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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA – UNOESC BÁRBARA LAÍS DA SILVA GRÉGORI PAVLAK MORETTO SABRINA DE SOUZA TALUANE FORLIN EXPERIÊNCIA 03: PURIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS II – EXTRAÇÃO ÁCIDO-BASE Joaçaba 2018 BÁRBARA LAÍS DA SILVA GRÉGORI PAVLAK MORETTO SABRINA DE SOUZA TALUANE FORLIN EXPERIÊNCIA 03: PURIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS II – EXTRAÇÃO ÁCIDO-BASE Relatório apresentado como parte das exigências da disciplina Orgânica II Experimental, do curso de Engenharia Química da Universidade do Oeste de Santa Catarina, Campus de Joaçaba. Orientador: Dr. Leonardo Henrique de Oliveira Joaçaba 2018 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 3 2. OBJETIVOS ................................................................................................... 4 3 REFERENCIAL TEÓRICO .............................................................................. 5 4. METODOLOGIA ............................................................................................ 7 4.1 PURIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS II – EXTRAÇÃO ÁCIDO-BASE ........... 7 4.1.1 Materiais e reagente ................................................................................ 7 4.1.2 Procedimentos......................................................................................... 7 4.1.2.1 Purificação do Ácido Benzóico – Fase Aquosa ...................................... 7 4.1.2.1 Purificaçaão do Naftaleno – Fase Etérea ............................................. 10 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................... 12 5.1 PORCENTAGEM DE RECUPERAÇÃO DO ÁCIDO BENZÓICO – FASE AQUOSA .......................................................................................................... 12 5.2 PORCENTAGEM DE RECUPERÇÃO DO NAFTALENO – FASE ETÉREA ......................................................................................................................... 15 6. CONCLUSÕES ............................................................................................ 17 REFERÊNCIAS ................................................................................................ 18 3 1. INTRODUÇÃO A extração é uma operação que tem por objetivo separar uma substância da matriz sólida ou líquida que a contém. Utilizando o método de extração é fácil isolar ou separar e purificar diversos produtos naturais. O mecanismo da extração baseia-se no equilíbrio líquido/líquido, por isso muitas vezes também é denominado Extração Líquido/Líquido (ELL) ou Extração por Solvente. Desta forma, a extração ácido-base é utilizada para a purificação de ácidos e de bases assim como a separação dos mesmos em misturas, utilizando- se das propriedades químicas das substâncias. Assim, a remoção do componente da mistura que se pretende separar (soluto) é induzida pela adição de um novo composto ao sistema (solvente), o qual tem mais afinidade com o soluto do que com o diluente que estava inicialmente (corrente de alimentação). Contudo, o solvente adicionado deve ser o mais imiscível possível com o diluente da alimentação, pois é esta diferença de solubilidade que permite a separação, ou seja, que o soluto seja retirado da alimentação. Quanto maior a diferença de solubilidades mais eficiente é a separação. O procedimento mais comum que se utiliza para fazer uma Extração Ácido-Base baseia-se em extrações por solvente sequenciais, buscando purificar ácidos e bases presentes na solução problema. Outra aplicação da Extração Ácido-Base é a separação de ácidos muito fracos de ácidos muito fortes, ou de bases muito fracas de bases muito fortes, sabendo que deve haver uma grande diferença entre suas constantes (pKa e pKb). Uma solução em determinado solvente orgânico da qual se deseja extrair um composto ácido dentre uma mistura, essa separação pode ser feito adicionando-se uma base solubilizada em um solvente imiscível àquele da solução problema. Assim, o novo solvente reagirá com o composto ácido formando um sal solúvel em um dos solventes. Com uma solução heterogênea em mãos, é fácil separar as fases e sintetizar o composto ácido extraído novamente. Portanto, o presente relatório trata-se sobre o experimento de química orgânica realizado em laboratório, com o objetivo de separar uma amostra 4 contendo naftaleno e ácido benzóico por meio do método de extração ácido- base. 2. OBJETIVOS Separar uma amostra de ácido benzóico e naftaleno através de uma extração ácido-base. 5 3 REFERENCIAL TEÓRICO