Relatório de Identificação de Sólidos ORGEXP I

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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Curso: Engenharia Química - Integral
Orgânica Experimental I 
Separação e Identificação de líquidos
Professora: Débora de Almeida Azevedo
Aluno: Guilherme Felix Tassara Panazzolo
Rio de Janeiro
Julho / 2018
1- Introdução
Existem diversas técnicas laboratoriais utilizadas para separação de dois ou mais compostos, bem como sua identificação. Tais métodos utilizam as características físico-químicas que diferem as espécies para atingir os objetivos desejados. Destilação simples, Destilação fracionada, ponto de ebulição, “spot tests” e teste de solubilidade são alguns exemplos de estratégias que podem ser usadas para tal fim.
1.1 Destilação Simples
A destilação simples é uma técnica utilizada para separar dois ou mais compostos em uma mistura homogênea. Tem-se como propriedade físico-química única de cada composto, o ponto de Ebulição, que é a característica onde esta embasada as técnicas de destilação simples e fracionada. Sabendo-se que a temperatura de Ebulição é única de cada espécie química, usa-se este parâmetro para separar a substância durante o
 processo de destilação.
O método consiste em aquecer a mistura lentamente um balão de destilação, até que a primeiro componente atinja seu ponto de ebulição, onde, nesta temperatura, esta substância entrará em ebulição e deixará a mistura vaporizando-se. O vapor então, é capturado na saída do recipiente onde ocorre a destilação, e é condensado novamente, através de um condensador, que deposita o novo líquido em um outro recipiente. Durante a ebulição da primeira substância a temperatura do sistema deve ser constante, e só após a saída deste primeiro composto voltará a subir. Entretanto, devido a simplicidade do método, a separação dos líquidos não é completamente eficiente pois, mesmo na primeira temperatura de ebulição, quando o primeiro composto esta deixando a mistura, ele carreia um volume pequeno dos outros compostos, gerando na realidade, uma fração que será rica com o primeiro composto, mas, não será pura, podendo haver resquícios dos outros componentes da mistura.
Para se ter os melhores resultados utilizando esta técnica, é importante que os compostos que se desejam separar tenham uma grande diferença entre os pontos de ebulição, maior que 100 graus Celsius. Pois nestas condições, a quantidade de outros compostos carreados durante a destilação, será muito pequena, podendo até ser desconsiderada em algumas situações.
1.2 Destilação Fracionada
A destilação fracionada utiliza os mesmos princípios da destilação simples, porém é mais eficiente que o processo anterior. Pois utiliza uma coluna de destilação em seu conjunto, o que caracteriza um processo com maior capacidade de separação de mistura.
A coluna de destilação (ou coluna de fracionamento), trata-se de um tubo que é adicionado na saída do recipiente onde se fará a destilação, esse tubo possui diversos anteparos das mais variadas formas, que dificultam a passagem do vapor durante o processo de destilação, pois quando o primeiro componente da mistura entra em ebulição, seu vapor sobe pela coluna e encontra diversos “obstáculos” (anteparos) à temperatura ambiente, esse choque do vapor com os anteparos, faz com que a substância diminua levemente a temperatura, e por consequência, o resíduo de componente menos volátil que possa ter sido carreado durante a destilação, volta pro estado líquido (devido a ligeira queda de temperatura) e desce novamente para a mistura, e apenas o componente mais volátil consegue vencer os anteparos e deixar a coluna (considerando a primeira destilação). Quanto maior o número de anteparos, mais difícil será que resíduos de componentes menos voláteis sejam carreados durante destilação e maior será a eficiência de separação.
1.3 Ponto de ebulição
O ponto de ebulição de um composto é a temperatura na qual sua pressão de vapor é igual à pressão atmosférica. Tal ponto serve como instrumento para purificar uma determinada amostra e identificar a qual substância corresponde. Durante o processo de ebulição, a temperatura permanece constante, com variação máxima de 2°C para substancias puras (SHRINER et al.,2004), assim, conforme a temperatura de um sistema aumenta, a sua energia interna também, deslocando o equilíbrio da reação (1) no sentido de formar mais pressão de vapor, ou seja, no sentido endotérmico. Uma substância só entra em ebulição quando sua pressão de vapor supera a pressão atmosférica. Durante todo esse processo, a temperatura do líquido se mantém constante, mas o mesmo não acontece com misturas.
