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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE POLO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA APOSTILA DE QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL I 2014 Química Orgânica I - Experimental 1 PREFÁCIO Esta apostila foi elaborada pelo professor do Departamento de Química do Instituto de Ciências Exatas da Universidade Federal Fluminense (Polo Universitário de Volta Redonda): Leandro Ferreira Pedrosa e revisada pelos professores Diego Pereira Sangi e Alessandra Rodrigues Rufino. A apostila contém dez aulas práticas, cada uma com os objetivos a se alcançar, uma breve introdução teórica sobre o tema e uma descrição dos experimentos a se executar. Esperamos que este material contribua positivamente para o aprendizado de nossos alunos, proporcionando não apenas um bom desempenho na disciplina mas também uma melhor formação acadêmica. Química Orgânica I - Experimental 2 ÍNDICE SEGURANÇA E NORMAS DE TRABALHO NO LABORATÓRIO ....................................... 3 1- INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 3 2- NORMAS DE LABORATÓRIO ....................................................................................... 3 3- COMPOSTOS TÓXICOS ............................................................................................... 4 4- INTRUÇÕES PARA ELIMINAÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS PERIGOSOS ............. 5 5- AQUECIMENTO NO LABORATÓRIO ............................................................................ 7 6- BIBLIOGRAFIA: ............................................................................................................. 7 ORGANIZAÇÃO DO LABORATÓRIO .................................................................................. 8 ANTES DE ENTRAR NO LABORATÓRIO: PRÉ-RELATÓRIO ............................................ 8 DURANTE O LABORATÓRIO .............................................................................................. 9 ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO ....................................................................................... 10 SUGESTÃO DE CRONOGRAMA ....................................................................................... 12 PRÁTICA NO 1 - SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS .................................. 13 PRÁTICA NO 2 - PURIFICAÇÃO DE SÓLIDOS: RECRISTALIZAÇÃO E SUBLIMAÇÃO .. 18 PRÁTICA NO 3 - PONTO DE FUSÃO E EBULIÇÃO ........................................................... 23 PRÁTICA NO 4 - DESTILAÇÃO SIMPLES E FRACIONADA .............................................. 30 PRÁTICA NO 5 - DESTILAÇÃO POR ARRASTE A VAPOR ............................................... 37 PRÁTICA NO 6 - EXTRAÇÃO REATIVA (ÁCIDO-BASE) ................................................... 39 PRÁTICA NO 7 - EXTRAÇÃO CONTÍNUA SÓLIDO-LÍQUIDO............................................ 44 PRÁTICA NO 8 - CROMATOGRAFIA EM CAMADA FINA E EM PAPEL ........................... 46 Química Orgânica I - Experimental 3 SEGURANÇA E NORMAS DE TRABALHO NO LABORATÓRIO 1- INTRODUÇÃO Laboratórios de química não precisam ser lugares perigosos de trabalho (apesar dos muitos riscos em potencial que neles existem), desde que certas precauções elementares sejam tomadas e que cada operador se conduza com bom senso e atenção. Acidentes no laboratório ocorrem muito freqüentemente em virtude da pressa excessiva na obtenção de resultados. Cada um que trabalha deve ter responsabilidade no seu trabalho e evitar atitudes impensadas de desinformação ou pressa que possam acarretar um acidente e possíveis danos para si e para os demais. Deve-se prestar atenção a sua volta e prevenir-se contra perigos que possam surgir do trabalho de outros, assim como do seu próprio. O estudante de laboratório deve, portanto, adotar sempre uma atitude atenciosa, cuidadosa e metódica em tudo o que faz. Deve, particularmente, concentrar-se no seu trabalho e não permitir qualquer distração enquanto trabalha. Da mesma forma, não deve distrair os demais desnecessariamente. 2- NORMAS DE LABORATÓRIO 01. Não se deve comer, beber, ou fumar dentro do laboratório. 02. Cada operador deve usar, obrigatoriamente, um guarda-pó. Não será permitido a permanência no laboratório ou a execução de experimentos sem o mesmo. O guarda-pó deverá ser de brim ou algodão grosso e, nunca de tergal, nylon ou outra fibra sintética inflamável. 03. Sempre que possível, usar óculos de segurança, pois constituem proteção indispensável para os olhos contra respingos e explosões. 04. Ao manipular compostos tóxicos ou irritantes a pele, usar luvas de borracha. 05. A manipulação de compostos tóxicos ou irritantes, ou quando houver desprendimento de vapores ou gases, deve ser feita na capela. 06. Leia com atenção cada experimento antes de iniciá-lo. Monte a aparelhagem, faça uma última revisão no sistema e só então comece o experimento. 07. Otimize o seu trabalho no laboratório, dividindo as tarefas entre os componentes de sua equipe. 08. Antecipe cada ação no laboratório, prevendo possíveis riscos para você e seus vizinhos. Certifique-se ao acender uma chama de que não existem solventes próximos e destampados, especialmente aqueles mais voláteis (éter etílico, éter de petróleo, hexano, dissulfeto de carbono, benzeno, acetona, álcool etílico, acetato de etila). Mesmo uma chapa ou manta de aquecimento quente podem ocasionar incêndios, quando em contato com solventes como éter, acetona ou dissulfeto de carbono. 09. Leia com atenção os rótulos dos frascos de reagentes e solventes que utilizar. 10. Seja cuidadoso sempre que misturar dois ou mais compostos. Muitas misturas são exotérmicas (ex. H2SO4 (conc.) + H2O), ou inflamáveis (ex. sódio metálico + H2O), ou ainda podem liberar gases tóxicos. Misture os reagentes vagarosamente, com agitação e, se necessário, resfriamento e sob a capela. Química Orgânica I - Experimental 4 11. Em qualquer refluxo ou destilação utilize "pedras de porcelana" a fim de evitar superaquecimento. Ao agitar líquidos voláteis em funis de decantação, equilibre a pressão do sistema, abrindo a torneira do funil ou destampando-o. 12. Caso interrompa alguma experiência pela metade ou tenha que guardar algum produto, rotule-o claramente. O rótulo deve conter: nome do produto, data e nome da equipe. 13. Utilize os recipientes apropriados para o descarte de resíduos, que estão dispostos no laboratório. Só derrame compostos orgânicos líquidos na pia, depois de estar seguro de que não são tóxicos e de não haver perigo de reações violentas ou desprendimento de gases. De qualquer modo, faça-o com abundância de água corrente. 14. Cada equipe deve, no final de cada aula, lavar o material de vidro utilizado e limpar a bancada. Enfim, manter o laboratório LIMPO. 3- COMPOSTOS TÓXICOS Um grande número de compostos orgânicos e inorgânicos são tóxicos. Manipule-os com respeito, evitando a inalação ou contato direto. Muitos produtos que eram manipulados pelos químicos, sem receio, hoje são considerados nocivos à saúde e não há dúvidas de que a lista de produtos tóxicos deva aumentar. A relação abaixo compreende alguns produtos tóxicos de uso comum em laboratórios: 3.1- COMPOSTOS ALTAMENTE TÓXICOS: São aqueles que podem provocar, rapidamente, sérios distúrbios ou morte. Compostos demercúrio Ácido oxálico e seus sais Compostos arsênicos Cianetos inorgânicos Monóxido de carbono Cloro Flúor Pentóxido de vanádio Selênio e seus compostos 3.2- LÍQUIDOS TÓXICOS E IRRITANTES AOS OLHOS E SISTEMA RESPIRATÓRIO: Sulfato de dietila Ácido fluorobórico Bromometano Alquil e arilnitrilas Dissulfeto de carbono Benzeno Sulfato de metila Brometo e cloreto de benzila Bromo Cloreto de acetila Acroleína Cloridrina etilênica Química Orgânica I - Experimental 5 3.3- COMPOSTOS POTENCIALMENTE NOCIVOS POR EXPOSIÇÃO PROLONGADA: a) Brometos e cloretos de alquila: Bromoetano, bromofórmio, tetracloreto de carbono, diclorometano, 1,2-dibromoetano, 1,2-dicloroetano, iodometano. b) Aminas alifáticas e aromáticas: Anilinas substituídas ou não, dimetilamina, trietilamina, diisopropilamina. c) Fenóis e compostos aromáticos nitrados: Fenóis substituídos ou não, cresóis, catecol, resorcinol, nitrobenzeno, nitrotolueno, nitrofenóis, naftóis. 3.4- SUBSTÂNCIAS CARCINOGÊNICAS: Muitos compostos orgânicos causam tumores cancerosos no homem. Deve-se ter todo o cuidado no manuseio de compostos suspeitos de causarem câncer, evitando-se a todo custo a inalação de vapores e a contaminação da pele. Devem ser manipulados exclusivamente em capelas e com uso de luvas protetoras. Entre os grupos de compostos comuns em laboratório se incluem: a) Aminas aromáticas e seus derivados: Anilinas N-substituídas ou não, naftilaminas, benzidinas, 2-naftilamina e azoderivados. b) Compostos N-nitroso: Nitrosoaminas (R'-N(NO)-R) e nitrosamidas. c) Agentes alquilantes: Diazometano, sulfato de dimetila, iodeto de metila, propiolactona, óxido de etileno. d) Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos: Benzopireno, dibenzoantraceno, etc. e) Compostos que contém enxofre: Tioacetamida, tiouréia. f) Benzeno: Um composto carcinogênico, cuja concentração mínima tolerável é inferior aquela normalmente percebida pelo olfato humano. Se você sente cheiro de benzeno‚ é porque a sua concentração no ambiente é superior ao mínimo tolerável. Evite usá-lo como solvente e sempre que possível substitua-o por outro solvente semelhante e menos tóxico (por exemplo, tolueno). g) Amianto: A inalação por via respiratória de amianto pode conduzir a uma doença de pulmão, a asbestose, uma moléstia dos pulmões que aleija e eventualmente mata. Em estágios mais adiantados geralmente se transforma em câncer dos pulmões. 4- INTRUÇÕES PARA ELIMINAÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS PERIGOSOS Hidretos alcalinos, dispersão de sódio Suspender em dioxano, lentamente adicionar o isopropano, agitar até completa reação do hidreto ou do metal: adicionar cautelosamente água até formação de solução límpida, neutralizar e verter em recipiente adequado. Hidreto de lítio e alumínio Suspender em éter ou THF ou dioxano, gotejar acetato de etila até total transformação do hidreto, resfriar em banho de gelo e água, adicionar ácido 2N até formação de solução límpida, neutralizar e verter em recipiente adequado. Química Orgânica I - Experimental 6 Boroidreto alcalino Dissolver em metanol, diluir em muita água, adicionar etanol, agitar ou deixar em repouso até completa dissolução e formação de solução límpida, neutralizar e verter em recipiente adequado. Organolíticos e compostos de Grignard Dissolver ou suspender em solvente inerte (p. ex.: éter, dioxano, tolueno), adicionar álcool, depois água, no final ácido 2N, até formação de solução límpida, verter em recipiente adequado. Sódio Introduzir pequenos pedaços do sódio em metanol e deixar em repouso até completa dissolução do metal, adicionar água com cuidado até solução límpida, neutralizar, verter em recipiente adequado. Potássio Introduzir em n-butanol ou t-butanol anidro, diluir com etanol, no final com água, neutralizar, verter em recipiente adequado. Mercúrio Mercúrio metálico: Recuperá-lo para novo emprego. Sais de mercúrio ou suas soluções: Precipitar o mercúrio sob forma de sulfeto, filtrar e guardá-lo. Metais pesados e seus sais Precipitar em forma de compostos insolúveis (carbonatos, hidróxidos, sulfetos, etc.), filtrar e armazenar. Cloro, bromo, dióxido de enxofre Absorver em NaOH 2N, verter em recipiente adequado. Cloretos de ácido, anidridos de ácido, PCl3, PCl5, cloreto de tionila, cloreto de sulfurila. Sob agitação, com cuidado e em porções, adicionar à muita água ou NaOH 2N, neutralizar, verter em recipiente adequado. Dimetilsulfato, iodeto de metila Cautelosamente, adicionar a uma solução concentrada de NH3, neutralizar, verter em recipiente adequado. Presença de peróxidos, peróxidos em solventes, (éter, THF, dioxano) Reduzir em solução aquosa ácida (Fe(II) - sais, bissulfito), neutralizar, verter em recipiente adequado. Sulfeto de hidrogênio, mercaptanas, tiofenóis, ácido cianídrico, bromo e clorocianos Oxidar com hipoclorito (NaOCl). Química Orgânica I - Experimental 7 Ácido clorosulfônico, ácido sulfúrico concentrado, óleum, ácido nítrico concentrado Gotejar, sob agitação, com cuidado, em pequenas porções, sobre gelo ou gelo mais água, neutralizar, verter em recipiente adequado. 