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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO – CAMPUS SÃO JOÃO DA BOA VISTA Relatório de Química Orgânica Experimental: Experimento 01 – Solubilidade de Compostos Orgânicos. Ariane Sousa Teixeira Luísa Pereira Oliveira Rafaella Gonçalves dos Santos Disciplina de Química Orgânica Experimental do curso de Licenciatura em Ciências Naturais - Habilitação em Química. Prof.: Henrique Musetti São João Da Boa Vista 2020 2 1 OBJETIVOS • Determinar a solubilidade de algumas substâncias em solventes de polaridade crescente e explicar esse fenômeno em função das interações soluto-solvente; • Prever qual solvente seria mais adequado para a recristalização de cada substância sólida, bem como os métodos de separação de substância através da diferença de solubilidade entre compostos num mesmo solvente; 3 2 INTRODUÇÃO 2.1 Geometria Molecular Dias (s.d.) diz que geometria molecular é quando os átomos se ligam formando ângulos entre si e a partir disso a molécula formada adquire uma determinada geometria que é adotada entre os núcleos dos átomos ligantes. A Teoria de Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência, diz que, os elétrons do átomo central estão localizados em posições de maior repulsão entre si o que define a geometria da molécula. Esse cenário propicia maior estabilidade estrutural na molécula. Entre os tipos de geometria temos: Linear: ocorre em moléculas diatômicas e também triatômicas, com ângulo de 180º. Imagem 1: Geometria Linear Fonte: Google Imagens Angular: ocorrem em moléculas triatômicas, com ângulos menores que 120º. Imagem 2: Geometria Angular Fonte: Google Imagens Trigonal Plana: ocorre em moléculas tetratômicas (com quatro átomos), com ângulo de 120º. Imagem 3: Geometria Trigonal Plana Fonte: Google Imagens Piramidal: ocorre em moléculas tetratômicas também, onde haverá par de elétrons livres no átomo central. Ângulo menor que 109, 5º. Imagem 4: Geometria Piramidal Fonte: Google Imagens Tetraédrica: ocorre em moléculas ou grupos iônicos pentatômicos. Possui ângulo de 109, 5º. 4 Imagem 5: Geometria Tetraédrica Fonte: Google Imagens Bipiramidal: ocorre em moléculas ou grupos iônicos hexatômicos e possui ângulo que varia de 90º a 120º. Imagem 6: Geometria Bipiramidal Fonte: Google Imagens Octaédrica: ocorre em moléculas ou grupos iônicos heptatômicos, com ângulo de 90º. Imagem 7: Geometria Octaédrica 2.2 Eletronegatividade Fonte: Google Imagens A eletronegatividade é a capacidade de um elemento atrair elétrons. Acontece quando o átomo está compartilhando um ou mais pares de elétrons. A capacidade do núcleo atômico em atrair elétrons vizinhos é o que a determina formando moléculas estáveis, segundo a Teoria do Octeto. Os elementos mais eletronegativos estão localizados no canto direito superior da tabela periódica. Onde o Flúor é o mais eletronegativo. Nina (2017) diz que ao considerarmos compostos covalentes, com ligantes diferentes, um deles terá maior capacidade de atrair os elétrons que o outro, um será mais eletronegativo que o outro. Ocorrendo um compartilhamento desigual dos elétrons. Ela diz ainda que se o composto conter elementos iguais, os dois vão possuir a mesma capacidade em atrair os elétrons, onde haverá um compartilhamento igual do mesmo. Em casos extremos, com a ligação de um elemento muito eletronegativo 5 a um pouco eletronegativo, o mais eletronegativo irá roubar o elétron da ligação, tornando a ligação iônica. 2.3 Polaridade de ligações e moléculas Polaridade é a capacidade que das ligações de atrair cargas elétricas, e o lugar onde acontece este acúmulo chamamos de polos, estes polos são denominados negativos ou positivos. Batista (2019) escreveu que a eletronegatividade é uma propriedade periódica que demonstra a capacidade que um átomo possui de atrair para si os elétrons de uma ligação que apresente outro átomo. A diferença de eletronegatividade entre átomos classifica as ligações em polar e apolar. Ligações apolares: os átomos que estão na ligação possuem diferença de eletronegatividade igual ou muito próxima de zero. Ligações polares: a diferença de eletronegatividade entre os átomos da ligação é diferente de zero. Imagem 8: Exemplos de Ligações polares e apolares Substância Eletronegatividade Diferença de eletronegatividade Cl2 HCl Fonte: https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ A molécula de cloro possui átomos de um único elemento químico, por isso não apresenta diferença de eletronegatividade, sendo assim, sua ligação é apolar. O ácido clorídrico é formado por elementos químicos diferentes e com isso a diferença de eletronegatividade é diferente de zero, que torna a ligação polar. Batista (2019) continua relatando que em uma ligação iônica é realizado a união dos átomos através da doação de elétrons e assim acontece a formação de íons. Quando um átomo doa elétrons, ele fica carregado positivamente e recebe o nome de cátion. O átomo que recebe os elétrons se torna uma espécie carregada com carga negativa e recebe o nome de ânion. Dessa maneira a diferença de eletronegatividade ultrapassa o valor de 1,7 devido à forte atração de um dos átomos pelos elétrons, fazendo com que a ligação seja polar. https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ 6 Imagem 9: Exemplos de polaridade da ligação iônica Substância Eletronegatividade Diferença de eletronegatividade NaCl KF Fonte: https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ Como um átomo doa elétrons e o outro recebe, é formado polos no composto e, assim podemos dizer que toda ligação iônica é polar. Na ligação covalente Batista (2019) ainda completa que existe o compartilhamento de elétrons na união de dois átomos em uma molécula. Essa diferença de eletronegatividade entre átomos permite que as ligações covalentes possam ser polares e apolares. Ligações covalentes apolares: acontece entre átomos de um mesmo elemento químico. Ligações covalentes polares: acontece entre elementos químicos diferentes, ou seja, que possuem eletronegatividades diferentes. Imagem 10: Exemplos de polaridade da ligação covalente Substância Eletronegatividade Diferença de eletronegatividade H2 HBr Fonte: https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ Na molécula de hidrogênio a ligação é covalente apolar, pois como não existe diferença de eletronegatividade os elétrons compartilhados ficam distribuídos de forma igual entre os dois átomos. O brometo de hidrogênio possui ligação covalente polar, pois é formado por elementos químicos diferentes e, por isso, o átomo mais eletronegativo exerce uma atração sobre os pares de elétrons compartilhados. A polaridade das moléculas é uma maneira de compreender a solubilidade de um material em outro ou como suas moléculas interagem umas com as outras. https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ 7 Determinar a polaridade de uma molécula é identificar se ela apresenta polos negativos e positivos formando molécula polar ou não formando molécula apolar. 2.3.1 Determinação da polaridade das moléculas a partir do número de nuvens e átomos iguais Dias (s.d.) relata que molécula polar: é polar quando o número de nuvens eletrônicas no átomo central é diferente do número de átomos (do mesmo elemento químico) ligados a esse átomo, exemplo: molécula de água (H2O). O oxigênio possui seis elétrons na camada de valência e usa esses elétrons em cada uma das ligações simples com os átomos de hidrogênio. Assim sobram quatro elétrons não ligantes no oxigênio, que formam duas nuvens eletrônicasque são pares de elétrons. Como a molécula de água possui no seu átomo central 4 nuvens eletrônicas e existe 2 átomos do mesmo elemento (hidrogênio) ligados a ele, ela é polar. Ainda nesse mesmo assunto Dias (s.d) escreve que molécula apolar: é apolar quando o número de nuvens eletrônicas no átomo central é igual ao número de átomos (do mesmo elemento químico) ligados a esse átomo, exemplo: Molécula de gás carbônico (CO2). O carbono possui quatro elétrons na camada de valência e usa dois desses elétrons em cada uma das ligações duplas com os átomos de oxigênio, assim não sobram elétrons não ligantes no átomo central que é o carbono. Como a molécula de gás carbônico possui no seu átomo central 2 nuvens eletrônicas que são 2 ligações duplas e 2 átomos do mesmo elemento (oxigênio) ligados a ele, ela é apolar. 