 (1)
Dentre os fatores que influenciam na temperatura de ebulição, os principais consistem na interação intermolecular e massa molecular. Se avaliarmos substâncias com interações semelhantes, a que tiver maior massa molecular apresentará maior ponto de ebulição. O mesmo ocorre com as interações, partindo da mais fraca, dipolo induzido, e indo até as mais fortes, como a íon dipolo e a ligação de hidrogênio.
Figura I – Forças intermoleculares
	Dito isso, o ponto de ebulição foi escolhido nessa experiência como fator determinante na hora de identificar uma substância. 
1.4 Solubilidade 
Solubilidade é a capacidade natural que uma substância possui de se dissolver em um determinado solvente a certas condições de temperatura e pressão. Ou seja, a quantidade máxima de soluto que pode ser adicionado no solvente mantendo a homogeneidade e estabilidade do sistema, sem formação de precipitado. É uma propriedade físico-química exclusiva de cada substância, portanto, cada espécie química tem solubilidade única para o mesmo solvente e condições de pressão e temperatura, ou seja, é uma característica que pode utilizada na identificação de compostos desconhecidos comparando-os com os dados obtidos previamente empiricamente.
A solubilidade é uma grandeza quantitativa, portanto, também comparativa, ou seja, não existe composto completamente insolúvel em determinado solvente, apenas composto muito pouco solúvel. Tal solubilidade é quantificada utilizando o produto de solubilidade (Kps), que determina qual a quantidade máxima de soluto que pode se radicionado a um volume fixo de solvente (normalmente é dado em mol/l).
Para ocorrer a dissolução, é necessário que as moléculas do analito interajam com as do solvente, ocorrendo assim, a dispersão do soluto uniformemente. Para que ocorra tal interação, ambas as substâncias precisam ter afinidade polar, em outras palavras, um soluto muito polar terá pouca afinidade e por consequência baixa solubilidade em um solvente muito apolar, tendo em vista que tal parâmetro deve ser comparativo, de modo que uma substância pode ser polar ou apolar dependendo da substância em que esta se usando como referencia.
Como visto, alguns fatores externos podem influenciar na solubilidade, como temperatura e pressão. Para os líquidos, a solubilidade pode tanto aumentar como diminuir variando a temperatura.
1.5.“Spot Tests”
“Spot Tests” são testes rápidos e precisos que identificam com facilidade a presença de certos grupos funcionais em amostras analisadas, esses testes são muito confiáveis e são utilizados em muitos laboratórios. Dentre a variedade de testes existentes, têm-se os testes de Le Rosen, nitrocerato e (2,4) – Dinitrofenilhidrazina escolhidos para serem usados durante a prática.
1.5.1 Le Rosen
O Teste de Le Rosen é utilizado para identificar a presença de aromáticos na espécie química. Muitos compostos que contém o núcleo benzênico, reagem com o Aldeído Fórmico e Ácido Sulfúrico concentrado com formação de produtos de cor intensa (Reação de Le Rosen). A cor final pode variar de acordo com o tipo de composto que esta sendo analisado, sendo também impactante, o fato de que muitos compostos quando em contato com o ácido sulfúrico concentrado já mudam de cor, não necessariamente indicando a presença dearomático, estes só serão identificados após a adição do aldeído fórmico. 
Figura 1 – Reação do teste de Le Rosen
Os compostos com anel aromático apresentam diferentes cores para esse teste, como expresso nas tabelas abaixo.
Figura 2 – Tabelas com as colorações apresentadas de acordo com os compostos
1.5.2 Nitrocerato 
Teste utilizado para identificação de alcoóis. Na reação do nitrocerato com o álcool observa-se o surgimento da coloração laranja na amostra. 
Figura 3 – Reação do teste de nitrocerato com um álcool
1.5.3 2,4 Dinitrofenilhidrazinha (DNFH)
A 2,4- dinitrofenilhidrazina reage com o aldeído ou com a acetona em meio ácido com objetivo de haver um precipitado amarelo e vermelho. 
Figura 4 – Reação do DNFH com um aldeído ou cetona qualquer
2 – Objetivo
	Nesta prática, o objetivo baseou-se na análise de uma amostra desconhecida composta por uma mistura de dois líquidos orgânicos e na identificação destes dois compostos por meio das técnicas de separação e destilação. Considerando que devemos identificar líquidos, a lista dos líquidos possíveis encontra-se no final do relatório.