5- AQUECIMENTO NO LABORATÓRIO Ao se aquecerem substâncias voláteis e inflamáveis no laboratório devem-se sempre levar em conta o perigo de incêndio. Para temperaturas inferiores a 100°C use preferencialmente banho-maria ou banho a vapor. Para temperaturas superiores a 100°C use banhos de óleo. Parafina aquecida funciona bem para temperaturas de até 220°C; glicerina pode ser aquecida até 150°C sem desprendimento apreciável de vapores desagradáveis. Banhos de silicone são os melhores, mas são também os mais caros. Uma alternativa quase tão segura quanto os banhos são as mantas de aquecimento. O aquecimento é rápido, mas o controle da temperatura não é tão eficiente como no uso de banhos de aquecimento. Mantas de aquecimento não são recomendadas para a destilação de produtos muito voláteis e inflamáveis, como éter de petróleo e éter etílico. Para temperaturas altas (>200°C) pode-se empregar um banho de areia. Neste caso o aquecimento e o resfriamento do banho deve ser lento. Chapas de aquecimento podem ser empregadas para solventes menos voláteis e inflamáveis. Nunca aqueça solventes voláteis em chapas de aquecimento (éter, CS2, etc.). Ao aquecer solventes como etanol ou metanol em chapas, use um sistema munido de condensador. Aquecimento direto com chamas sobre a tela de amianto só é recomendado para líquidos não inflamáveis (por exemplo, água). 6- BIBLIOGRAFIA: 1) Vogel, A. I. Análise Orgânica; Ao Livro Técnico S.A.; 3a ed.; Vol. 1, 2, 3; 1984. 2) Vogel, A. I. A Textbook of Practical Organic Chemistry; 3a ed; Longmann; Londres; 1978. 3) Pavia, D. L.; Lampman, G. M.; Kriz, G. S. Introduction to Organic Laboratory Techniques; 3rd ed; Saunders; New York; 1988. 4) Gonçalves, D.; Almeida, R. R. Química Orgânica e Experimental; McGraw-Hill; 1988. 5) Fessenden, R. J.; Fessenden, J. S. Techniques and Experiments for Organic Chemistry; PWS Publishers; Boston; 1983. 6) Mayo, D. W.; Pike, R. M.; Trumper, P. K. Microscale Organic Laboratory; 3a ed; John Wiley & Sons; Nova Iorque; 1994. 7) Nimitz, J. S. Experiments in Organic Chemistry; Prentice Hall; New Jersey; 1991. 8) Mohrig, J. R.; Hammond, C. N.; Morrill, T. C.; Neckers, D. C. Experimental Organic Chemistry; W. H. Freeman and Company; New York; 1998. 9) Morrison, R. T.; Boyd, R. N. Química Orgânica; Fundação Calouste Gulbenkian; 9a ed; Lisboa; 1990. Química OrgânicaI - Experimental 8 10) Solomons, T. W. G. Química Orgânica; 6a ed; Livros Técnicos e Científicos; Rio de Janeiro; 1996. 11) Shriner, R. L.; Fuson, R. C.; Curtin, D. Y.; Morril, T. C. The Systematic Identification of Organic Compounds; 6th ed; John Wiley & Sons; Singapure; 1980. 12) BUSCA DE SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS: http://www.chemfinder.com/ 13) DADOS FÍSICO-QUÍMICOS DE SUBSTÂNCIAS: http://webbook.nist.gov/ 14) DADOS DE SEGURANÇA DE PRODUTOS QUÍMICOS: http://www.hazard.com/msds ORGANIZAÇÃO DO LABORATÓRIO Aos alunos solicita-se que na primeira aula tragam: Material Individual: Avental - material obrigatório, Espátula, Óculos de Segurança, Caderno de Laboratório, 1 Perfex ou toalha pequena. Nas aulas em que for necessário usar material suplementar (por ex. analgésicos, especiarias, etc.) o aluno deverá providenciar este material, que será solicitado na aula imediatamente anterior à realização da experiência. Os seguintes itens devem ser observados: Manutenção dos Kits – conservar o material limpo, seco e arrumado. Conferência no início e no final da aula. Conservar limpas as bancadas, capela e estufa. Fazer o descarte dos reagentes nos frascos apropriados. Há no laboratório frascos para o descarte de solventes do tipo hidrocarbonetos (éter de petróleo, hexano, cicloexano, tolueno, benzeno); halogenados (diclorometano, clorofórmio, tetracloreto de carbono) e oxigenados (acetona, acetato de etila, metanol, etanol). Solicita-se a colaboração de todos evitando-se a colocação de solventes em outros tipos de frasco. Em caso de quebra de vidraria solicita-se a reposição do material pelo grupo, especialmente termômetros. ANTES DE ENTRAR NO LABORATÓRIO: PRÉ-RELATÓRIO As leituras indicadas para cada experiência serão efetuadas antes do laboratório. O estudante deve entrar no laboratório a cada semana com uma compreensão clara do que vai fazer e por que está fazendo, em lugar de seguir cegamente o companheiro (a) de bancada. Química Orgânica I - Experimental 9 O estudante deve entregar um Pré-Relatório ao professor no início de cada aula para que este dê um visto. O estudante que não fizer o Pré-Relatório da experiência não deverá poder realizá-la. O formato para o caderno de laboratório consiste em duas partes: antes e depois do laboratório. Antes de uma sessão de laboratório é pertinente registrar em seu caderno (pré-relatório): 1. Título da experiência, Data, Objetivos. 2. Quando for o caso, escrever no caderno de laboratório equações balanceadas para as reações que serão feitas na experiência. 3. Um esboço breve (fluxograma) do procedimento a ser seguido em suas próprias palavras. 4. Tabela de constantes físicas para reagentes e produtos. Colocar o nome, peso molecular, fórmula estrutural as constantes físicas (ponto de fusão, ebulição, densidade, solubilidade) e a toxidez das substâncias que serão usadas em cada experiência. O melhor livro de consulta para a obtenção de constantes físicas é o Handbook of Chemistry and Physics, popularmente conhecido como "CRC" (qualquer edição pode ser utilizada, mas dê preferência à última edição disponível na biblioteca). A seção central, constantes físicas de compostos orgânicos, é organizada alfabeticamente, mas através de combinações do nome principal. Por exemplo, chlorocyclohexane pode ser encontrado abaixo de cyclohexane, chloro, e 2-methyl-2-propanol pode ser encontrado abaixo de 2- propanol, 2-methyl. O Catálogo do Merck Index também informa propriedades físicas. 5. Quando houver, cálculo do rendimento. 6. Cálculos de preparações de soluções. 7. Modo de descarte das substâncias a serem utilizadas na experiência ao término do trabalho. DURANTE O LABORATÓRIO Durante a sessão de laboratório deve ser registrado diretamente em seu caderno: Mudanças em operações, quantidades, equipamentos, etc. Peso bruto, tara, e pesos líquidos para reagentes e produtos. Observações, por exemplo: "a temperatura subiu acima do indicado"; "forma precipitado alaranjado"; etc. Química Orgânica I - Experimental 10 Dados obtidos, por exemplo: pontos de fusão, pontos de ebulição, etc. Não registre dados ou observações em folhas de papel separadas. Você pode argumentar que estes dados, reescritos mais tarde em seu caderno, conduzirão a um caderno mais limpo, mas a integridade ou a precisão dos dados poderia ser questionada ao copiar dados de rascunhos para o caderno de laboratório. Se os dados estão muito desorganizados ao serem registrados, você pode reescrevê- los na próxima página do caderno. Você estará montando um caderno de laboratório similar ao de profissionais de indústria e pesquisadores acadêmicos. Ao término da experiência faça o seguinte: Se for o caso, calcule o rendimento percentual do processo. Esboce um resumo breve da experiência. Neste parágrafo você deveria comparar as constantes físicas observadas com as registrados na literatura. Anote qualquer modificação na aparelhagem utilizada que você fizer durante a experiência. Armazene o seu produto, etiquetado usando dados do seu caderno: nome e a estrutura, P.F. ou P.E. observado, massa, seu nome. Ocasionalmente, você terá que deixar seu produto para secar até o próximo período de laboratório antes de você registrar o P.F. e/ou peso. ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO Uma vez terminada a experiência, esta será descrita pelo aluno na forma de relatório. Em se tratando de um relatório de uma disciplina de caráter experimental, obrigatoriamente, deverá conter a seguinte seqüência de itens: Capa: UFF, Instituto de Química, Departamento de Química Orgânica, Nome Completo do Professor, Título (frase breve e concisa que exprime o objetivo geral do experimento), Data, Autor. Introdução: fundamentação teórica, necessária ao entendimento e discussão dos resultados alcançados no experimento. Não deve ser uma cópia da teoria dos experimentos descrita neste guia. Objetivos: texto com no máximo cinco linhas, que exprime de modo conciso o que será feito no experimento. Química Orgânica I - Experimental 11 Parte Experimental: Descrever o procedimento experimental realmente utilizado para executar a experiência. Não deve ser uma cópia do texto experimental deste guia. Usar o pretérito perfeito dos verbos. Por exemplo: pesou-se, colocou-se, etc. Fazer um desenho manual dos materiais e equipamentos usados na experiência, numerando as peças e fazendo uso de uma legenda. Alguns professores preferem o desenho da aparelhagem no item resultados e discussão, informe-se com o seu professor sobre como proceder. Resultados e Discussão: Inicialmente deve-se fazer a apresentação de todas as observações colhidas em laboratório ou resultantes de cálculos de dados obtidos a partir destas. Apresentar rendimentos (utilizar dois algarismos significativos, por exemplo, 85% e não 84,9%; Lit.1 86%); Pontos de fusão, ebulição, valores de Rf. Apresentar um desenho das placas cromatográficas. Mostrar como foram efetuados os cálculos. Sempre que possível, os resultados devem ser apresentados na forma de gráficos, tabelas etc, de forma a facilitar a sua visualização. Após a apresentação dos resultados deve ser feita a discussão, que é uma argumentação sobre os dados obtidos levando-se em conta a teoria pertinente ao assunto; sempre comparando com os dados disponíveis na literatura. Discutir como os problemas encontrados no laboratório afetaram os resultados obtidos. A discussão é a parte mais importante do relatório e exige maior reflexão do estudante. Conclusão: Relatar se os objetivos da experiência foram atingidosde modo satisfatório ou não, se o método empregado foi ou não adequado ao experimento em questão, dizer o motivo. Resumo sobre as deduções feitas a partir dos resultados alcançados, enfatizando os mais significativos. Bibliografia: É a relação dos livros e artigos consultados para escrever o relatório. Para elaboração do relatório de Química Orgânica Experimental o aluno deve indicar no texto cada referência com um número cada vez que forem consultadas. A lista das referências deve ser numerada em ordem crescente (ou seja a primeira referência citada é a número 1), seguindo as normas da ABNT. Química Orgânica I - Experimental 12 SUGESTÃO DE CRONOGRAMA Aula Conteúdo 1 Apresentação da disciplina, apostila e noções de segurança 2 Elaboração de relatórios e reconhecimento de vidrarias 3 Solubilidade de compostos orgânicos 4 Recristalização e sublimação 5 Ponto de fusão e ebulição 6 Destilação simples 7 Destilação fracionada 8 Destilação por arraste a vapor 9 Extração de ácido-base 10 Extração sólido-líquido 11 Cromatografia em camada fina 12 Preparação dos seminários 13 Apresentação dos seminários 14 Prova final 15 Vista de prova 16 V.S. Química Orgânica I - Experimental 13 PRÁTICA NO 1 - SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 1. INTRODUÇÃO Solubilidade é a propriedade que uma substância tem de se dissolver espontaneamente em outra substância denominada solvente. Este é um componente cujo estado físico se preserva, quando a mistura é preparada ou quando está presente em maior quantidade. Os demais componentes da mistura são denominados solutos. Uma vez misturados, soluto e solvente formam uma mistura homogênea, também chamada de solução. Misturas homogêneas são aquelas em que não se distinguem os diferentes componentes, ou seja, apenas uma fase pode ser identificada. A quantidade de substância que se dissolve em determinada quantidade de solvente varia muito, em função das características das substâncias envolvidas e da compatibilidade entre elas (soluto e solvente). Quando a água é o solvente, algumas substâncias possuem solubilidade