Extração ácido-base é utilizada para a purificação de ácidos e de bases assim como a separação dos mesmos em misturas, utilizando-se das propriedades químicas das substâncias (BRUICE, 2006). As reações ácido base são frequentes no cotidiano, sendo que a maioria das reações que ocorrem na química orgânica são reações de ácido – base ou envolvem em alguma etapa esta reação. As reações ácido-base permitem examinar a relação entre as estruturas das moléculas e suas reatividades, e ver como certos parâmetros termodinâmicos podem ser usados para prever a formação de um produto. Assim como também mostram o importante papel que os solventes exercem nas reações químicas (SOLOMONS, 2011). Um conceito sobre ácidos – base é o de Bronsted e Lowry, esta definição afirma que um ácido é uma substancia capaz de doar, ou perder, um próton, lembrando que o íon hidrogênio é chamado de próton (H +) e a base é uma substancia capaz de receber, ou remover um próton. (SOLOMONS, 2011). Conforme Bruice (2006), outra definição é a de Arrhenius, esta definição afirma que um ácido é uma substância que em solução aquosa produz prótons íons hidrogênio (H +), ou a formação de íons hidrônio (H3O+), enquanto a base é uma substancia que em solução aquosa produz íons hidróxidos (OH). O processo de solubilização de uma substancia resulta da interação entre o soluto e o solvente. A solubilidade de uma substância está relacionada com a estrutura molecular, assim como com a polaridade das ligações e da molécula como um todo (momento de dipolo). De acordo com a regra empírica “polar dissolve polar, apolar dissolve apolar “ ou o “semelhante dissolve o semelhante “ (ENGEL et al., 2013). De acordo com Brown (2004), a extração é muito utilizada na purificação de ácidos e bases assim como na separação de algumas misturas. Este processo oferece um alto grau de pureza nos resultados, porém não é muito eficiente na separação de ácidos ou bases similares, devido o processo ser simples e depende somente das propriedades químicas e físicas dos compostos. Existem diversas técnicas de extração dependendo do estado físico do composto. Um composto extraído de um sólido para um líquido, a técnica é chamada de extração sólido-líquido. Enquanto um composto extraído de um 6 líquido para outro, a técnica é chamada de extração líquido-líquido (BROWN, 2004). A eficiência de separação utilizando estes métodos depende da diferença de solubilidade de um componente em duas fases mutuamente imiscíveis. Supondo, por exemplo, que se necessita extrair um substrato de uma solução aquosa. A primeira escolha a se fazer é a do segundo solvente. Ascaracterísticas que se deve ter sobre o solvente são: uma baixa solubilidade em água, ponto de ebulição baixo para facilitar sua eventual eliminação e uma alta capacidade de solvatação de substância que se quer extrair. Para diminuir a solubilidade de substâncias orgânicas em solução orgânica satura-se está com sal (GONÇALVES, 2007). Conforme Maia e Bianch (2007, p. 10), para verificar a eficiência de uma extração ou purificação de uma substância é importante determinar o seu ponto de fusão para distinguir se obteve-se uma substância totalmente pura ou se ocorreu uma mistura, submetendo-a ao processo de aquecimento e resfriamento. De acordo com Fonseca (2013, p. 56), quando a substância muda seu estado de agregação sob uma pressão constante e a temperatura permanece a mesma até o final do processo, tem-se uma substância pura. Porém, quando se tem uma mistura as suas propriedades não permanecem constantes como na substância pura, ou seja, o estado de agregação muda, a temperatura varia no decorrer do tempo, resultado em um gráfico de mudança de estado sem nenhum patamar (FONSECA, 2013, p. 57) Conforme Bernardi e Rodrigues (2010), assim pode-se identificar a pureza de um composto, como por exemplo do naftaleno que é um hidrocarboneto cíclico com dois anéis benzênicos ligados diretamente. Além de ser um sólido insolúvel em água e solúvel em orgânicos, é muito volátil e inflamável e apresenta um ponto de fusão de 80,5ºC ou mesmo do ácido benzóico que é um ácido carboxílico fraco na qual apresenta ponto de fusão no estado puro sendo de 122ºC. 7 4. METODOLOGIA 4.1 PURIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS II – EXTRAÇÃO ÁCIDO-BASE 4.1.1 Materiais e reagente Béquer 50 e 100 mL Proveta de 50 mL Funil de separação Pipeta de 10 mL Banho de gelo Funil de Buchner Bomba para vácuo Chapa aquecedora Amostra naftaleno-ácido benzóico (1g de cada) Solução de NaHCO3, 10% NaCl PA HCl PA Éter dietílico Sulfato de sódio anidro PA Solução padrão