Relatório - Recristalização

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Universidade Federal do Oeste da Bahia/UFOB
Centro das Ciências Exatas e Tecnologias/CCET
Curso de Bacharelado em Química
RECRISTALIZAÇÃO DO ÁCIDO BENZÓICO
Relatório solicitado pelo Prof. Drª. Katyuscya Leão, como cumprimento das atividades práticas da disciplina Química Orgânica Experimental. 
Por: Ian Barreto, Joseana Caroline, Kevin Guedes e João Vitor Neves
Barreiras/BA
Junho/2019
Introdução
O ácido benzóico
O ácido benzóico é um sólido cristalino e incolor de fórmula química C7H6O2, faz parte do grupo de ácidos carboxílicos com cadeia aromática, sendo entre estes o mais simples que pode ser produzido em grande escala e com alta pureza, também conhecido pelos nomes de ácido benzeno-carboxílico e ácido dracílico[1,2].
Figura 1: Ácido Benzóico (Fonte: Wikipédia)
Este composto pode ser encontrado na natureza sob as formas pura ou combinado a outras substancias químicas. Também pode ser encontrado em alimentos, sendo um dos principais constituintes dos extratos de amoras, alguns cogumelos e diversas frutas como maçãs, uvas e outras[1,3,4].
 Trata-se de um composto tóxico para seres humanos e animais, sendo um contaminante de risco para o meio ambiente. Em contato com a pele e olhos causa irritação, podendo causar erupções cutâneas, asmas, inflamação, choque anafilático e outros sintomas[1].
Figura 2: Ácido benzóico puro. (Fonte: USP)
O ponto de fusão do mesmo é de aproximadamente 122,4 °C, sendo solúvel em solventes pouco polares como clorofórmio, éter etílico, etanol, metanol, benzeno e outros. Em água apresenta baixa solubilidade podendo ser aumentada com a presença de substancias alcalinas no meio e aquecimento[1,2]. 
Descrito na literatura pela primeira vez no século XVII, o ácido benzóico foi ganhando cada vez mais importância no decorrer das décadas até o século XIX quando o pesquisador americano Hugo Fleck descobriu acerca da sua efetiva capacidade conservante de alimentos e propriedades bactericidas enquanto tentava substituir o ácido salicílico, que até então era o responsável por essa função[1].
O composto é altamente utilizado em processos industriais das áreas farmacêutica e alimentícia, principalmente para a conservação de alimentos, devido a seu caráter bacteriostático e bactericida (que evita a proliferação de microrganismos no meio)[2,5].
A síntese deste composto em escala comercial só foi possível a partir do século XX, quando o mesmo foi fortemente aplicado na indústria alimentícia com a função de conservação de alimentos e logo seu uso foi expandido para industrias de cosméticos e medicamentos[1,5].
Industrialmente, o ácido benzoico é obtido através da reação de oxidação do tolueno com metais pesados como cobalto, sais de manganês e outros, que são utilizados para catalisar a reação. Atualmente o método utilizado baseia-se no adaptado e desenvolvido pela Standard Oil Co pelos químicos John Hundley e Frangen Nathan, a partir do esquema abaixo:
Esquema 1: Obtenção do ácido benzóico a partir da oxidação do tolueno na presença de metais pesador (Fonte: Revista Química Virtual)
Este método é capaz de produzir ácido benzóico com um rendimento de 99%, convertendo 1597 Kg de tolueno por hora dando origem a cerca de 2130 Kg do ácido benzóico[1,6].
O ácido benzóico tem bastante importância no âmbito industrial, servindo como matéria prima na produção de fenol, uma das suas principais aplicações, pois o composto gerado é utilizado amplamente na fabricação de resinas fenólicas utilizadas pelas industrias elétrica, automotiva, de equipamentos e adesiva. A produção do fenol se da a partir da oxidação do ácido benzóico líquido na presença de cobre como catalisador[1]. 
Esquema 2: Oxidação do ácido benzóico para obtenção de fenol. (Fonte: Revista Química Virtual)
Outros produtos e aplicações do ácido benzóico que podem ser citados são: benzoato de sódio (conservante de alimentos, fármacos e cosméticos) e na obtenção de ésteres de benzoato de diversos glicóis para fabricação de monômeros plastificantes[1]. 