infinita, ou seja, misturam-se em qualquer proporção com a água. Outras possuem solubilidade limitada, outras insolúveis. Devido à sua capacidade de dissolver um grande número de substâncias, a água é considerada um “solvente universal”. Então, com relação a um dado solvente, as substâncias podem ser classificadas como: insolúveis, parcialmente solúveis ou solúveis. Podemos definir solubilidade como a concentração de soluto dissolvido em um solvente, em equilíbrio com o soluto não dissolvido, à temperatura e pressão especificadas. Em outras palavras, é a medida da quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida em um determinado solvente, formando uma solução. Essa solução é então dita saturada com relação ao soluto considerado. Levando em consideração a proporção entre soluto e solvente, as soluções podem ser classificadas em: - Soluções diluídas; - Soluções concentradas; - Soluções saturadas; - Soluções supersaturadas. Mas, atenção: o soluto não é necessariamente um sólido. Ele também pode ser líquido ou gasoso. O mesmo vale para o solvente, por exemplo, o ar que respiramos é uma solução na qual o componente presente em maior quantidade é o nitrogênio (78% em volume). Assim, esse gás pode ser considerado o solvente ao qual se encontra misturado oxigênio, gás carbônico e outros gases. Dois ou mais líquidos podem ser misturados para formar uma solução, sendo usual classificá-los como miscíveis ou imiscíveis. Quando dois líquidos se misturam em todas as proporções, eles são denominados miscíveis, como, por exemplo, a mistura água e álcool ou a mistura gasolina e álcool. Nesse caso, pode-se também dizer que a solubilidade de um líquido em outro é infinita. Quando dois líquidos não se misturam, eles são denominados imiscíveis, como por exemplo, a mistura água e tetracloreto de carbono (CCl4), ou a mistura água e óleo. Dois líquidos imiscíveis formam um sistema heterogêneo. Esses são aqueles em que os componentes presentes podem ser facilmente identificados, ou seja, duas ou mais fases são identificadas. Atenção! Os termos insolúvel e imiscível são relativos, isto é, nenhuma substância é 100% insolúvel ou 100 % imiscível. A influência da temperatura na solubilidade pode ser compreendida à luz do princípio de Le Chatelier. Se a dissolução for um processo endotérmico, que ocorre devido à absorção de calor, como no caso da dissolução do sal de cozinha (NaCl), a Química Orgânica I - Experimental 14 absorção de calor implica em deslocamento do equilíbrio para a direita. Com isso, aumenta a massa de cloreto de sódio na fase aquosa, ou seja, sua solubilidade aumenta com a temperatura. Na dissolução, as interações soluto-soluto e solvente-solvente são, pelo menos em parte, substituídas por interações soluto-solvente. Para que a dissolução seja energeticamente favorável, é necessário que essas novas interações sejam mais fortes e/ou mais numerosas do que as anteriores. Portanto, o tamanho molecular (ou iônico), a polaridade (ou carga), as interações intermoleculares e a temperatura são fatores que se destacam na determinação da solubilidade e devem ser considerados no seu entendimento. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAIS E REAGENTES - Éter etílico - Estante com 10 tubos de ensaio - Solução de NaHCO3 a 5% - Provetas de 10 mL - Solução de NaOH a 5% - Pipetas de 1 mL - Solução de HCl a 5% - Pipetas de 5 mL ou 10 mL - Ácido fosfórico 85% - Pisseta - Ácido sulfúrico concentrado - Espátula PROCEDIMENTO Colocar 0,2 mL de soluto, amostra no 1, em tubo de ensaio limpo e seco. Adicionar 3 mL e solvente na ordem indicada pelo esquema, começando com a água. Agitar vigorosamente e verificar se foi solúvel pela formação de mistura homogênea no primeiro caso e heterogênea no segundo. Se a amostra for solúvel neste solvente colocar uma nova quantidade de 0,2 ml do soluto, amostra no 1, em um novo tubo de ensaio e adicionar 3 mL de éter. Dependendo da solubilidade no éter, a amostra poderá ser enquadrada no grupo ou Observação: Quando a amostra for sólida usar aproximadamente 0,1 g para 3,0 mL do solvente. Proceder da mesma maneira com as demais amostras até determinar o grupo a que pertencem. As amostras 1, 2, 3 e 4 não tem N e nem S. A amostra 5 tem N e S. GRUPO I - Compostos Solúveis em água e éter Compostos de baixo massa molar, geralmente compostos mono funcionais com cinco átomos de carbono ou menos: álcoois, aldeídos, cetonas ácidos, éteres, fenóis, anidridos, aminas, nitrilas, fenóis polihidroxilados. GRUPO II - Compostos solúveis em água, mas insolúveis em éter Compostos de massa molar moderada com até seis carbonos e dois ou mais grupos polares: glicois, álcoois polihidroxilados, ácidos hidroxilados, aldeídos e cetonas polihidroxilados (açúcares), algumas amidas, aminoácidos, compostos di e poliamino, amino álcoois, ácidos sulfônicos ácidos sulfínicos e sais. Química Orgânica I - Experimental 15 GRUPO IIIA - Compostos solúveis em solução de hidróxido de sódio a 5% e bicarbonato de sódio a 5% Ácidos carboxílicos e sulfônicos, geralmente com 10 carbonos ou menos, tribromofenol simétrico, 2,4-dinitrofenol e o ácido pícrico. GRUPO IIIB - Compostos solúveis em solução de NaOH a 5% e insolúveis em solução de NaHCO3 a 5%. Ácidos, fenóis, imidas, alguns nitroderivados primários e secundários, oximas, mercaptanas e tiofenóis,ácidos sulfônicos e sulfínicos, sulfúricos e sulfonamidas, algumas cetonas e 3-cetoésteres. GRUPO IV - Compostos insolúveis em água e solúveis em HCl a 5% Aminas primárias, arilalcoilaminas e amidas alifáticas secundárias, aminas alifáticas e algumas arilalcoilaminas terciárias, hidrazinas. GRUPO VA VB E VI - Incluem compostos neutros que não apresentam enxofre e nitrogênio. GRUPO VA - Compostos neutros, insolúveis em água mas solúveis em ácido sulfúrico concentrado e ácido fosfórico a 85% Álcoois, aldeídos, metilcetonas e ésteres que tem menos do que nove átomos de carbono, lactonas e ésteres. GRUPO VB - Compostos neutros solúveis em H2SO4 concentrado e insolúveis em H3PO4 a 85%. Cetonas, ésteres, hidrocarbonetos insaturados. GRUPO VI - Compostos e insolúveis em água e também em outros solventes chaves. Hidrocarbonetos alifáticos saturados, hidrocarbonetos parafínicos cíclicos, hidrocarbonetos aromáticos, derivados halogenados destes compostos e ésters diarílicos. GRUPO VII - Compostos insolúveis em água em HCl a 5% e NaOH a 5% Compostos neutros que contém enxofre e nitrogênios; halogênios podem também estar presentes, nitrocompostos, amidas, nitrilas, aminas, nitroso, azo e hidrazo e outros produtos intermediários de redução de nitroderivados, sulfonas sulfonamidas de aminas secundárias, sulfetos, e outros compostos contendo enxofre. Química Orgânica I - Experimental 16 ESQUEMA PARA CLASSIFICAÇÃO DO GRUPO DE SOLUBILIDADE ATENÇÃO! Os solventes estão mercados com asteriscos no esquema. O ácido sulfúrico e fosfórico são corrosivos, muito cuidado quando usá-los. Não os aspire, meça- os com proveta. AMOSTRA H2O* Insolúvel Solúvel Éter* Solúvel Grupo I Insolúvel Grupo II NaHCO3* 5% InsolúvelSolúvel NaOH* 5% Solúvel Grupo IIIA Insolúvel Grupo IIIB HCl* 5% Presença de N e S Ausência de N e S H2SO4* conc. Solúvel Solúvel Grupo IV Insolúvel Insolúvel Grupo VI H3PO4* 85% Solúvel Grupo VA Insolúvel Grupo VB Grupo VII Química Orgânica I - Experimental 17 3. QUESTIONÁRIO 1. Qual o significado da expressão “semelhante dissolve semelhantes”? 2. Benzeno, anilina, querosene, não se dissolvem em água. Por outro lado ácido acético e etanol se dissolvem. Por quê? 3. Por que a anilina é insolúvel em água e solúvel em solução de HCl a 5%? 4. O ácido benzóico é solúvel tanto em solução aquosa de NaOH a 5% quanto em NaHCO3 a 5% o p-cresol por sua vez é solúvel apenas na NaOH a 5% enquanto que o ciclo-hexanol não é solúvel em NaOH, nem em NaHCO3. Como se explicam estes fatos? 5. Que se entende por calor de solução? Química Orgânica I - Experimental 18 PRÁTICA NO 2 - PURIFICAÇÃO DE SÓLIDOS: RECRISTALIZAÇÃO E SUBLIMAÇÃO RECRISTALIZAÇÃO 1. INTRODUÇÃO Em geral, sólidos são mais solúveis em solventes à quente que em solventes a frio. A quantidade máxima de sólido que se dissolverá por unidade de volume de solvente (solubilidade) depende da temperatura. Quanto mais alta a temperatura maior a quantidade de sólido que se dissolverá por volume de solvente. Diminuindo-se a temperatura diminui a solubilidade do sólido no solvente. Assim, se uma solução saturada quente é esfriada, o soluto em excesso é forçado a precipitar (cristalizar) da solução. No processo da recristalização, dissolve-se um sólido impuro na quantidade apropriada de solvente quente (o mínimo possível). Filtra-se por gravidade a solução quente resultante, removendo-se o material insolúvel e esfriando-se lentamente para forçar o sólido desejado a cristalizar. Os cristais então são separados do líquido por filtração a vácuo. As impurezas solúveis e uma pequena quantidade do sólido desejado permanecem em solução na "água mãe". Se o processo for conduzido com os devidos cuidados, o sólido recristalizado é mais puro do que era antes de recristalização. Isto é verdadeiro mesmo que uma impureza tenha a mesma solubilidade no solvente que o sólido desejado, contanto que a impureza esteja presente numa concentração menor que o sólido desejado. Quando a solução esfria, é provável que o sólido desejado comece a cristalizar antes que a impureza. A partir do momento em que os cristais começam a se formar, os cristais que crescem excluem moléculas estranhas (impurezas). Os cristais puros resultam de um crescimento relativamente lento. Um bom solvente para recristalização deve: Não reagir com o sólido desejado Ser facilmente removido do sólido desejado Dissolver uma quantidade relativamente grande de sólido desejado a temperaturas altas (normalmente o ponto de ebulição) ou não dissolver nada Dissolver impurezas em todas as temperaturas ou não dissolver nada Pode não haver um único solvente com todas as características desejadas para permitir uma recristalização satisfatória de um sólido em particular. Quando isso acontece utiliza-se um par de solventes (mistura de dois líquidos). Por exemplo, naftaleno dissolve- se facilmente em etanol, mas é totalmente insolúvel em água. Entretanto, adicionando-se água a uma solução etanólica de naftaleno, diminui-se a solubilidade do naftaleno de tal modo que se recupera muito mais naftaleno quando se esfria a solução, em relação à quantidade que seria recuperada se não fosse adicionada a água. Muitos precipitados orgânicos são bem volumosos e filtram muito lentamente por gravidade. Portanto, em química orgânica usa-se preferencialmente a filtração a vácuo ao invés da filtração por gravidade. Durante uma reação química, podem ser produzidas substâncias contaminantes coloridas ou odoríferas. Pode-se remover estes contaminantes adicionando-se uma Química Orgânica I - Experimental 19 pequena quantidade de carvão ativado à solução quente. O carvão absorve os contaminantes coloridos ou odoríferos junto com uma pequena quantidade do produto desejado (assim, somente uma pequena quantidade de carvão deve ser utilizada). O carvão e outras impurezas insolúveis são então removidos por filtração enquanto a solução ainda está quente (neste caso costuma-se utilizar a filtração por gravidade com papel de filtro pregueado). 