de ácido oxálico 0,05 mol/L 4.1.2 Procedimentos 4.1.2.1 Purificação do Ácido Benzóico – Fase Aquosa Para a purificação de substâncias em laboratório, o experimento foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa ocorre a separação do ácido benzóico por fase aquosa. Em um béquer, pesou-se 3,0 g de uma amostra de ácido benzóico e naftaleno. Na sequência, adicionou-se 30 mL de dietil éter, com o auxílio de uma proveta, para que a mistura fosse totalmente dissolvida. Então, transferiu-se está para um funil de separação. Junto com a mistura que se encontra no funil de separação, adicionou-se certa de 10 mL de uma solução de NaHCO3 10%. Cuidadosamente o funil de separação foi agitado para que todas as camadas fossem misturadas (Imagem 1). Na qual, tonou-se necessário abrir a torneira do funil, com este na posição invertida, várias vezes para que a pressão fosse liberada. 8 Imagem 1 – Agitação da amostra. Fonte: Os autores (2018). Após toda a pressão ser liberada do funil, deixou-se a mistura em repouso para a separação das camadas (Imagem 2). Em seguida, removeu-se o máximo possível da camada aquosa inferior transferindo-a para um Erlenmeyer de 125 ml. Na qual, repetiu-se o procedimento com mais duas porções individuais de 10 ml de bicarbonato de sódio 10% para completar a extração, juntando-se todos extratos aquosos no mesmo frasco. Imagem 2 – Formação das fases. Fonte: Os autores (2018). 9 Na sequência, adicionou-se 0,5 g de NaCl sólido ao extrato aquoso contido no Erlenmeyer de 125 mL, e agitou-se bem para dissolver todo o sal. Então, levou-se o Erlenmeyer à capela de exaustão e lentamente sob agitação adicionou-se 10 mL de ácido clorídrico concentrado a solução. Por fim, refrigerou-se a solução e mais 30 mL de água destilada contida em um béquer, em banho de gelo por cerca de 15 minutos. Após, gelar completamente, coletou-se o ácido benzóico sólido com o auxílio de um funil de Büchner e uma bomba à vácuo (Imagem 3), lavando-o com 20 a 30 mL de água gelada e deixando a solução durante 5 minutos no vácuo. Imagem 3 – Coleta do sólido no funil. Fonte: Os autores (2018). Após coletar a amostra de ácido benzóico do funil de buncher, levou-se a amostra para uma estufa e deixou-se um certo tempo para secagem do sólido. Posteriormente, determinou-se o ponto de fusão do composto, fazendo-se o aquecimento em banho de óleo (Imagem 4) e por fim realizou-se o cálculo da porcentagem de recuperação do ácido benzóico. 10 Imagem 4 – Banho de óleo. Fonte: Os autores (2018). 4.1.2.1 Purificaçaão do Naftaleno – Fase Etérea Na segunda etapa do experimento, ocorreu a purificação do naftaleno por fase etérea. Na qual, adicionou-se 10 mL de água destilada à camada etérea contida no funil de separação e misturou-se bem para remoção de qualquer resíduo de solução de NaHCO3. A camada aquosa inferior foi descartada. Em seguida, transferiu-se a fase etérea do funil de separação para um béquer de 100 mL, onde adicionou-se 0,5 g de sulfato de sódio anidro para remover a água residual. Após isso, tampou-se o béquer e deixou-se em repouso por 10 minutos, como pode ser visualizado na Imagem 5. 11 Imagem 5 – Amostra em repouso. Fonte: Os autores (2018). Por fim, decantou-se a camada etérea seca para um béquer e evaporou- se com cuidado o éter em uma placa de aquecimento dentro da capela de exaustão. O naftaleno fundiu-se durante este processo. Após, o éter ter sido evaporado, resfriou-se o béquer em um banho de gelo (Imagem 6) e em seguida colocou-se para secar em uma estufa, pesando o material seco para posteriormente calcular-se o rendimento da recuperação do naftaleno. Imagem 6 – Banho de gelo. Fonte: Os autores (2018). 12 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 PORCENTAGEM DE RECUPERAÇÃO DO ÁCIDO BENZÓICO – FASE AQUOSA Na purificação das substâncias através da extração ácido-base, utilizou- se o solvente éter para dissolução da amostra de naftaleno e ácido benzóico. A escolha do solvente se deu pelo fato deste possuir estabilidade, ter um ponto de ebulição baixo e ser imiscível em água, estando em acordo com Gonçalves (2007). Nesta etapa ocorreu a extração da fase orgânica. Após a dissolução total dos compostos orgânicos no éter, transferiu-se esta mistura para um funil de separação onde acrescentou-se NaHCO3 e fez-se a todas as camadas. Assim, quando se adicionou o NaHCO3 a solução de naftaleno e ácido benzóico, ocorreu uma dissociação da base, pois como o HCO3- é uma base fraca, este reage rapidamente com um ácido forte, no caso o ácido benzóico, removendo facilmente o seu próton (H+), estando em acordo com Solomons (2011), e ocorrendo a reação ácido-base apresentada a seguir. . Além disso, o fato de o ácido benzóico apresentar uma base conjugada mais fraca, torna-o mais estável, favorecendo a reação no sentido de formação dos produtos. Desta forma, ocorreu a estabilização total do sal benzoato de sódio pela hidratação, sendo solvatado por ser uma molécula polar e o sal formado ficou retido na fase aquosa pois ocorreu as interações de ligação de hidrogênio entre aágua e o sal de ácido carboxílico. Logo após, separou-se a camada aquosa da camada estérea. Nesta etapa utilizou-se a camada aquosa, tratando-o com ácido clorídrico concentrado, 13 para que houvesse a recuperação do ácido benzóico, ocorrendo assim a reação ácido-base: NaHCO3(aq) + HCL NaCL + H2O + CO2(g) Notou-se que houve a liberação de vapor durante a reação que pode ser verificada na reação com a presença de CO2, ocorrendo um processo exotérmico e posteriormente com o banho de gelo um processo endotérmico separando o sólido da solução, na forma de um precipitado cristalino e posteriormente realizando-se a filtração. Desta forma, com a obtenção novamente do ácido benzóico, determinou- se a porcentagem de recuperação deste. Primeiramente, obteve-se a massa recuperada de C7H6O2, por meio dos dados obtidos durante o experimento, que são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 – Composto ácido benzóico. Composto Massa inicial da amostra (g) Massa papel filtro (g) Massa conjunto (papel filtro + composto) (g) Ácido benzóico 1,5 0,93 2,43 Assim, através dos valores obtidos e substituindo-se estes na equação apresentada a seguir, obteve-se uma massa recuperada de ácido benzóico igual a 1,5 g. 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑚(𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 + 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜) − 𝑚(𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜) 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎 = 0,93 − 2,43 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 1,5 𝑔 Sabendo-se que massa recuperada de C7H6O2 foi de 1,5 g e considerando-se que metade da mistura original (naftaleno + ácido benzóico) era de ácido benzóico sendo igual a 1,5 g, na qual mediu-se no início do experimento, pode-se determinar a porcentagem de recuperação do C7H6O2. 14 Assim, para determinar a porcentagem de recuperação do ácido benzóico, considerou-se que 1,5 g de ácido benzóico corresponderia a 100% da massa pesada, ou seja, presente na amostra inicial, e a massa recuperada calculada anteriormente de 1,5 g corresponderia a X, sendo assim: 1,5 g (C7H6O2) -------------------------------------------- 100% 1,5 g ----------------------------------% recuperada (C7H6O2) %recuperada (C7H6O2) = 100 % Desta forma, a última etapa da purificação do ácido benzóico foi a determinação do ponto de fusão. Assim, como o C7H6O2 apresenta uma temperatura de fusão de 122ºC, realizou-se em banho de óleo, pelo fato deste apresentar uma temperatura de ebulição maior se comparado com a água. Contudo, notou-se que o ácido benzoóico experimental, durante o aquecimento, iniciou o ponto de fusão em 90ºC e quando se aproximou de 100ºC mudou para o estado líquido, apresentando uma faixa de fusão entre 90-100ºC, o que não está em acordo com o ponto de fusão do composto no estado puro sendo de 122ºC, conforme Bernardi e Rodrigues (2010). Conforme Fonseca (2013, p. 57), quando se tem uma mistura as propriedades na substância não permanecem constantes, variando a temperatura no decorrer do tempo e mudando-se o estado de agregação. Desta forma, notou-se que o ácido benzóico quando entrou no estado de fusão apresentou variação da temperatura no decorrer do tempo com uma faixa de fusão entre 90-100ºC, significando que há impurezas presentes no meio. Isto quer dizer que, durante a extração do ácido benzóico houve a presença de uma certa quantidade de naftaleno, ocorrendo uma mistura entre estes. Portanto, o rendimento calculado anteriormente não é confiável, pois conforme o ponto de fusão experimental (90-100ºC), tem-se uma mistura de ácido benzóico com o naftaleno não se podendo afirmar que metade da mistura original (naftaleno + ácido benzóico) era de C7H6O2 e a outra metade de C10H8, um composto pode ter se apresentado em maior quantidade em relação ao outro. Vale ressaltar que o experimento teve que ser refeito, pois houve problemas com o composto éter. Desta forma, não estava ocorrendo a separação da fase etérica com a camada aquosa. 