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IQ-UFBA Departamento de Química Orgânica QUI-B37 – Química Orgânica Básica Experimental I-A 2018.1 RELATÓRIO DE ATIVIDADES Título: Destilação simples, fracionada e por arraste à vapor. Introdução 1.1 Objetivos Essa prática tem como objetivo discutir a importância da técnica de destilação, suas principais aplicações e utilizar essa técnica para separar uma mistura de dois solventes; Tem o objetivo também de utilizar a técnica de destilação por arraste à vapor para extração de óleos essenciais, bem como conhecer as condições necessárias para sua utilização e as suas vantagens sobre os demais métodos. 1.2 Fundamentação teórica A destilação é um processo de separação de misturas homogêneas mais empregado em laboratórios. Essa técnica se baseia na diferença de pontos de ebulição entre as substâncias que compõem a mistura. Existem dois tipos desse processo: Destilação simples e fracionada. A aplicação de cada um depende do tipo de mistura que se deseja separar. No caso de misturas do tipo sólido-líquido utilizamos a destilação simples. Já a destilação fracionada costuma ser utilizada para separar misturas do tipo líquido-líquido. Porém, essa última não pode ser uma mistura do tipo azeotrópicas, pois esse tipo de mistura comporta-se como uma substância pura durante o processo de ebulição, ou seja, isso significa que todos os componentes da mistura entram em ebulição ao mesmo tempo, logo a destilação não funciona nesse caso. Existe também outro tipo diferente de destilação, que é a destilação com arraste de vapor; Esse é um método utilizado para o isolamento e purificação de substâncias. É aplicável a líquidos que geralmente são considerados imiscíveis ou a líquidos miscíveis (quando o grau de miscibilidade é pequeno). Nesse último tipo de destilação, cada componente se comporta como se não houvesse outro componente na mistura, assim não ocorre reação química entre os componentes; A pressão que cada um deles exerce, é a mesma de que quando sozinhos e a soma dessas pressões é igual a pressão total exercida por todo o sistema. 1. Parte experimental 2.1 Resumo do experimento I) Destilação simples e fracionada: - Pesar 0,1 mol de acetato de etila e 0,1 mol de tolueno. - Em um balão de fundo redondo de 100mL colocar os 2 líquidos. - Repetir esse processo obtendo 2 balões com essa mistura de solventes. - Montar equipamento de destilação simples e o de destilação fracionada. - Destilar a solução lentamente, de modo que velocidade seja constante e não mais que 30 gotas de destilação por minuto. - Com proveta graduada recolher o destilado. - Anotar temperatura inicial de destilação, quando as primeiras gotas forem recolhidas. - Desprezar as primeiras 15 gotas e recolher as outras 15 gotas em um frasco com tampa (nº 1) - Continua destilação, anotando temperatura e recolhendo as 15 gotas a cada 5 mL do destilado. - Marcar frascos na sequência (1,2,3,4,5,6,7,8,9,10) - Medir índice de refração de cada uma das alíquotas - Construir gráfico em Excel, a partir desses dados. - Fazer gráfico, também, de composição de acetato de etila na mistura versus volume recolhido. II) Destilação por arraste à vapor: a) Extração do Eugenol: - Colocar 10g de cravo moído em um balão de 3 bocas de 500mL. - Adicionar 150mL de água destilada - Iniciar o aquecimento de modo a ter uma velocidade constante e lenta de destilação. - Durante a destilação continuar a adicionar água através do funil de adição, numa velocidade que mantenha o nível inicial de água no balão. - Continuar destilação até conseguir 100mL do destilado e desligue o aquecimento. - Transferir volume do destilado para um funil de separação. - Fazer a extração com 2 porções de diclorometano (2 vezes 10mL). - Separar fase orgânica, reservar e desprezar fase aquosa (fase superior). - Usar sulfato de sódio anidro para secar fase orgânica. - Depois de secar, filtrar a mistura usando papel pregueado diretamente para um balão 50mL de fundo redondo previamente tarado. - Lavar balão com 5mL de diclorometano e remover solvente no evaporador rotativo. - Depois de evaporado o material que permanecer no balão será o óleo essencial. - Calcular porcentagem de extração de óleo baseado na quantidade original de cravo usada. b) Caracterização do Eugenol: - Depois de extrair o óleo essencial caracterizar o eugenol - Preparar solução do extrato obtido em diclorometano (2-3mL) - Transferir 2 gotas do extrato