solubilidade) se mostraram
experimentalmente simples, o que pode ajudar em futuras análises ou caracterizações de
substâncias. O gráfico de calibração construído pode ser útil no futuro, desde que seja
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utilizado o mesmo termômetro nas próximas práticas.
Além disso é possível observar que o uso de um aparelho que meça a temperatura
de fusão diminui a faixa de valores de ponto de fusão em comparação ao tudo de thiele,
fator que confere mais especificidade quando a identidade de uma amostra desconhecida
é determinada por sua temperatura de fusão.
Tabela 6 - Resultado dos testes para amostra n◦ 50
Caracterizações Resultados
Temperatura de fusão 130 - 132
Solubilidade em éter Negativo
Reatividade com NaHCO3 Não reage
Tomando a temperatura de fusão da amostra desconhecida como guia foi possível
restringir sua identidade à ureia e ácido malônico, que eram os únicos compostos cujos
dados da literatura estavam no intervalo de temperatura aferido, 130 - 132 ◦C.
Realizando os testes de solubilidade verificou-se que o composto da amostra desco-
nhecida era insolúvel em éter, sendo classificada portanto no grupo II - termos inferiores
com O ou N, contendo mais de um grupo funcional- que seria o grupo ao qual a ureia
seria pertencente, enquanto o ácido malônico pertenceria ao grupo I - termos inferiores (
4 à 5 carbonos) contendo O ou N- por ser solúvel em éter.
O teste adicional, de reatividade com NaHCO3, foi negativo, indicando o caráter
básico/ alcalino da amostra desconhecida.
Dessa forma, a partir dos resultados das caracterizações que constam da Tabela 6
e das informações contidas no roteiro da prática, pode-se afirmar que a identidade do
composto da amostra n◦ 50 é ureia.
Referências
[1] W. M. HAYNES. CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC, 96a edition, 2015.
16
[2] PW Atkins and Júlio de Paula. Físico-química, vol. 1. Editora LTC. Rio de Janeiro,
RJ, 2008.
[3] MACHADO S.A.S. Noções de Estatística Aplicada à química analítica, volume Único.
IQSC, 2016.
17
	Introdução
	Objetivos
	Materiais e Métodos
	Materiais
	Metodologia
	Parte 1: Calibração do termômetro
	Parte 2: Análise de amostra desconhecida
	Resultados e Discussões
	Parte 1: Calibração do termômetro
	Ponto de fusão e ebulição da água
	Ponto de fusão do naftaleno e do ácido succínico
	Parte 2: Análise de amostra desconhecida
	Análise do ponto de fusão
	Testes de solubilidade
	Conclusões