Figura 3: Principais produtos do ácido benzóico. (Fonte: Revista Química Virtual)
O ácido benzóico também é bastante utilizado para produção de agentes plastificantes para resinas vinílicas a partir da reação de ésteres. Estes produtos tem como característica serem aditivos que aumentam a plasticidade dos materiais e produção de adesivos e materiais plásticos dos mais diversos tipos[1].
A caprolactama é um derivado do ácido benzóico utilizado na fabricação da fibra sintética de Nylon 6, que tem como propriedades grande elasticidade e resistência mecânica, além de uma estabilidade química sendo bastante resistente a álcalis, gorduras e peróxidos[1].
1.2. Solubilidade
A solubilidade é uma propriedade dependente das forças intermoleculares entre um soluto sólido e um solvente[8], para Solomons; Fhryhle (2009), a constante dielétrica, que é um indicativo de polaridade, é outra propriedade que afeta a habilidade do solvente de dissociar os eletrólitos do soluto e assim influenciam diretamente na solubilidade. Condições físicas do sistema podem interferir diretamente na solubilidade de um sólido, como por exemplo, temperatura e pressão exercida sobre o mesmo[2, 8, 9].
Uma substancia pode ser classificada como solúvel, pouco solúvel e insolúvel a depender de suas interações com o solvente, formando misturas homogenias (soluções, quando não há distinção de fases) ou misturas heterogêneas, com formação de duas fases[7]. 
Levando em consideração os fatores apresentados e que influenciam diretamente na solubilidade, podemos classificar o ácido benzoico como pouco solúvel em água devido a sua natureza apolar, tendo mais afinidade para solventes de mesma natureza. Uma vez que há uma baixa solubilidade do mesmo, é possível garantir que a solubilização em meio aquoso a partir do aquecimento da mistura, seguindo o princípio de Le Chatelier, que discorre sobre o deslocamento do equilíbrio na direção que absorve o calor, tornando a solubilização mais favorável[7]. 
Figura 4: Solubilidade do ácido benzóico em água com variação de temperatura (Fonte: Ploty)
É possível notar no gráfico apresentado na figura 4 a grande influência da temperatura sobre a solubilidade (apresentada em gramas por litro) do ácido benzoico em água, sendo variáveis proporcionais, pois uma vez que a temperatura é aumentada, é notado também um aumento da solubilidade do sólido[8].
Essa característica de solubilidade do ácido benzoico permite métodos de purificação do mesmo a partir da diferença de temperatura, uma vez que o mesmo é solúvel em água quente e insolúvel em água fria, o processo de recristalização pode ser aplicado[7].
1.3. Métodos de purificação: recristalização
A recristalização é o método mais simples para se separar substâncias e purificação, uma vez que é realizado tomando em consideração a diferença de solubilidade entre os compostos presentes na mistura sólida. Apesar de ser um método amplamente utilizado e de fácil aplicação, o rendimento do produto não é tão satisfatório em relação ao grau de pureza[10]. 
Neste processo os cristais são formados a partir da ação de forças intermoleculares como de Van der Walls, dipolo-dipolo, ligações de hidrogênio e contribuindo assim para a formação da estrutura cristalina. Quanto mais lento for o processo de resfriamento melhores e maiores serão os cristais formados sem a presença de interstícios que podem conter impurezas[12].
Figura 5: Solubilização da mistura sólida com aquecimento do sistema e posterior resfriamento lento. (Fonte: FCiências)
Para este processo é importante que a mistura seja solubilizada em um determinado solvente e temperatura que garantam a seletividade para a separação correta, a partir da posterior filtração do material e a recristalização do soluto. É importante que em processos como este o grau de impureza seja menor ou igual a 5% da massa de soluto, sendo muitas vezes necessárias diversas etapas para que haja uma boa purificação[10].
A escolha do solvente é umaetapa de extrema importância para o método, uma vez que ele deve ser responsável por dissolver apenas uma parte do soluto a temperatura ambiente e totalmente ao seu ponto de ebulição. O solvente deve ainda obedecer outras características, como ser inerte, para que não reaja com a amostra, não ser inflamável, tóxico ou volátil[12].