2.3.2 Determinação da polaridade das moléculas pelo vetor momento dipolar Podemos determinar a polaridade de uma molécula utilizando a soma dos vetores momento dipolar (μR). Um vetor momento dipolar é uma seta que indica para qual átomo os elétrons de uma ligação estão deslocando-se (eletronegatividade). (DIAS, [s.d.]). Quando a soma vetorial é zero a molécula é apolar e quando a soma vetorial é diferente de zero a molécula é polar. Dias (s.d) comenta que o HCl é uma molécula de geometria linear, e o átomo de cloro é mais eletronegativo que o átomo de hidrogênio, assim os elétrons da ligação entre eles tendem a se aproximar do cloro, formando um polo negativo e, no hidrogênio, um polo positivo. Como temos somente um vetor na molécula linear, a soma vetorial é diferente de zero (μR ≠ O) e, por isso, a molécula é polar. A molécula de metano Dias (s.d) completa escrevendo que possui quatro ligações entre o carbono e os hidrogênios, como o carbono é mais eletronegativo que 8 o hidrogênio, o vetor momento dipolar é levado a ele. A geometria molecular do metano é tetraédrica e dessa maneira os vetores são posicionados na vertical (dois) e na horizontal (dois). Os vetores da vertical e da horizontal estão na mesma direção, mas em sentidos opostos, logo, eles se anulam. Assim, a soma vetorial é igual a zero (μR = O) e a molécula é apolar. 2.4 Forças Intermoleculares As forças atrativas entre moléculas são conhecidas por forças intermoleculares. Estas forças são responsáveis por existir os estados condensados da matéria, líquidos e sólidos, e condicionam em grande parte as suas propriedades. Nunes (2007) relata um exemplo de uma porção de gelo (água no estado sólido) que é aquecido, a temperatura de 0 °C o gelo vai fundir, até toda a água passar para o estado líquido. Se continuarmos a aquecer a água, a temperatura vai subir até atingir 100 °C, temperatura que a água entra em ebulição. Toda a água passa então ao estado gasoso, encontrando-se as moléculas afastadas umas das outras. Nesse processo todo ocorrem transformações físicas, pois a identidade das moléculas não foi mudada, isto é, não foram quebradas ligações químicas intramoleculares. O tipo de ligações quebradas foram ligações intermoleculares, existentes entre as moléculas. Nunes (2007) continua escrevendo que as ligações dipolo-dipolo ocorrem entre moléculas polares, e têm origem na atração entre polos opostos de moléculas adjacentes. As ligações dipolo-dipolo induzido, acontecem devido à ação de uma molécula polar sobre uma molécula apolar. A distribuição eletrônica da molécula apolar vai ser distorcida por ação da força exercida pela molécula polar, formando um dipolo instantâneo. Quanto maior o número de elétrons numa molécula maior a polaridade, e mais facilmente é induzido um dipolo. 2.5 Solubilidade de Compostos Orgânicos De acordo com Martins (et al.), o método de solubilização é resultado do contato entre o soluto e a substância que deve dissolve-lo, o solvente, sendo definida pela quantidade do soluto que se dissolverá no solvente. A solubilidade então é uma propriedade importante no papel do comportamento das substâncias químicas, e principalmente em compostos orgânicos. Ainda para o autor acima, nas substâncias orgânicas, sua solubilidade está relacionada a estrutura molecular, a polaridade e a interação entre as moléculas. Normalmente os compostos apolares ou fracamente polares se solubilizarão em 9 compostos apolares ou pouco polares, e quando muito polares são solúveis em compostos polares, seguindo a regra de “semelhante dissolve semelhante”. Esta solubilidade depende das forças intermoleculares entre as moléculas, onde elas devem possuir uma força maior para poder quebrar as moléculas do soluto. A solubilidade de solutos apolares em solventes apolares é o processo mais simples por envolver forças de dispersão. A insolubilidade de compostos apolares em polares se dá ao fato de não haver energia suficiente para a quebra das interações entre as moléculas do solvente. 