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAIS E REAGENTES - Ácido benzóico - Placa de Petri - Carvão ativado - Funil de vidro sem haste - Bastão de vidro - Papel de filtro - Base de ferro - Anel de ferro - Placa de aquecimento - Funil de vidro com haste - Balança analítica - Suporte universal - Béquer de 250 mL - Garras e mufas - Erlenmeyer 250 mL - Espátula - Proveta de 100 mL PROCEDIMENTO Em um erlenmeyer de 250 mL aquecer 100 mL de água destilada. Num outro erlenmeyer colocar 1,0g de ácido benzóico a ser recristalizado e algumas pedrinhas de porcelana porosa. Adicionar, aos poucos, a água quente sobre o ácido benzóico até que este seja totalmente dissolvida (use a menor quantidade de água possível). Adicionar 20mg de carvão ativo - aproximadamente 2% em peso - (não adicione o carvão ativo à solução em ebulição) e ferver por alguns minutos. Filtrar a solução quente por gravidade através de papel filtro pregueado (Figura 1) para remover as impurezas insolúveis e o carvão ativo. Colocar o frasco de Erlenmeyer com a solução saturada quente, para esfriar lentamente na bancada em cima de uma tela de amianto. Depois que os cristais começarem a se formar e a soluçãoestiver fria, colocar o frasco de Erlenmeyer num banho de gelo. Adicionalmente, resfriar uma pequena quantidade do solvente utilizado na recristalização. Coletar os cristais formados por filtração a vácuo usando um funil de Büchner e frasco de filtração (Figura 2). Prenda o frasco de filtração num suporte universal com o auxílio de garra e mufa para evitar uma queda acidental. Enquanto a sucção estiver sendo aplicada, lavar os cristais com um pouco do solvente que você esfriou previamente. Continuar o processo de sucção até que o máximo de líquido possível tenha sido removido. Desligar o vácuo cautelosamente. Raspar suavemente os cristais sobre um vidro de relógio ou papel de filtro e deixe- os secar ao ar tanto quanto possível (coloque-os sob um béquer grande para protegê-los de sujeira). Colocar o sólido seco num frasco de vidro previamente pesado. Determinar o rendimento, porcentagem de recuperação, e o ponto de fusão do material purificado. Química Orgânica I - Experimental 20 Figura 1: Representação do modo de fazer um papel de filtro pregueado. Figura 2: Aparelhagem para filtração a vácuo. Química Orgânica I - Experimental 21 SUBLIMAÇÃO 1. INTRODUÇÃO Do mesmo modo que para um líquido, a pressão de vapor em um sólido pode variar com a temperatura. Devido a este comportamento, alguns sólidos podem passar diretamente da fase vapor sem passar através de uma fase líquida. Este processo é chamado de sublimação. Como o vapor pode ser ressolidificado, o ciclo total da vaporização-solidificação pode ser usado como um método de purificação. Entretanto, esta purificação só pode ser feita com sucesso se as impurezas no sólido tiverem menor pressão de vapor que o material a ser sublimado. A sublimação é geralmente uma propriedade de substâncias não muito polares que tem estruturas altamente simétricas. Os compostos simétricos têm altos pontos de fusão e altas pressões de vapor. A facilidade com a qual uma substância pode escapar do estado sólido é determinada pela forças intermoleculares. Estruturas moleculares simétricas têm uma distribuição uniforme de densidade eletrônica e um pequeno momento dipolar. O resultado é uma alta pressão de vapor devido às pequenas forças atrativas eletrostáticas no cristal. O fato de não ser necessário o uso de solvente é uma vantagem da sublimação frente à recristalização. A sublimação também remove o material ocluído no cristal, como moléculas de solvente por exemplo. Embora a sublimação seja uma técnica mais rápida, ela não é seletiva. Em misturas de sólidos que possuem pressões de vapor semelhantes, o resultado é que haverá pouca separação. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAIS E REAGENTES - Iodo - Garras e mufas - Naftaleno - Placa de aquecimento - Sublimador - Balança analítica - Dedo frio - Béquer de 50 mL - Bastão de vidro - Placa de Petri - Suporte universal - Espátula PROCEDIMENTO Colocar uma pequena quantidade do sólido impuro que o seu professor indicar, no fundo do sublimador. Ajustar o dedo frio ao sublimador e adaptar as mangueiras de água conforme indicado na Figura 3. Ligar o fluxo de água. Quando tudo estiver montado iniciar o aquecimento com a chama mais fraca do bico de Bunsen. Se o aquecimento for muito forte a amostra pode fundir ao invés de sublimar. Quando o processo terminar, esperar a aparelhagem esfriar e desconectar cuidadosamente o dedo frio do sublimador. Raspar os cristais que condensaram no dedo frio e guardar em frasco adequado. Faça uma medida de ponto de fusão conforme instrução do seu professor. Química Orgânica I - Experimental 22 Figura 3: Equipamento para sublimação. 3. QUESTIONÁRIO 1. Em que princípio se baseia o processo de recristalização? 2. Defina os seguintes termos: solução não saturada solução saturada solução supersaturada solubilidade concentração filtrado água-mãe precipitado 3. Liste quatro propriedades que um bom solvente para recristalização deve ter. 4. Por que às vezes é necessária uma mistura de dois solventes para uma recristalização? 5. Explicar por que se dá preferência à filtração à vácuo ao invés de filtração por gravidade em química orgânica. 6. Por que freqüentemente se adiciona uma pequena quantidade de carvão ativo à solução quente que contém o sólido desejado antes da solução ser filtrada para remover impurezas insolúveis (antes que ocorra a cristalização do sólido desejado)? 7. (a) Por que a substância recristalizada é lavada com solvente enquanto está no filtro? (b) por que o solvente usado nesta etapa deve estar gelado? 8. Ao recuperar-se 3.60 g de ácido benzóico puro de uma amostra de 5.00 g, qual é a de porcentagem de recuperação do ácido? 9. O que previne impurezas solúveis de aparecerem no produto final durante a recristalização? 10. Suponha que nem todo o solvente foi removido de um sólido recristalizado. Qual seria o efeito no ponto de fusão do sólido? Química Orgânica I - Experimental 23 PRÁTICA NO 3 - PONTO DE FUSÃO E EBULIÇÃO CALIBRAÇÃO DE UM TERMÔMETRO Quando se faz uma determinação de ponto de fusão e/ou ebulição, espera-se obter um resultado que concorde exatamente com o resultado publicado em uma obra de referência ou em um artigo científico. Entretanto, pode ocorrer uma diferença de alguns graus entre o valor medido e o valor descrito na literatura. Esta diferença não significa necessariamente que o experimento foi realizado incorretamente ou que o material utilizado estava impuro; ao invés disto pode indicar que o termômetro utilizado para a determinação apresentou um erro. A maioria dos termômetros não mede a temperatura com precisão. Para se determinar valores precisos de pontos de fusão e ebulição é necessário que o termômetro a ser utilizado seja calibrado. Esta calibração pode ser feita utilizando-se os pontos de fusão e ebulição da água (0 °C e 100 °C) respectivamente. Pode-se também calibrar um termômetro determinando-se os pontos de fusão de várias substâncias puras utilizadas como padrões, com o termômetro que se deseja calibrar. Em qualquer um dos casos mencionados acima é necessária a confecção de um gráfico da temperatura observada versus o valor da temperatura publicada para cada substância padrão. Desenha-se uma curva suave através dos pontos para completar o gráfico. Este gráfico pode então ser utilizado para corrigir qualquer temperatura medida com este termômetro. A Figura 1 ilustra uma curva de calibração, utilizando como exemplo os valores para o gelo, vapor de água e acetanilida e um termômetro que apresenta uma diferença de 1°C. Cada termômetro requer a sua própria curva de calibração. Figura 1: Exemplo de uma curva de calibração de um termômetro. Química Orgânica I - Experimental 24 PONTO DE FUSÃO 1. INTRODUÇÃO Identificar um composto desconhecido pode ser uma tarefa tediosa. Ao identificar um composto, um químico freqüentemente mede várias propriedades físicas1 e observa umas poucas propriedades químicas2 deste composto. A razão para se determinar várias propriedades físicas e químicas dos compostos é devido à possibilidade de dois compostos diferentes terem algumas propriedades químicas e físicas em comum; mas é altamente improvável que dois compostos tenham quase todas as propriedades químicas e físicas idênticas3. Propriedades físicas úteis que freqüentemente são utilizadas por químicos na identificação de um composto orgânico incluem cor, odor, estado físico, ponto de fusão (P.F.), densidade (d), ponto de ebulição(P.E.), índice de refração (nD), espectro na região do infravermelho (IV), espectro de ressonância magnética nuclear (RMN) e espectro na região do ultravioleta (UV)4. Constantes físicas são valores numéricos medidos no momento em que se observa certa propriedade física. Como as propriedades físicas são determinadas sob condições padrões (temperatura, pressão, etc.), elas são invariáveis ajudando a determinar a identidade de substâncias desconhecidas. Existem diversas obras de referência contendo tabelas de propriedades e constantes físicas de compostos que são extremamente úteis para identificar compostos desconhecidos. Uma de uso comum é o Handbook of Chemistry and Physics publicado pela Chemical Rubber Company (CRC). Se as propriedades físicas de um composto desconhecido são idênticas às propriedades físicas de um composto listado nas tabelas, os dois compostos serão provavelmente o mesmo. Assim, um composto líquido incolor com um ponto de fusão de 5,5 ºC, um ponto de ebulição (a 760 mm Hg) de 80,1 ºC, e nD = 1,5011 a 20 ºC deve ser benzeno, embora para termos certeza seria necessário fazer mais algumas observações. Entretanto, não é possível prever exatamente as propriedades físicas de compostos sintetizados ou isolados recentemente. Portanto, tabelas de propriedades físicas só são úteis para identificar compostos previamente conhecidos. Contudo, informações úteis como a identidade do composto e sua pureza podem ser obtidas a partir do seu ponto de fusão. Sólidos cristalinos são compostos de átomos, íons, ou moléculas num padrão geométrico altamente ordenado (matriz cristalina). Os átomos, íons ou moléculas são mantidos em suas posições por forças eletrostáticas, tipo forças de London e/ou dipolo- dipolo. Quando um sólido puro cristalino é aquecido, os átomos, íons ou moléculas vibram 1 Propriedades Físicas são as propriedades que podem ser observadas ou podem ser medidas sem mudança da composição da substância. 2 Propriedades Químicas são as propriedades observadas quando uma substância se transforma quimicamente em outra. 3 Uma exceção ocorreria se os dois compostos fossem enantiômeros. 4 Espectros (RMN, IV, UV, etc.) são gráficos de intensidade de absorção versus comprimento de onda ou freqüência, quando a radiação eletromagnética de comprimento de onda adequado incide em uma amostra. Química Orgânica I - Experimental 25 mais e mais rapidamente até que numa temperatura definida o movimento térmico das partículas torna-se suficientemente grande para sobrepujar as forças de atração. Então os átomos, íons ou moléculas entram um estado móvel mais casual, o estado líquido. O ponto de fusão de um sólido é definido como a temperatura em que o líquido e a fase sólida estão em equilíbrio5. O ponto de congelamento de um líquido é a mesma temperatura do ponto de fusão de seu sólido. Entretanto, pontos de congelamento raramente são medidos na prática porque são mais difíceis de determinar, pois a solidificação pode não ocorrer na temperatura correta devido ao fenômeno de super resfriamento6. Na prática, a maioria dos pontos de fusão é determinada como pontos de fusão capilares, que podem ser feitos rapidamente com uma pequena quantidade de amostra. Um ponto de fusão capilar é definido como a faixa de temperatura na qual uma pequena quantidade de um sólido em um tubo de parede capilar inicialmente “amolece” (primeira gota de líquido)7 e então se liquefaz completamente. Pontos de fusão registrados em obras de referência são pontos de fusão capilares a menos que seja declarado o contrário. Um sólido tem uma fusão bem definida se a faixa de ponto de fusão obtida varia em torno de 0,5–1,0 ºC. Um sólido puro apresenta uma fusão bem definida porque as forças de atração entre suas partículas são as mesmas. Entretanto, a presença de uma impureza numa matriz cristalina interrompe a sua estrutura uniforme e enfraquece as forças de atração. Um sólido impuro funde em uma temperatura mais baixa e em uma faixa mais ampla. Assim, o ponto de fusão de um sólido é útil tanto na identificação de uma substância como também é uma indicação de sua pureza. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Tubo de Thiele - Bico de Bunsen - Termômetro - Vidro de relógio - Óleo mineral ou glicerol - Suporte universal - Anel de borracha - Garras e mufas - Tubo capilar PROCEDIMENTO Obtenha um composto desconhecido com o seu professor. Triture uma pequena quantidade do composto cujo ponto de fusão será determinado e coloque em um vidro de relógio. Feche uma das extremidades de um tubo capilar usando um bico de Bunsen. 