Existem bibliografias que ajudam na escolha do solvente para aplicação no método de recristalização como o CRC Handbook ou o Merck Index, que indicam para o ácido benzóico os seguintes solventes: mel, água, acetona, benzeno, clorofórmio e outros[12]. 
Tabela 1: Principais solventes utilizados em processo de recristalização listados por ordem de polaridade. (Fonte: Cesadufs)
Quando nos deparamos com amostras insolúveis e de solubilidade desconhecidas, a polaridade é um fator de extrema importância e que deve ser levado em consideração pois “semelhante dissolve semelhante”, sendo necessário testes para que não haja duvidas do melhor solvente para utilizar na purificação, devendo seguir os critérios anteriormente mencionados[12].
No caso do ácido benzóico que tem baixa solubilidade em água fria, a recristalização torna-se possível, uma vez que os demais componentes e fontes de pureza de maior solubilidade permaneçam na fase líquida, permitindo assim a filtração do composto[10].
Depois do aquecimento a solução deve passar por uma filtração a quente com a utilização de um papel de filtro preguiado, de forma que as impurezas de natureza insolúveis permaneçam no papel. As purezas solúveis são filtradas por processo a vácuo com utilização de kitassato, funil de büchner e bomba de vácuo, enquanto o sólido é recristalizado no papel filtro[11].
Figura 6: Processo de filtração para impurezas solúveis (Fonte: Cola da Web)
A medida que as purezas solúveis na água mãe (assim chamada por ser uma solução de diversos compostos) são filtradas pelo papel filtro, o soluto objeto de estudo, como por exemplo, o ácido benzóico, vai se recristalizando no papel devido ao abaixamento da temperatura, voltando ao estado físico de sólido[10].
Outros métodos de purificação para misturas sólidas incluem a extração com solventes, introduzindo uma nova fase de natureza similar ao soluto que deseja separar, em um processo conhecido como partição. E o processo de sublimação, que realiza a separação através da diferença de volatilidade dos compostos da mistura sólida pela condensação do vapor de uma superfície fria, eliminando assim as impurezas contidas[10].
Figura 7: Método de extração com solventes (Fonte: Scientificus)
Figura 8: Método de sublimação (Fonte: Todo Estudo)
Critérios de pureza e análise 
Após escolhido o método e feita a devida purificação, é importante aplicar técnicas de análise para caracterizar os sólidos obtidos como produtos através de propriedades físico-químicas. Métodos comuns incluem medidas de composição por porcentagem de elementos químicos, testes de ponto de fusão, densidade e solubilidade[10]. 
Instrumentalmente, análises espectroscópicas e da superfície do material promovem uma boa caracterização quanto as propriedades e morfologia dos mesmos. Caso ainda existam impurezas, as amostras apresentarão comportamentos diferentes do padrão da literatura[10].
2. Objetivos 
Purificar uma amostra de acido benzóico através do método de recristalização;
3. Materiais e Reagentes
3.1 Reagentes
	Reagente
	Quantidade (g ou mL)
	Ácido benzoico
	
3.2 Equipamentos
	Equipamentos
	Quantidade
	Chapa de aquecimento
	1
	Bomba a vácuo
	1
3.3 Materiais
	Materiais/Vidrarias
	Quantidade
	Béquer 250 mL
	2
	Proveta 100 mL
	1
	Funil Comum
	1
	Funil de Büchner
	1
	Kitassato
	1
	Erlenmeyer 
	1
	Algodão
	
	Papel de Filtro
	1
4. Procedimento experimental
Uma vez que não havia acetanilida, foi pesado, em um béquer de 250 mL, aproximadamente 2,028g de ácido benzoico. Foi medido 80 mL de água destilada em uma proveta e adicionado ao béquer. Em seguida o sistema foi aquecido em uma chapa de aquecimento até que todo o material fosse dissolvido formando uma solução. Um final de filtração comum foi ambientado com água destilada quente e a solução foi posteriormente filtrada em um Erlenmeyer com o auxilio de um algodão. Após filtrado, o Erlenmeyer foi deixado em um banho de gelo. Depois de 10 minutos, a solução foi filtrada à um kitassato com a ajuda de um funil de Büchner usando papel filtro e a vácuo. Durante a filtração, os cristais foram lavados em triplicata de 20 mL de água.