puro para tubo de ensaio e adicionar 2mL de diclorometano. - Nesse tubo adicionar 3-4 gotas da solução teste de KMnO4. - Anotar observações (não havendo mudanças promover leve aquecimento). - Em outro tubo de ensaio repetir operação, mas colocando solução de Br2 ao invés do permanganato e anotar resultados. c) Extração do limoneno presente na casca da laranja: - Descascar 3 laranjas maduras e cortas em pequenos pedaços. - Colocar cascas em um balão de fundo redondo de 500mL. - Adicionar 200 mL de água destilada ao aquecimento do sistema e destilar a mistura lentamente. - Continuar adicionando água ao funil de adição durante a destilação, mantendo o nível inicial de água do balão. - Continuar destilação até completar 100mL do destilado e desligar aquecimento. - Transferir volume destilado para funil de separação. - Fazer extração do destilado com 20mL de diclorometano. - Separar a fase orgânica, reservar e desprezar fase aquosa (superior). - Usar sulfato de sódio anidro para secar fase orgânica. - Depois de seca, filtrar mistura usando papel pregueado diretamente para balão de 50mL de fundo redondo previamente tarado. - Lavar balão com 5mL de cloreto de metileno e retirar solvente no evaporador rotativo. - Material que permanecer no balão é o óleo rico em limoneno. d) Caracterização do limoneno: - Adicionar 2-3mL de diclorometano ao extrato obtido. - Depois transferir 2 gotas do extrato puro para um tudo de ensaio e adicionar 2mL de diclorometano. - Nesse tudo adicionar 3-4 gotas de solução teste de KMnO4. - Anotar observações e se nada ocorrer aquecer levemente o tubo. - Em outro tubo de ensaio repetir o processo adicionando gotas de Br2 ao invés de permanganato. - Anotar observações. 2.2 Desenho da aparelhagem 2.3 Materiais I) Reagentes e solventes - Acetato de etila - Tolueno - Água destilada - Diclorometano - Sulfato de sódio anidro - Eugenol - Permanganato de potássio - Bromo (Br2) - Cloreto de metileno - Limoneno II) Vidraria - Balão de fundo redondo - Proveta Graduada - Becker - Balão de 3 bocas - Funil de separação III) Materiais diversos; - Cravo moído - Papel pregueado - 3 cascas de laranja IV) Equipamentos: - Equipamento de destilação simples - Equipamento de destilação fracionada - Evaporador rotativo - Aparato de destilação por arraste à vapor 2.4 Tabela de propriedades físicas Substância MM d g/mL Tf o C Te o C nTD Solubilidade (g/100 mL) H2O EtOH CHCl3 Et2O Acetato de etila 88,11 0,90 -82,4 77 1,372 Sim Não Não Tolueno 92,14 0,86 178,2 383,8 1,497 Sim Água destilada 18,01 1,00 0 100 1,334 Sim Diclorometano 84,93 1,33 -96,7 40 1,420 Sim Sulfato de sódio anidro 142,04 2,70 888 - - Sim Não Não Eugenol 164,20 1,06 -9 256 1,543 Sim Sim Sim Permanganato de potássio 77,98 2,70 240 - - Sim Bromo (Br2) 79,90 3,12 -7,2 58,8 1,659 Não Cloreto de metileno 84,93 1,32 -95 39,8 1,424Limoneno 136,24 0,84 -74,35 176 1,470 Não 2.6. Tabela de propriedade toxicológicas (resumo objetivo) Substância Propriedades (riscos à saúde, inflamabilidade, reatividade) Acetato de etila Altas concentrações dessa substância causa depressão do sistema nervoso central com efeitos letais, edema pulmonar com hemorragia e outros. Quando inalado pode causar irritação do trato respiratório, quando ingerido pode causar salivação, náuseas, paralisia respiratória, vômitos e inconsciência. O contato com a pele pode causar uma leve irritação e o contato prolongado, dermatite. O contato com o líquido pode causar queimaduras. Tolueno Se comporta como um depressor do sistema nervoso central e periférico . Pode ser uma causa de doença hepática , tubolopatia proximal e distal, ataxia , tremores e distúrbios comportamentais, além de outros . Os vapores de tolueno têm um leve efeito narcótico e irritam os olhos. Inalar altos níveis de tolueno por um curto período de tempo pode fazer com que alguém se sinta tonto ou sonolento. Também pode causar perda de consciência e, em casos extremos, morte. Diclorometano Irritante para olhos, nariz, garganta, pele e olhos. Se inalado pode causar náuseas e tontura. Prejudicial se ingerido. Sulfato de sódio anidro Possui toxicidade aguda podendo causar náuseas, vômitos e outros. Em uma exposição crônica pode desencadear doenças cardiovasculares. Pode causar também ligeiras irritações nos olhos. Eugenol Irritante em contato com mucosas podendo ocasionar sensação de anestesia local. Permanganato de potássio Se ingerido, pode ocasionar queimaduras severas na boca