3 – Material e Método
	3.1 Destilação Simples
	3.1.1 Material
3 Garras
Macaco
Amostra N°4
Suporte
Bico de Bunsen
Placa de Aquecimento
Funil de líquido
Proveta 50 ml
Argola
Mangueiras para água
Termômetro
Condensador reto
Unha
Tela de amianto
3.1.2 Método
Inicialmente, foi feito a organização de todos os materiais necessários para execução da prática pegando-os em seus respectivos lugares de armazenamento e colocando-os em cima da bancada a ser utilizada. Em seguida, após a escolha de amostra desconhecida aleatória (Amostra 4), sabendo que tratava-se de uma mistura de dois líquidos, realizou-se a montagem do aparelho, conforme a figura 5:
Figura 5: Aparelhagem da destilação simples
Colocou-se a argola a uma altura de aproximadamente quatro dedos de distância do bico de Bunsen, colocou-se a tela de amianto posicionada na argola e acima dela o balão de destilação de 100 com auxílio de garras e mufas. Acima do balão de vidro, colocou-se a cabeça de destilação e com o auxílio de um adaptador, colocou-se um termômetro por cima da cabeça de destilação de maneira com que o bulbo do termômetro ficasse na mesma altura da saída da cabeça de destilação. Então, colocaram-se as mangueiras de água no condensador antes de montar a aparelhagem, após, com o auxílio de um novo suporte, prendeu-se o condensador na saída da cabeça de destilação, formando um plano inclinado, onde a cabeça de destilação é o ponto mais alto. Ao final do condensador, com auxílio de um elástico, prendeu-se a unha com intuito de direcionar o líquido já destilado para uma proveta que foi posicionada logo abaixo. 
Em seguida, após a montagem da aparelhagem, conectou-se uma das mangueiras na saída de água da bancada e a outra mangueira foi posicionada para o descarte, de maneira com que a mangueira de entrada de água, ficasse à um nível mais baixo que a mangueira de saída, evitando assim, a existência de bolsões de ar dentro do sistema e para que a água percorresse o trajeto do condensador em contra fluxo, sendo mais eficiente para a troca de calor. Então, abriu-se a saída de água para testar se todos os componentes do sistema estavam devidamente montados e funcionando corretamente.
Antes de inserir a amostra no balão, devem-se colocar três esferas de vidro dentro do balão para evitar ebulição turbulenta.
Após tudo isso, liga-se a placa de aquecimento e espera-se o início do processo de destilação, aonde o componente mais volátil irá se volatizar primeiro e ser recuperado no final do sistema na proveta. Deve-se registrar a temperatura desde a 1° gota que cair na proveta até o final do experimento.
Por fim, foi elaborada uma tabela com todas as temperaturas obtidas a partir de determinados volume dos líquidos na proveta.
3.2 Destilação Fracionada
3.2.1 Material
Amostra 4
Balão de destilação
Funil de líquido
Cabeça de destilação
Bico de Bunsen
Béquer
Suportes
Unha
Condensador de bolas
Balões de vidro
Tela de amianto
Esferas de vídeo
Coluna de vigreux
Garras e mufas
Mangueiras para águia
Termômetro
3.2.2 Métodos
O método de montagem da aparelhagem adotado para destilação fracionada foi o mesmo que o de destilação simples descrito anteriormente, porém, acima do balão de vidro prendeu-se a coluna de Vigreux com suporte de garras e mufas, para então colocar-se a cabeça de destilação e seguir procedimento de montagem descrito anteriormente, conforme a figura abaixo:
Figura 6 – Aparelhagem da destilação fracionada
	
	3.3 Ponto de Fusão
	3.3.1 Material
Suporte
Capilares
Bico de Bunsen 
Tubo de Thiele com óleo
Garra
Sólido ácido da amostra 2
Mufa
Termômetro
Elástico
Elevador
	3.3.2 Método
Selaram-se os três capilares colocando-os no bico de Bunsen. Em seguida, colocou- se o sólido purificado no capilar, batendo-o contra a amostra até que uma quantidade satisfatoriamente visível a olho nu preenchesse o capilar. Com o auxílio do “elevador” toda amostra foi devidamente empacotada no capilar. Já preenchido, foi preso ao termômetro com o auxílio de um elástico, alinhando o fundo do capilar ao final do bulbo do termômetro. Esse conjunto, posteriormente foi inserido no tubo de Thiele, de maneira com que a extremidade do termômetro ficasse próxima ao começo da alça de recirculação do tubo, e o elástico não entrasse em contato com o óleo para que o plástico não fosse danificado.