15 5.2 PORCENTAGEM DE RECUPERÇÃO DO NAFTALENO – FASE ETÉREA Nesta etapa, trabalhou-se com a fase estérea da solução, na qual restou apenas o composto neutro naftaleno. Na qual, retirou-se todas as impurezas fazendo-se a lavagem com água destilada e adicionou-se o Na2SO4 sendo um agente secante que absorveu toda a água restante em solução. Desta forma, pode-se determinar a porcentagem de recuperação do naftaleno (C10H8). Na qual, em um primeiro momento, calculou-se a massa recuperada de C10H8, por meio dos dados obtidos durante o experimento, que são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 – Composto naftaleno Composto Massa inicial da amostra (g) Massa papel filtro (g) Massa conjunto (papel filtro + composto) (g) Naftaleno 1,5 37,13 38,18 Então, substituindo-se os valores da Tabela 2 na equação a seguir e obteve uma massa recuperada de naftaleno igual a 1,05 g. 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑚(𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 + 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑡𝑜) − 𝑚(𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜) 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 38,18 − 37,13 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 1,05 𝑔 Desta forma, partindo-se da mesma consideração do ácido benzóico, em que a metade da mistura original (naftaleno + ácido benzóico) seria de naftaleno, tem-se 1,5 g deste composto. Assim, calculou-se a porcentagem de recuperação do naftaleno. Na qual, considerou-se que 1,5 g de naftaleno corresponderia a 100% da massa pesada, ou seja, presente na amostra inicial, e a massa obtido de 1,05 menos a massa adicionada de sulfato de sódio anidro (1,05 g de naftaleno recuperado – 0,5 g de sulfato de sódio anidro = 0,55 g) corresponderia a X, sendo assim: 16 1,5 g (C10H8) -------------------------------------------- 100% 1,05 g ------------------------------% recuperada (C7H6O2) % recuperada (C7H6O2) = 70 % Desta forma, obteve-se um rendimento de 70% de naftaleno, não sendo um valor confiável, pois como mencionado anteriormente, devido ao ácido benzóico ter apresentado uma faixa de fusão entre 90 e 100ºC em desacordo com o ponto de fusão do composto puro (122ºC), isto comprova que na extração do naftaleno também ocorreu uma mistura com o ácido benzóico. Portanto, a massa inicial considerada como metade para cada composto não é válida, sendo que um pode estar em maior quantidade e outro em menor, causando discrepâncias na porcentagem de recuperação tanto do naftaleno como do ácido benzóico. 17 6. CONCLUSÕES Através do experimento realizado em laboratório, notou-se que é possível separar uma amostra como de ácido benzóico e naftaleno por meio da extração ácido-base. Além, de ser possível obter a porcentagem de rendimento da substância analisada e poder verificar através do ponto de fusão se obteve um composto totalmente puro ou uma mistura. Portanto, analisando os resultados obtidos notou-se que a extração do ácido benzóico não se fez tão eficiente como esperado, pois o ponto de fusão experimental, com uma faixa de 90-100ºC, comprovou que não se obteve uma substância totalmente pura, mas sim uma mistura entre o ácido benzóico e o naftaleno, sendo que o esperado era de 122ºC para a substância no estado puro. Assim, provando-se também que o rendimento calculado não é confiável e que se tem a presença em maior quantidade de um composto em relação ao outro, ou seja, não se pode afirmar que a massa considerada no início do experimento é metade para C7H6O2 e a outra metade para C10H8.18 REFERÊNCIAS BERNARDI, Odinei Luiz; RODRIGUES, Malcon. TEMPERATURA DE FUSÃO DE UMA SUBSTÂNCIA. Chapecó, 2010. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAmykAF/determinacao-ponto-fusao- substancia#>. Aceso em: 28 de outubro de 2018. BROWN, T.; LEMAY; BURSTEN Química la Ciência Central. México: Pearson Educacion, 2004. 623 p. BRUICE, Paula Yurkanis, Química orgânica. vol. 1. 4º Ed. São Paulo, Pearson Prentica hall, 2006. ENGEL, R.G. et.al. Química orgânica experimental: técnicas de escala pequena. São Paulo: Cengage learning. 2012, 1015 p. FONSECA, Martha Reis Marques da. Química I. 1ª. Ed. São Paulo: Ática, 2013. 424p. GONÇALVES, Wanderlei Matos. PRODUÇÃO ARTESANAL DE COCAÍNA POR EXTRAÇÃO SÓLIDO/LÍQUIDO. Teresina, 2011. Disponível em: < file:///E:/Downloads/COCA%C3%8DNA%20%20ORG.3.pdf>. Acesso em: 27 de outubro de 2018. MAIA, Daltamir Justino; BIANCHI, J.C de A. Química Geral: Fundamentos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007. x, 436 p. SOLOMONS, T. W. Graham; FRYHLE, Craig B. Química Orgânica. 7. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
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