10 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Materiais e Reagentes • Tubo de ensaio; • Espátula; • Estante; • Pipeta de Pasteur; • Béqueres. • Hexano; • Etanol; • Ácido Benzoico; • Ureia; • Éter etílico; • Sódio sulfato anidro; • Água; • Β-Naftol. 3.2 Procedimento Experimental Pegou-se cinco tubos de ensaio e foi adicionado em cada um cerca de 3mL dos solventes especificados no quadro 1, seguindo a ordem estabelecida no mesmo. Em cada um dos tubos colocou-se cerca de 100 mg (uma ponta de espátula) do soluto especificado. Observou-se a solubilidade desse composto em cada um dos solventes à temperatura ambiente e anotou-se o resultado no mesmo quadro, utilizando-se de (+) para solúvel, (-) para insolúvel e (- ; +) para insolúvel a frio e solúvel a quente. Os tubos nos quais não houve solubilização a frio foram levados ao banho- maria, observando-se possíveis mudanças de solubilidade com o aumento da temperatura. Repetiu-se o mesmo procedimento com os demais solutos para anotar-se no quadro 1. Quadro 1 – para preenchimento dos resultados obtidos nos testes de solubilidade. Soluto/Solvente Hexano Éter Etílico Acetato de etila Etanol Água Ácido Benzoico B-Naftol Sódio Sulfato Anidro Ureia 11 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos foram anotados em um quadro, para os compostos que se solubilizavam marcava-se (+), para os não solúveis era marcado (-) e para os que se solubilizavam após aquecimento e não a frio (- ; +). Quadro 2 – Resultados obtidos nos testes de solubilidade. Soluto/Solvente Hexano Éter Etílico Acetato de etila Etanol Água Ácido Benzoico - + + + + B-Naftol + + + + - Sódio Sulfato Anidro - - - - + Ureia - - - - + Ácido Benzoico: após a mistura dos solventes ao soluto obteve-se os resultados acima. O éter etílico, acetato de etila, etanol e a água foram os solventes que se solubilizaram com o ácido pelo fato de o mesmo conter um grupo altamente polar e os solventes também serem apolares, totalmente ou em partes. Apenas com Hexano não houve uma completa solubilidade, a solução adquiriu aspecto turvo, se depositando no fundo do tubo após certo tempo em repouso, o que nos mostra que não houve uma solubilidade total. Esse resultado pode se decorrer do fato da alta polaridade do ácido enquanto a molécula de hexano é bastante apolar, não havendo grupos que interajam com o COOH. A interação existente é nos seus grupos apolares, C6H5 do ácido com o C6H14 do hexano, porém ainda é uma ligação bem fraca, do tipo dipolo induzido. B-Naftol: a partir dos resultados acima, observa-se que apenas a água não solubilizou o soluto. Houve a formação de precipitado cristalino devido ao fato de o soluto ser um composto apolar não se solubilizando em água que é polar, podendo dizer que a molécula do composto possui uma força intermolecular inferior à da água não conseguindo quebrar suas ligações de hidrogênio e se solubilizar. Após aquecimentoem banho maria os cristais continuaram sem se solubilizar, porém a quantidade do líquido diminuiu. Sódio Sulfato Anidro: o soluto não se solubilizou com hexano, éter etílico, acetato de etila e etanol, o que nos diz que é um composto polar por se solubilizar com a água. Tendo uma interação molecular mais forte que a da água para quebrar sua molécula e a solubilizar. Após o aquecimento dos tubos que não se solubilizaram 12 anteriormente não houveram mudanças, o tubo contendo a solução com éter etílico diminuiu de quantidade, porém como os demais o soluto não se solubilizou. Ureia: a ureia não se solubilizou com os solventes hexano, éter etílico, acetato de etila e etanol devido a ela ser um composto polar e os demais apresentarem em sua maioria uma maior parte do composto apolar. O soluto em questão solubilizou-se em água devido os compostos serem polares, onde a força intermolecular envolvida seria o dipolo-dipolo. Após o aquecimento os solutos continuaram sem se solubilizarem e a solução do éter etílico diminuiu de quantidade no tubo de ensaio. Segundo Martins, Lopes e Andrade (2013) tem como conclusão que a solubilidade das espécies orgânicas em solventes polares ou