A chama do bico de Bunsen foi acesa e, num primeiro momento, deixou-se o sistema esquentar rapidamente até que o composto fundisse, para que a obtenção da primeira faixa de temperatura não levasse muito tempo para ser identificada, esse mesmo valor será descartado devido à sua inexatidão. Logo, um novo capilar foi novamente aquecido, porém, cerca de 10°C antes da faixa obtida na primeira tentativa, a temperatura foi acrescida bem lentamente para que o ponto fosse bem identificado, evitando ao máximo possíveis erros por parte do analista. Foram feitas 3 replicatas para cada sólido e os resultados anotados.
3.4 Teste de Solubilidade
	3.4.1 Material
Sólido ácido da amostra 2
Solventes
Pipeta
Espátula
Microtubo
3.4.2 Método
	De início, foi feito a organização de todos os materiais necessários para execução da prática pegando-os em seus respectivos lugares de armazenamento e colocando-os em cima da bancada a ser utilizada.
Em seguida com o auxílio de uma espátula, pegou-se uma pequena quantidade de da amostra proveniente da fase aquosa (sólido ácido) somente na ponta do instrumento, e colocou-se dentro do microtubo. Depois, com o auxílio pipeta, preencheu-se cerca de 2 cm do microtubo utilizando como solvente hidróxido de sódio aquoso (NaOH 10%),e agitou-se com cautela e segurança o recipiente, para que o composto e o solvente fossem devidamente homogeneizados, possibilitando assim uma possível dissolução. Repetiu-se esse processo utilizando como solvente solução de bicarbonato de sódio (NaHCO3) e ácido clorídrico (HCl 5%).
3.5 Spot Test
	3.5.1 Material
Vidro de relógio
Formol
Ácido Sulfúrico concentrado
Solventes
Sólido ácido purificado
Pipeta
	3.5.2 Método
3.5.2.1 Le Rosen
Primeiramente realizou-se um teste positivo, um negativo e um em branco para que as devidas colorações pudessem ser observadas corretamente. Em seguida, colocaram-se poucos cristais da amostra em um vidro de relógio limpo e seco e pingou-se aproximadamente 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado, e observou-se a cor. Logo após, adicionou-se mais 5 gotas da solução de formol. A cor desenvolvida foi devidamente anotada.
3.5.2.2 2,4-dinitrofenilhidrazina
Primeiramente realizou-se um teste positivo, um negativo e um em branco para que as devidas colorações pudessem ser observadas corretamente. Em seguida, adicionaram-se poucos cristais do sólido purificado em um vidro de relógio limpo e seco, com etanol como solvente, e logo após colocou-sealgumas gotas da solução de hidrazina e observou-se a formação ou não de precipitado amarelo-avermelhado. Os resultados foram anotados.
	 3.5.2.3 Nitrocerato
	Primeiramente realizou-se um teste positivo, um negativo e um em branco para que as devidas colorações pudessem ser observadas corretamente. Em seguida, adicionaram-se poucos cristais do sólido purificado em um vidro de relógio limpo e seco, pingou-se 5 gotas de nitrocerato e anotou-se a cor observada.
	4 - Resultados
	De início, na extração de ácido-base, obtiveram-se como resultado duas fases:
- Fase Orgânica com a substância neutra
- Fase Aquosa com a substância ácida
	A separação foi um sucesso pela presença de um sólido de caráter ácido que interagiu com a solução alcalina de NaOH enquanto o sólido neutro foi para a fase orgânica.
	No final da recristalização, apesar da perda do sólido neutro para o etanol, conseguiu-se a cristalização (e purificação) do sólido ácido que é branco e cristalino.