Figura 9: Sistema para recristalização a partir da filtração. (FONTE: Unesp)
5. Resultados e discussão
5.1 Recristalização do ácido benzoico.
A partir do procedimento experimental foi possível obter a recristalização do ácido benzoico a partir dos dados apresentados na tabela abaixo:
	Massa inicial de Ác. Benzoico
	2,028g
	Massa total final
	2,2414g
	Massa do papel
	0,9987g
	Massa final do Ác. Benzoico
	1,2153g
	% da Recristalização
	59,92%
Com os dados experimentais obtidos, observa-se que foi possível fazer a recristalização do ácido benzoico pois a porcentagem de massa reduziu para 59,92%. Contudo, é possível analisar que este método reacional não possui um rendimento muito bom, uma vez que, a massa final de ácido benzoico encontrada no final possui uma diferença expressiva da inicial. O que mostra, que pode ter havido uma perda da amostra junto as impurezas.
6. Conclusão
É possível concluir que o método de recristalização é bastante eficaz, uma vez que haja seletividade do mesmo com o aquecimento da temperatura para que não haja perda de amostra juntamente com as impurezas nos processos de filtração. Para isso, deve ser realizado de forma lenta e com atenção as condições do sistema, além de uma boa escolha dos solventes, com compatibilidade com o material que deseja purificar e um bom manejo do mesmo. 
Referências
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MINARÉ, M. M.; PIRES, R. F. Estudo da solubilidade do ácido benzóico em misturas aquosas ternárias e quaternárias em função da temperatura. Universidade Federal do Triangulo Mineiro, Departamento de engenharia química. ENBEQ, Fortaleza, 2016.
Davidson, P. M.; Sofos, J. N.; Branen A. L.; Antimicrobials in Food, 3a ed., Taylor & Francis Group, Florida, 2005. 
Dewick, P. M.; Medicinal Natural Products 2ª. ed.; Baffins Lane, Chichester, 2002.
THATI, J.; et al. Solubility of Benzoic Acid in pure solvents and binary mixtures. J. Chem. Eng. Data, v. 55, p. 5124-5127, 2010.
Hundley, J. G.; Nathan. F.; United States Patent Chicago, 3 187, 038 1965 (US3210416 A)
AUCÉLIO, R. Q.; TEIXEIRA, L. R. S. Solubilidade. Disponível em: http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/mvsl/Sala%20de%20Leitura/conteudos/SL_solubilidade.pdf. PUC, Rio de Janeiro, sem ano.
MAIA, G.D. Contribuição ao estudo termodinâmico das soluções de ácido acetilsalicílico. Tese (Doutorado em Engenharia Química), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, UFSCAR, 2007.
SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química orgânica. 9ª Ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos – LTC, p. 239-240, v.1, 2009.
UFPR, Técnicas de purificação e critérios de pureza. Disponível em: http://www.quimica.ufpr.br/fsnunes/cq136/Experimentos%20PDF/CQ136%20T%C3%A9cnicas%20de%20Purifica%C3%A7%C3%A3o%20-%20Crit%C3%A9rios%20de%20Pureza.pdf. Paraná, sem ano. 
UNESP. Recristalização. Disponível em: http://www.cempeqc.iq.unesp.br/Jose_Eduardo/APRESENTA%C3%87%C3%95ES%20ANOS%20ANTERIORES%20V%201.5%2011_08_2010/P9_Recristalizacao/9-RECRISTALIZA%C3%87%C3%83O%20BAC%202000%20T3%20PPT.pdf.
Recristalização. Disponível em: http://www.cesadufs.com.br/ORBI/public/uploadCatalago/10344204042012Quimica_Organica_Experimental_Aula_3.pdf
Purificação do ácido benzóico, disponível em: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2518879/mod_resource/content/2/recristalizacao2011.pdfRecristalização. Disponível em: http://bizuando.com/material-apoio/inorganica-exp/recristalizacao2.pdf