5 Um sistema está em equilíbrio quando dois processos opostos (por exemplo: fusão e solidificação) ocorrem na mesma velocidade. 6 Superesfriamento ocorre quando um líquido esfria abaixo de seu ponto de congelamento e não se solidifica. 7 Alguns sólidos começam a "suar" alguns graus abaixo de seus pontos de fusão verdadeiros. Outros sólidos repentinamente encolhem logo antes de fundir. O encolhimento de um sólido quando aquecido é chamado de sinterização. Entretanto nenhum destes fenômenos é fusão. Química Orgânica I - Experimental 26 Para empacotar o tubo, pressione gentilmente a extremidade aberta contra a amostra pulverizada. Os cristais vão aderir na extremidade aberta do tubo. Para transferir os cristais para a extremidade fechada do tubo, solte o capilar (com a extremidade selada voltada para baixo) através de um tubo de vidro de aproximadamente 60 cm apoiado na bancada. Quando o capilar bater na bancada os cristais irão para o fundo do tubo. Repita o procedimento até acumular uma amostra de 1-2 mm de altura no fundo do tubo capilar. Bater o capilar na bancada com os dedos não é recomendado, pois se o capilar se quebrar o vidro poderá penetrar nos dedos. Prepare dois tubos capilares contendo o desconhecido. Monte uma aparelhagem para determinação de ponto de fusão usando um tubo de Thiele e termômetro como ilustrado na Figura 1 abaixo. O tubo deve ser preenchido com óleo mineral até um nível não mais de um centímetro acima da parte superior do braço lateral. Adapte o termômetro numa rolha de cortiça. Junte ao termômetro com um pequeno anel de borracha um tubo capilar contendo a amostra cujo ponto de fusão será determinado. Posicione o tubo capilar de modo que a porção cheia fique adjacente ao bulbo do termômetro. A faixa de borracha deve ser colocada meio centímetro abaixo do topo do capilar. Apóie a cortiça que segura o termômetro através de uma garra, de modo a centralizar o termômetro no óleo com o bulbo a aproximadamente uns dois centímetros do fundo da porção reta do tubo de Thiele. Tome cuidado para que o anel de borracha que segura o tubo capilar permaneça acima do nível do óleo durante toda a determinação. Aqueça o óleo com uma chama moderada de um bico de Bunsen, dirigindo-a para a lateral do tubo como mostrado na Figura 1. Determine um ponto de fusão aproximado para ele usando o primeiro tubo e uma taxa de aquecimento de 15-20 graus por minuto. Então deixe o banho esfriar a pelo menos 20 graus abaixo deste ponto de fusão aproximado e use o segundo tubo para obter um ponto de fusão exato com uma taxa de aquecimento de não mais que 3 graus por minuto. Registre a faixa de temperatura da primeira evidência visível de líquido (a amostra parece úmida, ou uma gota minúscula de líquido é observada) até a liquefação completa da amostra. A observação e o registro do comportamento do composto durante a fusão devem ser feitas com cuidado,como por exemplo: funde nitidamente a 89,0-89,5 ºC; ou P.F. 131-133 ºC, com decomposição; ou descolore a 65ºC, funde lentamente a 67-69 ºC. Uma vez determinado o ponto de fusão para o seu composto desconhecido, decida qual composto ele poderia ser dentre uma lista de possibilidades fornecida pelo seu professor. Química Orgânica I - Experimental 27 Figura 1: Determinação do ponto de fusão usando o tubo de Thiele. PONTO DE EBULIÇÃO 1. INTRODUÇÃO Conforme um líquido é aquecido, a pressão de vapor do líquido aumenta até o ponto onde ela se iguala à pressão aplicada (normalmente a pressão atmosférica). Neste ponto observa-se a ebulição do líquido. O ponto de ebulição normal é medido a 760 mmHg. Em uma pressão mais baixa, a pressão de vapor necessária para ocorrer a ebulição também será mais baixa, e o liquido entrará em ebulição a uma temperatura menor. Em outras palavras, o ponto de ebulição de um líquido pode ser definido como a temperatura na qual a pressão do vapor do líquido é igual à pressão externa na superfície do líquido, e também como a temperatura na qual o líquido está em equilíbrio com a sua fase vapor naquela pressão. O ponto de ebulição (a uma determinada pressão) é uma propriedade característica de um líquido puro, da mesma maneira que o ponto de fusão é uma propriedade característica de um sólido cristalino puro. Entretanto, ao se determinar um ponto de ebulição a pressão deve sempre ser registrada, ao contrário das determinações de pontos de fusão. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Tubo de Thiele - Anel de borracha - Termômetro - Tubo capilar - Óleo mineral ou glicerol - Bico de Bunsen Química Orgânica I - Experimental 28 - Tubo de ensaio - Suporte universal - Proveta - Garras e mufas PROCEDIMENTO Obtenha um composto desconhecido com o seu professor. Para determinar-se o ponto de ebulição de um material que você dispõe em pequena quantidade, ajusta-se um micro tubo de ensaio a um termômetro por meio de um pequeno anel de borracha. Utilizando-se uma pipeta Pasteur, coloque no micro tubo o líquido cujo ponto de ebulição será determinado. Introduza no líquido um tubo capilar com uma de suas extremidades fechada de modo que a extremidade aberta deste fique voltada para baixo. Coloque este conjunto em um tubo de Thiele conforme indicado na Figura 1. Ao colocar o conjunto no tubo de Thiele tome os mesmos cuidados que na determinação de ponto de fusão para evitar que o anel de borracha se rompa e o conjunto caia dentro do óleo. Em seguida aqueça lentamente o tubo de Thiele até que uma corrente de bolhas suba rápida e continuamente do tubo capilar. Interrompa o aquecimento nesse momento. Em breve o fluxo de bolhas diminuirá e cessará. Quando as bolhas pararem de sair e o líquido entrar no tubo capilar anote a temperatura, pois este é o ponto de ebulição do líquido. Figura 1: Determinação de ponto de ebulição. POSSÍVEIS PROBLEMAS APRESENTADOS PELO MÉTODO Quando o líquido é superaquecido ele evapora totalmente e não se consegue fazer a medida. Quando o aquecimento é interrompido antes do ponto de ebulição, o líquido entra no tubo capilar imediatamente, fornecendo um ponto de ebulição aparente que é muito baixo. Certifique-se de eliminar o aquecimento apenas após a observação de um fluxo contínuo de bolhas, bastante rápido de modo que bolhas individuais possam ser distintas. Química Orgânica I - Experimental 29 Se o tubo capilar for muito “leve”, o borbulhar do líquido pode fazer com que ele fique boiando na superfície do mesmo. 3. QUESTIONÁRIO 1. Liste seis propriedades físicas de compostos orgânicos que freqüentemente são medidas para se tentar identificar um composto. 2. Liste duas utilidades do ponto de fusão de um composto orgânico sólido. 3. Qual é o efeito de uma pequena quantidade de impureza no ponto de fusão de um composto orgânico? 4. Por que a amostra no tubo capilar de ponto de fusão tem que estar empacotada firmemente? 5. Por que a porção cheia do tubo capilar deve ser colocada encostada ao bulbo de mercúrio do termômetro? 6. Por que pontos de sublimação e decomposição são menos úteis a um químico do que um ponto de fusão? 7. O ponto de congelamento de uma substância tem o mesmo valor numérico de seu ponto de fusão; medir ponto de fusão é prática rotineira, mas ponto de congelamento não. Por quê? Química Orgânica I - Experimental 30 PRÁTICA NO 4 - DESTILAÇÃO SIMPLES E FRACIONADA DESTILAÇÃO SIMPLES 1. INTRODUÇÃO O processo da destilação consiste no aquecimento de um líquido até seu ponto de ebulição, conduzindo-se os vapores a um dispositivo refrigerado onde se permite que condensem e coletando-se o líquido condensado. A destilação é o método mais comum usado na separação e purificação de líquidos, principalmente quando os componentes da mistura têm pontos de ebulição bem diferentes ou quando um dos componentes não destila. Quatro métodos básicos de destilação estão disponíveis ao químico: a destilação simples, a destilação fracionada, a destilação à pressão reduzida ou à vácuo e a destilação por arraste a vapor. Se um líquido for mantido em um recipiente fechado, algumas moléculas escapam da superfície do líquido para o espaço acima dele. Quando o equilíbrio se estabelece, o número das moléculas que escapam do líquido iguala-se o número das moléculas no vapor que atingem a superfície líquida e a elas se juntam. As moléculas no vapor também atingem as paredes do recipiente e exercem uma pressão, definida como a pressão de vapor do líquido. Se aumentarmos a temperatura do líquido, um número maior de moléculas escapa para a fase de vapor até que o equilíbrio seja novamente restabelecido; a pressão de vapor do líquido aumenta com o aumento de temperatura. Na destilação, a mistura a ser destilada é colocada em um balão de destilação (balão de fundo redondo) e aquecida, fazendo com que o líquido de menor ponto de ebulição seja vaporizado e então, condensado, retornando a líquido (chamado de destilado ou condensado) e coletado em um frasco separado. Numa situação ideal, o componente de menor ponto de ebulição é coletado em um recipiente, e outros componentes de pontos de ebulição maiores permanecem no balão original de destilação como resíduo. Com líquidos de pontos de ebulição muito próximos, o destilado será uma mistura destes líquidos com composição e pontos de ebulição variáveis, contendo um excesso do componente mais volátil (menor ponto de ebulição) no final da separação. A destilação simples é uma das operações de uso mais comum na purificação de líquidos e consiste, basicamente, na vaporização de um líquido, seguida da condensação do vapor formado. Quando uma substância pura é destilada a pressão constante, a temperatura do vapor permanece constante durante toda a destilação. O mesmo comportamento é observado com misturas contendo um líquido e uma impureza não volátil, uma vez que o material condensado não está contaminado pela impureza. No caso de misturas líquidas homogêneas (soluções ideais), a pressão total do vapor, a uma dada temperatura, é igual à soma das pressões parciais de todos os componentes. A pressão parcial de cada componente é dada pela Lei de Raoult: PA = PAº . XA Química Orgânica I - Experimental 31 onde PAº é a pressão de vapor do componente A puro e XA a fração molar de A na mistura. A composição de vapor da mistura em relação a cadacomponente depende também das pressões parciais, segundo a Lei de Dalton: XA´ = PA/(PA + PB) onde XA´é a fração molar do componente A na fase vapor, PAº é a pressão de vapor do componente A puro e PBº é a pressão de vapor do componente B puro. A combinação das Leis de Raoult e Dalton revela que, para uma mistura ideal, o componente mais volátil tem maior fração molar na fase vapor que na fase líquida, em qualquer temperatura. Para uma solução ideal, o ponto de ebulição da mistura é definido como a temperatura na qual a soma das pressões parciais dos componentes é igual à pressão atmosférica. A Figura 1, a seguir, mostra a dependência do ponto de ebulição da mistura com a composição, para a mistura tetracloreto de carbono/tolueno. Figura 1: Diagrama de ponto de ebulição: tetracloreto de carbono e tolueno O ponto de ebulição no início da destilação, dado pela ordenada, corresponde à interseção entre a vertical traçada a partir do ponto correspondente à composição da mistura e a curva que corresponde à fase líquida. A composição de vapor é obtida traçando-se uma horizontal a partir do ponto de ebulição até a curva de composição do vapor e, daí, uma vertical até o eixo da abscissa (composição). Por exemplo, uma mistura que contém uma porcentagem molar de 50% de tetracloreto de carbono em tolueno entra em ebulição a 90ºC, com uma composição inicial de vapor correspondente a 70% molar em tetracloreto de carbono. Durante a destilação, todavia, a fase líquida se enriquece cada vez mais no componente mais volátil, refletindo em um aumento gradual do ponto de ebulição da mistura. Os fatos descritos acima indicam que a destilação simples só deve ser empregada na purificação de misturas de líquidos em que só um dos componentes é volátil. Química Orgânica I - Experimental 32 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL NOTAS E CUIDADOS EXPERIMENTAIS 1. Antes de introduzir um termômetro ou um tubo de vidro em uma rolha ou mangueira de borracha: i) certifique-se que o furo é grande o suficiente para acomodar o vidro ou o termômetro. ii) lubrifique o vidro (ou o termômetro), e a borracha com glicerina ou vaselina. iii) proteja suas mãos prendendo a rolha e o termômetro em uma toalha. Segure a rolha com seus dedos e NÃO NA PALMA DA SUA MÃO. iv) segure o termômetro perto da extremidade que deve entrar na rolha e gire com uma pressão uniforme. Não tente empurrar ou puxar tubos de vidro ou os termômetros de mangueiras de borracha, de cortiças ou de rolhas que se tornaram duras. Corte a borracha ou cortiça que envolve o vidro. 