e garganta, assim como perfuração do esôfago e do estomago, náusea, vômitos. Toxicidade aguda por inalação causando irritação das mucosas, tosse, respiração superficial, pode provocar edemas nas vias respiratórias. Irritação na pele que pode causar queimaduras á pele. Causa irritação ocular seria e perigo de opacificação da córnea. Bromo (Br2) Causa forte irritação das mucosas, tosse, respiração superficial, lesão das vias respiratórias, edema pulmonar, pneumonia; A substância tem efeitos retardados. Cloreto de metileno A toxidade oral para uma única dose é considerada baixa. Pequenas quantidades ingeridas acidentalmente, não têm probabilidade de causar danos. Grandes quantidades podem causar danos, tai como: A inalação pode causar inconsciência e até mesmo a morte; o contato com a pele pode causar irritação, inclusive queimaduras. O contato repetido pode causar ressecamento ou descamação da pele. Em caso de contato com olhos pode causar dor, irritação moderada e leve lesão da córnea. Limoneno Evitar o contato deste solvente com a pele, pois poderá causar adormecimento das extremidades, fraqueza nos músculos e inflamação na pele. irritantes aos olhos e mucosas nasais 2. Resultados, discussão, observações e conclusões 3.1 Observações Essa prática foi dividida em algumas etapas. Primeiramente, foi feita o experimento por arraste a vapor para separação do eugenol, óleo essencial do cravo. Nesse tipo de destilação, teremos a adição de um líquido no primeiro balão, nesse caso a água, (que será aquecido por uma manta de aquecimento) esse líquido se encontra em um balão de fundo chato de 3 bocas, onde em uma boca teremos uma válvula de escape do vapor (sistema semelhante ao da panela de pressão), na segunda teremos um funil para que tenha adição constante de água, mantendo seu nível, e no último teremos uma ligação com o outro balão, onde se encontrará a substância que será destilada, nesse caso o cravo. Lembrando que nesse mesmo balão de contém a água, é necessário adicionar porcelana porosa com o intuito de impedir que ocorra uma ebulição tumultuosa. Depois, com o auxilio de um funil de sólidos, foi adicionado ao segundo balão 2 conchas de cravo. Seguido disso, foi ligado o condensador (sistema de resfriamento) e a manta de aquecimento que se encontra sobre o segundo balão. Feito esse processo, liga-se a caldeira que está com o balão da água; Este, quando aquecido irá produzir o vapor de água que vai para o segundo balão e consegue arrastar o vapor de cravo, pois estes são imiscíveis; Em seguida, esses vapores irão encontrar a camada fria e irão sofrer condensação, obtendo dessa forma o destilado. Este se encontra turvo, pois estavam emulsionados, porém após ter sido deixado repousando durante um período de tempo foi possível perceber partes com presença do óleo essencial, como observado nas imagens presente abaixo. Vale ressaltar que é necessário aquecer o balão que contém os cravos porque se não este iria funcionar como um condensador acumulando água e como este não é o objetivo, então fornecemos um aquecimento médio. Também é importante lembrar que nesse processo a eficiência da destilação não tem haver com a velocidade com a qual está ocorre. Após realizado obtido uma boa quantidade do destilado, todo esse volume foi colocado sobre um funil de separação para que pudéssemos obter a o óleo essencial e a água separadas. Observando essas imagens ao lado, podemos concluir que no processo de destilação pouca quantidade do óleo essencial, eugenol, é obtido para um grande volume de água. No segundo momento da aula prática, a turma foi divida em 2 grupos onde cada grupo realizou o processo de separação da mistura de acetato de etila e tolueno. O mecanismo de separação que ocorre na destilação fracionada e na simples é basicamente o mesmo, o que muda é que na fracionada temos a adição de uma coluna de fracionamento logo na saída do balão de fundo redondo; Essa coluna permite que ocorra a obtenção de faixas de destilação e aumenta a eficiência do processo de destilação; Dessa forma, quanto maior o comprimento da coluna, maior será a superfície de contato interna e maior será a eficácia da destilação fracionada. Em ambos os tipos de destilação citados acima a velocidade vai interferir na eficiência, sendo que quanto mais lento mais será a qualidade, pois permite que ocorra diversos ciclos de vaporização e condensação. Na destilação fracionada foi adicionado um papel alumínio