	Para o sólido ácido purificado, foram realizadas 3 triplicatas para o teste de fusão e os resultados obtidos foram registrados na tabela abaixo:
	Tabela 2 – Testes e os intervalos de fusão
	
	Temp. inicial (°C)
	Temp. final (°C)
	Δ Temp.(°C)
	Média (°C)
	Teste 1
	116
	120
	4
	118
	Teste 2 
	118
	120
	2
	119
	Teste 3
	123
	127
	4
	125
Desvio Padrão: 4,0
Faixa de Trabalho: 5°C
Média: 120,6 °C
	Desse modo, determina-se que o ponto de fusão do sólido ácido é 120,6°C ± 4,0 °C.
	Os resultados do teste de solubilidade seguem na tabela abaixo: 
Tabela 3 – Resultado dos testes da fase aquosa
	Solventes
	Solubilidade
	NaOH
	Solúvel
	HCl
	Insolúvel
	NaHCO3
	Solúvel
	Os resultados dos “Spot Tests” estão registrados na tabela abaixo:
	
	Le Rosen
	Nitrocerato
	2,4 - dinitrofenilhidrazina
	Ácido
	Negativo
	Negativo
	Negativo
5- Discussão
	Tendo em vista a informação prévia de que os compostos desconhecidos eram um ácido e um neutro, pode-se através do conhecimento da técnica de extração ácido- base, inferir que o composto ácido estaria presente na fase aquosa, pois a sua reação com uma base geraria sal e água, tornando o mesmo solúvel em água, enquanto o outro (neutro) continuaria na fase orgânica.
	No experimento do ponto de fusão, considerando o resultado de 120,6°C ± 4,0 °C, restringimos as possibilidades do sólido para três opções: ácido benzoico, ácido pícrico e β-naftol.
	Substância
	Ponto de Fusão
	Estrutura
	Ácido benzoico
	121,7 °C
	
	Ácido pícrico
	121,8°C
	
	Β-naftol
	122,5°C
	
Entretanto, o teste de solubilidade mostra que o sólido ácido é solúvel em NaOH (base forte) e NaHCO3 (base fraca) o que indica que o grupo funcional do sólido ácido dentre as opções (ácido carboxílico e fenol) é o ácido carboxílico, pois desprotonou em uma base fraca, descartando a possibilidade de que o sólido seja o composto β-naftol.
 O spot teste deu negativo para a amostra como esperado, para aldeídos e cetonas, no entanto notou-se uma contradição nos resultados, uma vez que segundo o teste de fusão, todas as possibilidades de sólidos possuem anéis aromáticos, enquanto o teste Le Rosen não identificou a presença de anel aromático na amostra. Contudo, durante a prática foi identificado a possibilidade dos reagentes que realizam o teste de Le Rosen possam estar danificados e/ou insuficientemente efetivos, uma vez que, mesmo realizando o teste positivo, o desenvolvimento da cor esperada se deu numa tonalidade bem inferior do que deveria, indicando que a reação ácido-formol-amostra, não estaria sendo bem realizada a ponto de que o teste pudesse ser plenamente confiável e/ou, possível dificuldade do analista em visualizar o resultado obtido, uma vez que o teste é realizada visualmente. Portanto, os resultados deste teste, por não possuírem devida credibilidade segundo o estado de seus reagentes, serão desconsiderados para definir os sólidos.
Além disso, analisando o aspecto físico da amostra, descartou-se a possibilidade de que a amostra ácida seja o ácido pícrico, pois este possui coloração amarela, enquanto a amostra possui coloração branca.
	
5 - Conclusão
	Conclui-se que o composto ácido presente na amostra 2 é o ácido benzoico. Apesar da perda do sólido neutro, as informações que possuímos sobre este composto é que possui caráter neutro, ponto de fusão abaixo de 100°C, insolúvel em água fria e quente e solúvel em etanol apenas quando quente. Tais informações nos deixam algumas opções para o sólido neutro: Benzofenona, Difenila, Dibenzofurano, p-diclorobenzeno e naftaleno.
6 – Referências
LENZI, E. et al.; Química Geral Experimental. Rio de Janeiro: Freitas Bastos Editora, 2004.
LIDE, David R. Handbook of Chemistry and Physics. 88° ed. CRC, 2007 
PERRY, Robert H.; GREEN, Don W. Manual do Engenheiro Químico. 7° ed. Nova York: McGram- Hill, 2007. 2400 p.