2. Ao abrir o fluxo de água através do condensador não abra a torneira totalmente! Um fluxo suave será o suficiente. 3. NÃO permita que a destilação prossiga até a secura completa - isto é MUITO PERIGOSO. Deixe sempre um pouco do líquido no balão de destilação. 4. NÃO conecte a manta de aquecimento diretamente na tomada - use o reostato na bancada. MATERIAS E REAGENTES - Manta para balão de 250 mL - Acetona - Balão de 250 mL - Mangueiras - Termômetro - Proveta - Pedrinhas de porcelana - Suporte universal - Condensador de Liebig - Garras e mufas - Água PROCEDIMENTO Preparar 150 mL de uma solução de Acetona em Água 1:1, transferir para um balão de 250 mL e adicionar algumas pedras de porcelanas. Montar a aparelhagem para destilação simples, conforme a Figura 2 e destilar lentamente a solução, de tal modo que a velocidade de destilação seja constante e não mais que uma gota do destilado por 3 segundos. Recolher o destilado em uma proveta graduada. Anotar a temperatura inicial de destilação, quando as primeiras gotas do destilado alcançarem o condensador. Continuar a destilação, anotando a temperatura a cada 5 mL do destilado. A partir destes dados, construir um gráfico lançando na abscissa o volume do destilado após intervalos de 5 mL e, na ordenada, a temperatura de destilação observada naquele ponto. Comparar com o gráfico obtido na destilação fracionada. Química Orgânica I - Experimental 33 Figura 2: Aparelhagem para uma destilação simples. DESTILAÇÃO FRACIONADA 1. INTRODUÇÃO Quando se destila uma mistura líquida homogênea ideal, as primeiras frações do destilado apresentam uma composição mais rica no componente mais volátil. Ao longo da destilação o ponto de ebulição da mistura eleva-se gradualmente, pois a composição do vapor vai se tornando mais rica no componente menos volátil. Para purificar misturas deste tipo, seria necessário separar as primeiras frações do destilado, ricas no componente mais volátil. Estas frações seriam novamente destiladas e as primeiras frações novamente separadas. Este procedimento teria que ser repetido várias vezes até que as primeiras frações do destilado contivessem apenas o componente mais volátil. O processo acima descrito é a operação denominada destilação fracionada, mais bem executada com a utilização de uma coluna de fracionamento colocada entre o bolão e a cabeça de destilação, como mostrado na Figura 3. A coluna de fracionamento, Figura 4, consiste essencialmente em um longo tubo vertical através do qual o vapor sobe e é parcialmente condensado. O condensado escoa pela coluna e retorna ao balão. Dentro da coluna, o líquido, que volta, entra em contato direto com o vapor ascendente e ocorre um intercâmbio de calor, pelo qual o vapor é enriquecido com o componente mais volátil. Então, na prática, é comum empregar uma coluna de fracionamento para reduzir o número de destilações necessárias para uma separação razoavelmente completa dos dois líquidos. Uma coluna de fracionamento é projetada para fornecer uma série contínua de condensações parciais de vapor e vaporizações parciais do condensado e seu efeito é realmente similar a certo número de destilações separadas. Química Orgânica I - Experimental 34 Figura 3: Aparelhagem para uma destilação fracionada. Figura 4: Tipos de colunas de fracionamento. As colunas de fracionamento mais comuns são as do tipo Vigreux e Hempel. A coluna do tipo Vigreux consiste em um tubo de vidro com várias reentrâncias em forma de dentes, distribuídas de modo que as pontas de um par de dentes quase se toquem. A coluna do tipo Hempel é formada por um tubo de vidro empacotado com pequenas bolas de vidro ou anéis de vidro, entre outros. A eficiência de uma coluna de fracionamento é medida pelo número de vezes que uma solução é vaporizada e recondensada durante a destilação, e é expressa por pratos Química Orgânica I - Experimental 35 teóricos. Uma boa separação dos componentes de uma mistura através da destilação fracionada requer uma baixa velocidade de destilação, mantendo-se assim uma alta razão de refluxo. O tratamento teórico da destilação fracionada requer um conhecimento da relação entre os pontos de ebulição das misturas das substâncias e sua composição. Se estas curvas forem conhecidas, será possível prever se a separação será difícil ou não, ou mesmo se será possível. A capacidade de uma coluna de fracionamento é a medida da quantidade de vapor e líquido que pode ser passada em contra-corrente dentro da coluna, sem causar obstrução. A eficiência de uma coluna é o poder de separação de uma porção definida da mesma. Ela é medida, comparando-se o rendimento da coluna com o calculado para uma coluna de pratos teoricamente perfeitos em condições similares. Um prato teórico é definido como sendo a seção de uma coluna de destilação de um tamanho tal que o vapor esteja em equilíbrio com o líquido; isto é, o vapor que deixa o “prato” tem a mesma composição que o vapor que entra e ovapor em ascendência no “prato” está em equilíbrio com o líquido descendente. O número de pratos teóricos não pode ser determinado a partir das dimensões da coluna; é computado a partir da separação efetuada pela destilação de uma mistura líquida, cujas composições de vapor e de líquido são conhecidas com precisão. Por exemplo, uma coluna com 12 pratos teóricos é satisfatória para a separação prática de uma mistura de cicloexano e tolueno. A eficiência de uma coluna depende tanto da altura quanto do enchimento e de sua construção interna. Sua eficiência é frequentemente expressa em termos de altura equivalente por prato teórico (HEPT), que pode ser obtida, dividindo-se a altura do enchimento da coluna pelo número de pratos teóricos. O fracionamento ideal fornece uma série de frações definidas e rigorosas, cada uma destilando a uma temperatura definida. Depois de cada fração ter sido destilada, a temperatura aumenta rapidamente e nenhum líquido é destilado como uma fração intermediária. Se a temperatura for colocada em gráfico contra o volume do destilado em tal fracionamento ideal, o gráfico obtido será uma série de linhas horizontais e verticais semelhantes a uma escada. Uma certa quebra na inclinação revela a presença de uma fração intermediária e a sua quantidade pode ser usada como um critério qualitativo do rendimento de diferentes colunas. Dessa forma, o objetivo principal das colunas de fracionamento eficientes é reduzir a proporção das frações intermediárias a um mínimo. Os fatores mais importantes que influenciam a separação de misturas em frações bem delineadas são: isolamento térmico, razão de refluxo, enchimento e tempo de destilação. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Manta para balão de 250 mL - Coluna de fracionamento - Balão de 250 mL - Acetona - Termômetro - Água - Pedrinhas de porcelana - Proveta - Condensador de Liebig - Suporte universal Química Orgânica I - Experimental 36 - Mangueiras - Garras e mufas PROCEDIMENTO Preparar 150 mL de uma solução de Acetona em Água 1:1, transferir para um balão de 250 mL e adicionar algumas pedras de porcelanas. Montar a aparelhagem para destilação fracionada, conforme a Figura 3 e destilar lentamente a solução, de tal modo que a velocidade de destilação seja constante e não mais que uma gota do destilado por 3 segundos. Recolher o destilado em uma proveta graduada. Anotar a temperatura inicial de destilação, quando as primeiras gotas do destilado alcançarem o condensador. Continuar a destilação, anotando a temperatura a cada 5 mL do destilado. A partir destes dados, construir um gráfico lançando na abscissa o volume do destilado após intervalos de 5 mL e, na ordenada, a temperatura de destilação observada naquele ponto. Comparar com o gráfico obtido na destilação simples. 3. QUESTIONÁRIO 1. Cite as diferenças básicas entre a destilação simples e a fracionada. 2. Em uma destilação, quais procedimentos devem ser adotados para que a ebulição tumultuosa de líquidos seja evitada? 3. Por que no início da destilação, o balão deve estar cheio a dois terços de sua capacidade ? 4. Por que a água do condensador deve fluir em sentido contrário à corrente dos vapores? 5. Quando a coluna de fracionamento para destilação deve ser utilizada? 6. Explique o funcionamento do condensador utilizado em uma destilação. 7. Descreva a técnica de destilação a pressão reduzida e a sua utilização. 8. O que é uma mistura azeotrópica? Os componentes desta mistura podem ser separados por destilação? Cite exemplos. 9. Cite alguns processos industriais que empregam técnicas de destilação. Química Orgânica I - Experimental 37 PRÁTICA NO 5 - DESTILAÇÃO POR ARRASTE A VAPOR 1. INTRODUÇÃO A destilação por arraste a vapor ou destilação a vapor é usualmente empregada na purificação de substâncias voláteis e imiscíveis em água. Esta operação envolve a co- destilação da substância a purificar com a água, a principal vantagem é que a mistura entra em ebulição a uma temperatura inferior ao ponto de ebulição da água. Os princípios da destilação a vapor podem ser compreendidos considerando a conseqüência do aumento do desvio positivo da lei de Raoult. Grandes desvios positivos conduzem a um máximo na curva de pressão total de vapor da mistura, dando origem a um azeótropo de mínimo. Se o desvio for maior ainda, os dois componentes podem se separar em duas fases imiscíveis. Cada componente entrará em ebulição independente do outro a uma pressão total de vapor igual à soma das pressões de vapor de cada componente puro (Ptotal = PAº + PBº). Assim, a pressão de vapor total da mistura, a qualquer temperatura, é sempre maior do que a pressão de vapor de qualquer componente. O ponto de ebulição de uma mistura de componentes imiscíveis é menor que ponto de ebulição do componente mais volátil. A destilação a vapor é utilizada na purificação de substâncias que se decompõem a temperaturas elevadas, bem como na separação de um composto de uma mistura reacional que contêm outros compostos não-voláteis. Para que uma substância possa ser arrastada por vapor de água é necessário que ela seja insolúvel ou pouco solúvel em água, não sofra decomposição em água quente e apresente pressão de vapor considerável (maior que 5 mmHg a 100°C). A Figura 1 mostra a aparelhagem experimental para uma destilação por arraste a vapor. Figura 1: Aparelhagem para uma destilação por arraste a vapor. Química Orgânica I - Experimental 38 No caso do isolamento de óleos essenciais de especiarias, é possível utilizar a aparelhagem de destilação simples ao invés da aparelhagem mostrada na Figura 1, nesta adaptação coloca-se o material a ser destilado no balão de fundo redondo, adiciona-se água até metade de sua capacidade e por fim as pedras de destilação. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Manta para balão de 250 mL - Erlenmayer de 125 e 250 mL - Balão de 250 mL - Funil de separação de 125 mL - Termômetro - Cravo ou canela em cascas. - Pedrinhas de porcelana - Proveta - Condensador de Liebig - Suporte universal - Mangueiras - Garras e mufas PROCEDIMENTO Transferir 10-20 g de cravo-da-índia ou canela em cascas para um balão de 250 mL, conectado à aparelhagem para destilação simples. Adicionar água até metade da capacidade do balão. Colocar pedras de porcelana. Aquecer a mistura de modo a manter uma ebulição vigorosa. Recolher em erlenmeyer a mistura destilada. Interromper a destilação quando cessar a extração do óleo essencial, ou seja, quando destilar somente a água. Transferir o hidrolato (destilado) para um funil de separação e recolher a camada de óleo em frasco tarado. Pesar e determinar o rendimento. Observação: Caso não haja formação bem definida da camada de óleo, extrair três vezes com diclorometano. Reunir as fases orgânicas em erlenmeyer de 125 mL. Adicionar aproximadamente 2 g de sulfato de sódio anidro. Agitar, esperar alguns minutos e filtrar utilizando funil com algodão. Recolher o filtrado em balão de fundo redondo de 125 mL. Remover o diclorometano em evaporador rotativo, sem aquecer o banho. Transferir para frasco tarado. Pesar e determinar o rendimento. 