e um tubo de isolamento térmico de espuma, no intuito de evitar a troca de calor com o ambiente externo, mantendo assim o equilibro térmico. No inicio desse processo foi adicionado 70mL da mistura e alguns pedaços de porcelana porosa, no balão de fundo redondo e então, depois de a aparelhagem toda pronta, foi ligado a manta de aquecimento a uma temperatura mínima. A coluna presente neste tipo de destilação, permite que se obtenha uma composição quase igual a 100% do destilado; Esse empacotamento permite que uma mistura esteja sujeita continuamente a muitos ciclos de vaporização-condensação na medida que o material passa pela coluna. Em cada ciclo, na coluna, a composição do vapor muda progressivamente, aumentando a concentração do componente de menor ponto de ebulição. Então, a substância quase pura surge no topo da coluna, condensa e passa para o balão de coleta. Esse processo é contínuo até que se tenha uma substância quase pura. Concomitante a esse processo, também foi realizada a destilação simples, a qual também teve a adição de 70mL da mistura e alguns pedaços de porcelana porosa, e a manta de aquecimento também foi ligada com temperatura mínima. Nesse tipo de destilação, o processo ocorre quando o líquido a ser destilado, que está no balão, é aquecido até se vaporizar; Este sobe, passa pelo termômetro e entra no condensador, onde o vapor é resfriado e se condensa, sendo coletado pelo balão de coleta. Com a finalidadede comparar a eficiência de ambos os processos essa última etapa foi realizada. Nesse procedimento foi sendo retirada uma alíquota de 15 gotas a cada 5mL, onde era anotada a temperatura e essas amostras foram sendo coletadas em frascos diferentes até acabar a destilação. Feito esse processo de coleta das alíquotas, foi possível obter 13 amostras na destilação simples e 12 amostras na destilação fracionada. Depois disso, foi feita a medida do índice de refração de todas essas amostras com o objetivo de verificar qual dos dois processos foi mais eficiente na destilação. Com isso podemos obter os seguintes dados abaixo: Indice de Refração Composição % (nº de mols) (IR) Acetato de Etila Tolueno 1 1,3680 100 0 2 1,4335 50 50 3 1,4912 0 100 y = -810,61x + 1209,9 R² = 0,9987 0 20 40 60 80 100 120 1,3600 1,3800 1,4000 1,4200 1,4400 1,4600 1,4800 1,5000 C o m p o si çã o ( A cO Et ) Índice de Refração Tabela 1- Destilação Simples Amostra Indice de Refração Composição % (nº de mols) Nº (IR) AcOEt Tolueno 1 1,3845 87,6 12,4 2 1,3845 87,6 12,4 3 1,3925 81,1 18,9 4 1,3948 79,3 20,7 5 1,3992 75,7 24,3 6 1,4150 62,9 37,1 7 1,4173 61,0 39,0 8 1,4318 49,3 50,7 9 1,4440 39,4 60,6 10 1,4592 27,1 72,9 11 1,4752 14,1 85,9 12 1,4870 4,5 95,5 13 1,4917 0,7 99,286937 Gráfico 1 - Destilação Simples (Composição de AcOEt vs Índice de refração) 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 1,3845 1,3845 1,3925 1,3948 1,3992 1,4150 1,4173 1,4318 1,4440 1,4592 1,4752 1,4870 1,4917 Série1 Tabela 2 - Destilação Fracionada Amostra Indice de Refração Composição % (nº de mols) Nº (IR) AcOEt Tolueno 1 1,3736 96,4 3,6 2 1,3738 96,3 3,7 3 1,3771 93,6 6,4 4 1,3787 92,3 7,7 5 1,3808 90,6 9,4 6 1,3815 90,0 10,0 7 1,4081 68,5 31,5 8 1,4662 21,4 78,6 9 1,4882 3,6 96,4 10 1,4907 1,5 98,5 11 1,4920 0,5 99,5 12 1,4925 0,1 99,9 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 1,3736 1,3738 1,3771 1,3787 1,3808 1,3815 1,4081 1,4662 1,4882 1,4907 1,4920 1,4925 Composição de AcOEt vs Indice de refração Série1 Gráfico 2 - Destilação fracionada Com base na análise das tabelas e dos gráficos presentes acima, podemos concluir que a destilação fracionada é mais eficiente do que a destilação simples, e esse fato pode ser comprovado porque, ao analisarmos as tabelas acima, podemos perceber que na destilação fracionada temos a última amostra contendo 99,9% do tolueno e apenas 0,1% de AcOEt, logo podemos concluir que temos uma amostra com quase 100% de pureza. Esse fato é explicado porque, na destilação fracionada temos a presença da coluna de empacotamento, a qual possui diversos ciclos de vaporização-condensação e em cada ciclo desse, a composição do vapor vai mudando e aumentando a concentração do acetato de etila e esse vai sendo destilado até que ele 0 20 40 60 80 100 120 Temperatura vs Volume do destilado na destilação simples Temperatura 0 20 40 60 80 100 120 Temperatura vs Volume do destilado na destilação fracionada Temperatura Gráfico 3 - Temperatura versus volume destilado