3. QUESTIONÁRIO 1. Por que o ponto de ebulição da mistura em uma destilação a vapor é menor do que o ponto de ebulição de cada componente puro? 2. Que propriedades deve ter uma substância para ser “arrastável” por vapor? 3. Quais as vantagens de uma destilação a vapor? 4. Quando se deve utilizar a destilaçãoa vapor? 5. Quais os constituintes principais do óleo essencial obtido neste experimento? 6. Por que não se deve aquecer o banho durante a remoção do diclorometano? 7. Por que o diclorometano é geralmente, o solvente indicado para a extração de óleos essenciais de hidrolatos? Química Orgânica I - Experimental 39 PRÁTICA NO 6 - EXTRAÇÃO REATIVA (ÁCIDO-BASE) 1. INTRODUÇÃO O processo de extração8 com solventes é um método simples, empregado na separação e isolamento de substâncias componentes de uma mistura, ou ainda na remoção de impurezas solúveis indesejáveis. Este último processo é geralmente denominado lavagem. A extração consiste basicamente no princípio da distribuição de um soluto entre dois solventes imiscíveis9, expressa quantitativamente pelo coeficiente de partição (K). O coeficiente de partição indica que um soluto A, em contato com dois líquidos imiscíveis, L1 e L2, se distribui uniformemente entre os líquidos de tal forma que, no equilíbrio, a razão da concentração de A em cada fase será constante, a uma determinada temperatura, de acordo com a expressão: K = concentração de A em L1 (g/mL) concentração de A em L2 (g/mL) A expressão acima mostra que, para um determinado volume de solvente de extração L1 e L2, a eficiência da extração de um soluto contido no solvente L2 aumenta se forem efetuadas extrações sucessivas com porções menores de solvente. Exemplo: Considere a extração de 6 g de um composto orgânico A originalmente dissolvido em 100 mL de água, com um volume total de 100 mL de benzeno. Se o coeficiente de partição A entre o benzeno e a água é de 3 a 20°C, para uma extração única tem-se: K = mbenzeno/100mL = 3 mágua/100mL Onde mbenzeno é a massa de A em benzeno e mágua é a massa de A dissolvida em água. Como mágua é igual a 6 g - mbenzeno a expressão anterior fica: 3 = __mbenzeno/100mL__ (6 - mbenzeno)/100mL Resolvendo: mbenzeno = 4,5 g Isso quer dizer que, após uma extração com 100 mL de benzeno, obtém-se 4,5 g de A (75% do total) como rendimento da extração, restando ainda 1,5 g de A na fase aquosa. Considere agora a extração com duas porções iguais de 50 mL de benzeno. A primeira extração fornece: 3 = __mbenzeno/50mL__ (6 - mbenzeno)/100mL 8 Extração - transferência de um soluto de um solvente a outro. 9 Imiscível - termo usado para descrever duas fases (geralmente dois líquidos) que não se dissolvem. Miscível - termo usado para descrever duas fases (geralmente dois líquidos) que se dissolvem em todas as proporções. Química Orgânica I - Experimental 40 Resolvendo: mbenzeno = 3,6 g Na primeira extração remove-se 3,6 g de A, restando 2,4 g de A em solução aquosa. Na segunda extração fornece: 3 = ___m’benzeno/50mL___ (2,4 – m’benzeno)/100mL Resolvendo: m’benzeno = 1,44 g Consegue-se mais 1,44 g de A, ou seja, um total de 5,04 g do composto A. Restam ainda 0,96 g de A na fase aquosa. Comparando os resultados das duas extrações conclui-se que a extração múltipla é mais eficiente do que a extração única. Quanto maior for o coeficiente de partição, menor será o número de extrações sucessivas necessárias para separar o soluto com eficiência. A extração é mais fácil de ser executada no caso de substâncias ácidas ou básicas, por conversão em sal, geralmente solúvel na fase aquosa. A substância ácida ou básica, após a separação da fase aquosa, é recuperada por deslocamento e extração com um solvente orgânico apropriado. Para extrair uma substância ácida contida em uma solução orgânica, utiliza-se uma solução básica com quatro unidades de pH a mais do que a o pKa do ácido a ser extraído. Ácidos carboxílicos alifáticos, por exemplo, de pKa ~5 são extraídos com uma solução básica de pH igual ou superior a 9. No caso de extração de bases, usam-se soluções ácidas com pH de cerca de 4 unidades a menos que o pKa do ácido conjugado da base em questão. As Tabelas 1 e 2 mostram valores aproximados de pH de algumas soluções. Composto pKa aproximado pH da solução aquosa aproximado Ácidos minerais 1 4 Ácidos aromáticos 4 8 Ácidos alifáticos 5 9 Fenóis 10 14 Aminas aromáticas 5 1 Piridinas 6 2 Aminas alifáticas 11 7 Tabela 1: pH necessário para extração de algumas substâncias ácidas ou básicas. Composto pH aproximado HCl; H2SO4 0 Ácido acético 3 NaHCO3 8 Na2CO3 11 NaOH 14 Tabela 2: Valores de pH de algumas soluções aquosas (5-10% em peso). Química Orgânica I - Experimental 41 A operação de extração é normalmente efetuada em um funil de separação, por agitação da solução a ser extraída com o solvente de extração. A capacidade do funil deve ser tal que o volume ocupado não exceda ¾ do volume total do funil. Após a agitação, deixa-se em repouso até a separação completa das fases. No caso de solventes muito voláteis, como éter etílico, por exemplo, a pressão interna do sistema deve ser constantemente aliviada durante a agitação, sob perigo de explosão. Para isto, inverte-se o funil, firmando a rolha com a palma da mão, e abre-se a torneira cuidadosamente. A mesma precaução deve ser tomada na extração de ácidos com soluções de carbonato ou bicarbonato, devido ao aumento da pressão interna ocasionada pela liberação de CO2. Para separar as camadas formadas pela separação de fases, basta colocar o funil na posição vertical, retirar a tampa e abrir cuidadosamente a torneira. OBS: A adição de sais como cloreto de sódio, sulfato de sódio ou cloreto de amônio à solução aquosa diminui consideravelmente a solubilidade da maior parte dos compostos orgânicos em água, este fenômeno é conhecido como dessolubilização ou “salting out”. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Solução de HCl 10% - Funil de Buchner - HCl concentrado - Kitassato - Solução de NaHCO3 10% - Papel de filtro - Sulfato de sódio anidro - Proveta de 50 e 100 mL - Ácido benzóico - Balão de 125 mL - Naftaleno - Bastão de vidro - Éter etílico - Espátula - Béquer 50 mL e 100 mL - Proveta - Erlenmeyer de 125 mL - Suporte universal - Funil de separação de 250 mL - Garras e mufas - Funil PROCEDIMENTO Preparar uma amostra contendo 0,5 g de ácido benzóico e 0,5 g de naftaleno misturados. Transferir a amostra para um béquer de 50 mL ou de capacidade maior e adicionar 30 mL de éter etílico para dissolver a mistura. Transferir esta mistura para um funil de separação. Para evitar perdas, rinse o béquer com cerca de 5 mL de éter etílico e transfira novamente para o funil de separação. Adicionar 10 mL de uma solução de NaHCO3 a 10% em peso no funil de separação. Agitar cuidadosamente. Quando a efervescência passar, tampar o funil de separação e agitar delicadamente conforme Figura 1. Aliviar a pressão interna no funil de separação abrindo a torneira do funil quando este estiver virada para cima. Repetir a operação até que não seja mais observada nenhuma efervescência. Química Orgânica I - Experimental 42 Figura 1: Como agitar um funil de separação durante o processo de extração “líquido- liquído”. Deixar a mistura em repouso para que as fases aquosa e orgânica se separem. Remover cuidadosamente a máxima quantidade possível da fase aquosa inferior para um erlenmeyer de 125 mL. Repetir a operação de extração com mais duas porções de 10 mL de NaHCO3 a 10% em peso. Para diminuir a solubilidade do ácido benzóico na fase aquosa e melhorar o rendimento da extração, adicionar cerca de 0,5 g de NaCl àfase aquosa contida no frasco erlenmeyer. Em uma capela com exaustão adicionar cerca de 10 mL de HCl concentrado à fase aquosa (use luvas e óculos de segurança). Resfriar a mistura utilizando um banho de gelo. Em seguida, filtrar a vácuo utilizando um funil de Buchner e lavar com cerca de 10 mL de água destilada. Neste momento conclui-se a separação do ácido benzóico da mistura original. Deixar secar, após a secagem pesar o ácido benzóico e calcular o percentual de recuperação. Na fase orgânica, contida no funil de separação, adicionar cerca de 10 mL de água destilada, agitar para remover algum NaHCO3 residual. Descartar esta fase aquosa. Transferir a fase orgânica para um béquer de 100 mL. Para absorver umidade adicionar cerca de 0,5 g de sulfato de sódio anidro10 e deixar em repouso por cerca de 5 min. Transferir a fase orgânica para um outro béquer e evaporar o solvente em um rota- 10 Uma substância anidra que pode ser usada para absorver a água residual dos líquidos orgânicos é chamada de agente de secagem - exemplos: CaCl2, MgSO4, Na2SO4. Química Orgânica I - Experimental 43 evaporador ou em uma placa de aquecimento. Se usar uma placa de aquecimento o naftaleno irá fundir, após a evaporação do solvente resfriar o béquer e usar banho de gelo para solidificar o naftaleno fundido. Pesar o naftaleno recuperado e calcular o seu percentual de recuperação. 3. QUESTIONÁRIO 1. Defina cada um dos seguintes termos: a. miscível b. imiscível c. extração d. agente dessecante 2. Liste quatro líquidos imiscíveis em água com exceção do éter que poderiam ser usados para extrair compostos orgânicos de uma solução aquosa. 3. Uma solução de 0,560 g de um Composto A dissolvido em 50,0 mL de água foi extraída com 100,0 mL de éter. Calcule a quantidade do Composto A presente no éter. Kd = 19,0 4. Por que não se deve deixar frascos de sulfato de sódio ou de cloreto de cálcio anidros abertos? 5. O ácido benzóico apresenta na sua estrutura um grupo carboxila unido a um anel benzênico. Represente a equação para sua reação com NaOH. 6. Por que o produto da reação mostrada na pergunta 5 é extraído facilmente em H2O, enquanto o ácido benzóico original não é extraído tão facilmente? 7. Nesta experiência, nós usamos NaHCO3 para reagir com o ácido benzóico. Escreva a equação para a reação de neutralização do ácido benzóico com NaHCO3. 8. Por que a pressão aumenta no funil de separação na etapa em que a camada etérea é extraída com NaHCO3? 