na destilação simples Gráfico 4 - Temperatura versus volume destilado na destilação fracionada seja todo removido. Já na destilação simples, como não temos esse equipamento, teremos uma eficiência menor, sendo impossível obter um composto isolado da mistura por esse método de destilação. Além disso, outro fato que comprova essa afirmação se deve ao fato de que, nos resultados apresentados na tabela 1 e 2 (o que também pode ser visualizado a partir dos gráficos 1 e 2), temos que, inicialmente, o percentual de acetato é maior na fracionada do que na simples. Esse fato ocorre porque na destilação fracionada, devido a presença da coluna de fracionamento, ambos os compostos começam a sofrer os sucessivos processos de evaporação e condensação, sendo que o composto que possui menor temperatura de ebulição passa por essa coluna mais rapidamente e tendo uma maior concentração inicial deste nas primeiras alíquotas recolhidas, sendo nesse caso o acetato. Relacionado aos gráficos de temperatura versus volume destilado, podemos observar que em ambas as destilações, a medida que a temperatura do sistema aumenta, teremos um aumento da quantidade do volume destilado do composto. 3.2 Conclusões O processo de destilação é utilizado para separar e purificar substâncias. Esse processo é muito usado, por exemplo, na produção de bebidas alcoólicas destiladas, onde são feitas pelo processo de destilação simples. Temos também a utilização deste processo na separação do petróleo em frações de hidrocarbonetos com diferentes gamas de peso molecular, podem ser usadas também na produção de polímeros, nas industrias alimentares e farmacêuticas, na reciclagem de óleos, na purificação do bioetanol, na dessalinização da água e dentre outros milhões de processos. A destilação por arraste à vapor são utilizadas para purificar líquidos, porém também podem ser usadas para purificar sólidos. Para se realizar esse processo é necessário ter uma temperatura menor ou igual a 100ºC, fazer a utilização de substâncias termolábeis ( aquelas que não conseguem suportar grandes oscilações de temperatura), deve-se utilizar substâncias em baixa concentração e elas tem que ser insolúveis em água. A diferença existente na aparelhagem de uma destilação simples para uma destilada está na adição de uma coluna de fracionamento a este último, e por conta disso este vai apresentar uma maior eficiência na separação. Vale ressaltar que o processo de destilação é utilizado para separar substâncias, no entanto se é desejado obter a substância de forma purificada, se faz necessário realizar a redestilação da fracionada, pois está é a mais eficiente para este processo. E para saber que uma substância destilou bem é necessário se certificar de que não houve sobras da mistura adicionada; Vale lembrar que não pode destilar até a secura do balão, pois dessa forma este pode estourar. Sabe-se que é possível destilar bem misturar líquidas e sólidas, no entanto existem misturas que são azeotrópicas, ou seja, mistura de 2 ou mais líquidos que apresentam temperatura de ebulição constantes; Logo, a separação por destilação, numa só coluna, no ponto azeotrópico é impossível dado que não se consegue aumentar mais o enriquecimento do vapor no componente mais volátil, tal como se pretende na destilação fracionada. Contudo, existem estratégias para separar por destilação misturas azeotrópicas, recorrendo a sistemas de várias colunas integradas. E, não menos importante, vale lembrar que para a eficiência de uma destilação simples e fracionada ser elevada, se faz necessário realizar o processo em uma velocidade lenta, pois está constante possui interferência sobre o processo. Porém, em uma destilação por arraste à vapor, a velocidade em que seja realizada não vai exercer influências sobre a eficiência desta. 3. Bibliografia Destilação simples e fracionada. Disponível em: <https://manualdaquimica.uol.com.br/quimica-geral/destilacao.htm>. Acesso em: 28 de Abril de 2018. Destilação por arraste à vapor. Disponível em: <http://www.engquimicasantossp.com.br/2012/03/destilacao-com-arraste-de-vapor.html>. Acesso em: 28 de Abril de 2018. Imagens. Disponível em: <https://www.google.com/imghp?hl=pt-pt>. Acesso em: 28 de abril de 2018. Propriedades físicas. Disponível em: < http://sistemasinter.cetesb.sp.gov.br/produtos/ficha_completa1.asp?consulta=DICLOROME TANO>. Acesso em: 28 de abril de 2018.
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