9. Por que o ácido benzóico precipita quando a camada aquosa é acidificada com HCl? 10. Dispondo-se de éter etílico, soluções aquosas de NaOH (10%), NaHCO3 (10%), HCl (10%) e concentrado, esquematizar, através de fluxograma, todas as etapas necessárias para separar uma mistura de ciclo-hexanol, ciclo-hexilamina, p-cresol e ácido benzóico. Química Orgânica I - Experimental 44 PRÁTICA NO 7 - EXTRAÇÃO CONTÍNUA SÓLIDO-LÍQUIDO 1. INTRODUÇÃO Quando o composto orgânico é mais solúvel em água do que no solvente orgânico (isto é, quando o coeficiente de distribuição entre solvente orgânico e água é pequeno), são necessárias grandes quantidades de solvente orgânico para se extrair pequenas quantidades da substância. Isto pode ser evitado usando o extrator tipo Soxhlet (Figura 1), aparelho comumente usado para extração contínua com um solvente quente. Neste sistema apenas uma quantidade relativamente pequena de solvente é necessária para uma extração eficiente. A amostra deve ser colocada no cilindro poroso A (confeccionado) de papel filtro resistente, e este, por sua vez, é inserido no tubo interno do aparelho Soxhlet B. O aparelho é ajustado a um balão C (contendo um solvente como n-hexano, éter de petróleo, clorofórmio ou etanol) e a um condensador de refluxo D. A solução é levada à aquecimento brando. O vapor do solvente sobe pelo tubo E, condensa no condensador D, o solvente condensado cai no cilindro A e lentamente enche o corpo do aparelho. Quando o solvente alcança o topo do tubo F, é sifonado para dentro do balão C, transpondo assim, a substância extraída para o cilindro A. O processo é repetido automaticamente até que a extração se complete. Após algumas horas de extração, o processo é interrompido e a mistura do balão é destilada, recuperando-se o solvente. Figura 1: Extração sólido-líquido contínua usando um extrator Soxhlet. Química Orgânica I - Experimental 45 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Manta para balão de 250 mL - Folhas de espinafre - Balão de 250 mL - Etanol - Termômetro - Suporte universal - Pedrinhas de porcelana - Garras e mufas - Extrator de Soxhlet - Cartucho de celulose ou papel de filtro - Mangueiras PROCEDIMENTO Primeiramente medir a capacidade do extrator de Soxhlet acoplando um balão de fundo redondo de 250 mL à câmara do extrator. Adicionar etanol câmara até observar o retorno do solvente para o balão, esta é a quantidade mínima de solvente para a operação. Não exceder 2/3 da capacidade do balão. Adicionar pedras de porcelana no balão e acomodar em uma manta de aquecimento. Pesar cerca de 10 g do material (folhas de espinafre) e montar um cartucho de papel de filtro para envolver o material. Certifique-se que o material esteja devidamente acomodado no cartucho para que ele não se abra durante a operação. Acoplar o condensador de bolas à câmara do extrator, ligar a circulação de água e o aquecimento da manta. Deixar o extrator em operação o máximo de tempo possível. Por fim, desligar o aquecimento, esperar esfriar, desligar a circulação de água e desmontar a aparelhagem. Recolher o líquido extraído (etanol + pigmentos do espinafre). Utilizar o rota-evaporador para evaporar o solvente (pesar o balão antes) e obter o extrato com pigmentos do espinafre. Após destilar o etanol, pesar novamente o balão e calcular o percentual de extrato bruto extraído. Guardar o extrato para a prática seguinte (cromatografia em camada fina). 3. QUESTIONÁRIO 1. Qual o princípio básico do processo de extração com solventes? 2. Por que a água é geralmente usada como um dos solventes na extração líquido- líquido? 3. Quais as características de um bom solvente para que possa ser usado na extração de um composto orgânico em uma solução aquosa? 4. Qual fase (superior ou inferior) será a orgânica se uma solução aquosa for tratada com: a) éter etílico b) clorofórmio c) acetona d) n-hexano e) benzeno 5. Pode-se usar etanol para extrair uma substância que se encontra dissolvida em água? Justifique sua resposta. 6. Quando se deve utilizar uma extração contínua? 7. Como funciona um extrator do tipo Soxhlet? Qual a principal vantagem no uso de Soxhlet? Química Orgânica I - Experimental 46 PRÁTICA NO 8 - CROMATOGRAFIA EM CAMADA FINA E EM PAPEL CROMATOGRAFIA EM CAMADA FINA 1. INTRODUÇÃO A cromatografia pode ser definida como a separação de uma mistura de dois ou mais compostos diferentes por distribuição entre fases, uma das quais é estacionária e a outra móvel. Dependendo da natureza das duas fases envolvidas há diversos tipos de cromatografia: Sólido-líquido (coluna, camada fina, papel) Líquido-líquido (CLAE – cromatografia líquida de alta eficiência ou do inglês HPLC) Gás-líquido (cromatografia gasosa) Assim, a cromatografia é uma técnica utilizada para analisar, identificar ou separar os componentes de uma mistura. A mistura é adsorvida em uma fasefixa, e uma fase móvel passa continuamente através da mistura adsorvida. Pela escolha apropriada da fase fixa e da fase móvel, além de outras variáveis, pode-se fazer com que os componentes da mistura sejam arrastados ordenadamente. Os componentes que interagem pouco com a fase fixa são arrastados facilmente pela fase móvel; aqueles com maior interação ficam mais retidos. As partículas de sólido adsorvem os componentes da mistura devido à ação de diversas forças intermoleculares. Estas forças podem variar conforme o seu tipo. Uma ordem aproximada para a força destas interações é a seguinte: formação de sais > coordenação > ligação hidrogênio > dipolo-dipolo > Van der Waals. A cromatografia em camada fina (ou delgada) é uma técnica simples e muito importante para a separação rápida e qualitativa de pequenas quantidades de material. Ela também pode ser utilizada de modo quantitativo e neste caso é chamada de cromatografia em camada fina preparativa. Ela é usada para determinar a pureza de um composto, identificar componentes em uma mistura comparando-os com padrões; acompanhar o progresso de uma reação pelo aparecimento dos produtos e desaparecimento dos reagentes, isolar componentes puros de uma mistura e para acompanhar uma cromatografia em coluna. Na cromatografia de camada fina a fase líquida ascende por uma camada fina do adsorvente estendida sobre um suporte. Freqüentemente, o suporte utilizado é uma placa de vidro. Sobre a placa espalha-se uma camada fina de adsorvente suspenso em água (ou outro solvente) e deixa-se secar. A placa coberta e seca chama-se "placa de cromatografia em camada fina" (placa de CCF). Quando a placa de CCF é colocada verticalmente em um recipiente fechado (cuba cromatográfica ou câmara de eluição) que contém uma pequena quantidade de eluente, este irá ascender pela camada do adsorvente por ação capilar. A amostra é colocada na parte inferior da placa, através de aplicações sucessivas de uma solução da amostra em um solvente volátil com um pequeno capilar. Deve-se formar uma pequena mancha circular. Em seguida a placa é colocada na câmara de eluição. À medida que o solvente sobe pela placa, a amostra é compartilhada entre a fase Química Orgânica I - Experimental 47 líquida móvel e a fase sólida estacionária. Durante este processo, os diversos componentes da mistura são separados. As substâncias menos polares avançam mais rapidamente que as substâncias mais polares. Esta diferença na velocidade resultará em uma separação dos componentes da amostra. Quando estiverem presentes várias substâncias, cada uma se comportará segundo suas propriedades de solubilidade e adsorção, dependendo dos grupos funcionais presentes na sua estrutura (Figura 1). Figura 1: Cromatografia em camada fina. Depois que o solvente ascendeu pela placa, esta é retirada da cuba e seca até que esteja livre do eluente. Cada mancha corresponde a um componente separado na mistura original. Se os componentes são substâncias coloridas, as diversas manchas serão claramente visíveis (Figura 2). Contudo, é bastante comum que as manchas sejam invisíveis porque correspondem a compostos incolores. Para a visualização deve-se "revelar” a placa. Figura 2: Placa cromatográfica após o desenvolvimento. Os métodos mais comuns para a visualização de uma placa são: Vapores de iodo Lâmpada de ultravioleta (UV)-visível. No primeiro método, os vapores de iodo reagem com muitos compostos orgânicos formando complexos de cor marrom ou amarela. No segundo método, sob a luz UV os compostos geralmente aparecem como manchas brilhantes na placa. Outro método consiste na adição de um indicador de fluorescência ao adsorvente usado para cobrir as placas. Geralmente este indicador é uma mistura de sulfetos de Química Orgânica I - Experimental 48 cádmio e zinco. A placa tratada deste modo e mantida sob a luz UV fluoresce. Contudo, onde os compostos foram separados aparecem manchas escuras eliminando a fluorescência. Adicionalmente aos métodos citados acima, vários métodos químicos podem ser utilizados para a visualização da placa. Entretanto eles destroem ou alteram permanentemente os compostos separados através de reações químicas e geralmente são específicos para certos grupos funcionais. Como exemplos podemos citar: o nitrato de prata (para derivados halogenados), 2,4-dinitrofenilidrazina (para cetonas e aldeídos), verde de bromocresol (para ácidos), ninhidrina (para aminoácidos), etc. Um parâmetro muito usado na cromatografia em camada fina é o "fator de retenção" de um composto - Rf. Na cromatografia em camada fina, o Rf obtido é função do tipo de suporte empregado, do eluente, da espessura da camada do suporte e da quantidade relativa do material aplicado na placa cromatográfica. Ele é definido como a razão entre a distância percorrida pela mancha do componente e a distância percorrida pelo eluente (Figura 3). Portanto: Rf = dc / de Onde: dc = distância percorrida pelo componente da mistura. de = distância percorrida pelo eluente. Quando as condições de medida forem completamente especificadas, o valor de Rf é constante para qualquer composto dado e correspondente a uma propriedade física. Este valor deve apenas ser tomado como guia, já que existem vários compostos com o mesmo Rf. Figura 3: Cálculo do Rf. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAS E REAGENTES - Hexano - Proveta de 10 mL - metanol - Papel de filtro - Acetona - Placa de Petri - Clorofórmio - Cubetas ou béquer de 100 mL - Extrato de folhas de espinafre - Placas de sílica gel - Pipeta de Pasteur - Sílica para CCF - Capilares - Lâminas para microscópio - Béquer de 50 mL Química Orgânica I - Experimental 49 PROCEDIMENTO Preparação das placas cromatográficas Preparar duas placas para cromatografia em camada fina a partir de lâminas de vidro para microscópio. Limpar a superfície das placas com um algodão embebido em hexano. Não coloque os dedos na superfície da placa, pois a gordura da pele não permitirá a adesão do suporte (sílica por exemplo), à placa. Preparar 100 mL de uma solução 10 % de metanol em clorofómio. Colocar cerca de 90 mL desta solução em um béquer alto de 100 mL. Adicionar aos poucos à solução de metanol em clorofórmio cerca de 30 g de sílica gel adequada para cromatografia em camada fina. Agitar a suspensão formada com um bastão de vidro. Isto evita a formação de grumos. Quando a pasta resultante estiver homogênea mergulhar rapidamente na mistura as duas placas juntas, face a face, por um a dois segundos, retirar, limpar a suspensão de sílica aderida nas laterais das placas e deixar secar ao ar. Aplicação da amostra na placa Utilizando um capilar, aplicar duas ou três porções da solução de pigmentos sobre uma placa de sílica a 1,0 cm de uma das extremidades. Evitar a difusão da mancha de forma que seu diâmetro não deva ultrapassar 2 mm durante a aplicação da amostra. Deixar o solvente evaporar. Desenvolvimento do cromatograma Preparar uma cuba colocando uma tira de papel de filtro de 4x5 cm e 5 mL de hexano/acetona (7:3) como eluente. Esperar o tempo suficiente para que ocorra a completa saturação. Colocar cuidadosamente a placa na cuba, evitando que o ponto de aplicação da amostra mergulhe no eluente. Quando o eluente atingir cerca de 0,5 cm do topo da placa, remover a placa e marcar a frente do eluente (linha de chegada da fase móvel). Deixar secar ao ar e observar o número de manchas coloridas. Copiar a placa com as substâncias separadas (cromatograma), obedecendo fielmente a distânciaentre o ponto de aplicação e a frente do solvente, bem como a distância percorrida por cada substância, iniciando pelo ponto de aplicação até o centro de maior concentração da mancha. Calcular os Rf. Repetir o procedimento acima utilizando como eluente uma mistura de acetato de etila/hexano (2:3). Observação: As manchas observadas no cromatograma, são normalmente identificadas, em ordem decrescente de valores de Rf, como carotenos (duas manchas laranja), as xantofilas (quatro manchas amarela) clorofila a (azul esverdeada) e clorofila b (verde). Química Orgânica I - Experimental 50 3. QUESTIONÁRIO 1. Pesquisar estruturas das clorofilas a e b, xantofilas e carotenos. 2. Qual é o estado físico da fase móvel e da fase estacionária na cromatografia em camada delgada (CCD)? 3. Qual é o mecanismo de separação da cromatografia em camada delgada de sílica gel? 4. Que se entende por fator de retenção (Rf)? 5. Dois componentes A e B, foram separados por CCD. Quando a frente do eluente atingiu, 6,5 cm, acima do ponto de aplicação da amostra, a mancha de A, estava a 5 cm, a de B a 3,6 cm. Calcular o Rf de A e de B. Desenhar esta placa, obedecendo ao mais fielmente possível às distâncias fornecidas. O que se pode concluir sobre a resolução das manchas, nesta separação? 6. Por que se deve colocar papel filtro na parede da cuba cromatográfica? 7. Se os componentes da mistura, após a eluição cromatográfica, apresentam manchas incolores, qual o processo empregado para visualizar estas manchas na placa cromatográfica?