apolares, de uma maneira geral, está relacionada com a polaridade do soluto e do solvente em questão. Solutos apolares em solventes também apolares formam as soluções chamadas ideais, uma vez que todas as interações envolvidas no processo são interações fracas e possuem a mesma ordem de grandeza (forças de London). A análise dos coeficientes de solubilidade de solutos polares em solventes também polares, levando em conta o valor do momento de dipolo das espécies, deve ser feita com cautela. Compostos apresentando valores iguais para o momento de dipolo podem exibir solubilidades bem distintas em solventes como a água, em função da possibilidade ou não, da formação de ligações de hidrogênio entre o soluto e o solvente, o que afeta fortemente a solubilidade. Muitos processos biológicos podem estar diretamente relacionados com a solubilidade das substâncias orgânicas, uma vez que essas podem ser apolares ou fracamente polares e, portanto, liposolúveis, ou se apresentar polares - com possibilidade de formação das ligações de hidrogênio - o que as tornam altamente solúveis na fase aquosa. 13 5 CONCLUSÃO Através da aula prática realizada, tornou-se possível compreender algumas características de solutos/solventes em relação a solubilidade e como isso ocorre. Com a realização deste procedimento nota-se que vários fatores causam influência na solubilidade do composto, principalmente a polaridade, as forças intermoleculares de cada molécula e também a temperatura. No caso deste experimento, a mudança de temperatura nas misturas não resultou em qualquer alteração, contudo aprendeu-se que a temperatura auxilia na reversão de imiscibilidade da substância que muitas vezes não é solúvel a temperatura ambiente, com a elevação da mesma é possível tornar viável a solubilização. A substância polar tende a se dissolver bem em outra substância polar e a substância apolar tende a se dissolver bem em outra apolar. Em relação as forças intermoleculares, pode-se perceber que quando uma molécula possui uma interação molecular mais forte que outra ela tende a quebrar a interação da mesma, tornando possível sua solubilização. Entretanto, a prática obteve soluções miscíveis e imiscíveis, por diferentes fatores, levando a compreensão de que cada composto possui uma solubilidade particular, com seus fatores adjacentes. REFERÊNCIAS BATISTA, Carolina. Polaridade das ligações. Toda Matéria. 2019. Disponível em: < https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ >. Acesso em: 26 fev. 2020. BATISTA, Fábio; et al. Solubilidade e Miscibilidade. Toledo, 2014. Disponível em: <https://pt.slideshare.net/GabrielaBegalli/solubilidade-e-miscibilidade-relatrio>. Acesso em: 25 fev. 2020. DIAS, Diogo Lopes. Polaridade das moléculas. Mundo Educação. [s.d.]. Disponível em: < https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/polaridade-das-moleculas.htm >. Acesso em: 26 fev. 2020. DIAS, Diogo Lopes. Tipos de Geometria Molecular. Mundo Educação. [s.d.]. Disponível em: <https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/tipos-geometria- molecular.htm>. Acesso em: 24 fev. 2020. MARTINS, Claudia Rocha; et al. Solubilidade das Substâncias Orgânicas. Química Nova, Vol. 36, N. 8, p. 1248-1255, Salvador – 2013. Acesso em: 25 fev. 2020. MARTINS, Cláudia Rocha; LOPES, Wilson Araújo; ANDRADE, Jailson Bittencourt de. Solubilidade das substâncias orgânicas. Quím. Nova, São Paulo , v. 36, n. 8, p. 1248-1255, 2013 . Disponível em: < http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100- 40422013000800026&lng=en&nrm=iso >. Acesso em: 28 fev. 2020 NINA. Aula 17 - Polaridade. 2017. PDF. Acesso em: 25 fev. 2020. NUNES, Valentim Maria Brunheta. Forças Intermoleculares e Estados Condensados da Matéria. Instituto Politécnico de Tomar. 2007. Disponível em: < http://www.docentes.ipt.pt/valentim/ensino/Forcas%20Intermoleculares.pdf >. Acesso em: 26 fev. 2020. POLICIA MILITAR. Geometria e Polaridade Molecular. [s.d.]. PDF. Acesso em: 24 fev. 2020. TODA MATÉRIA. Eletronegatividade. [s.d.]. Disponível em: <https://www.todamateria.com.br/eletronegatividade/>. Acesso em: 24 fev. 2020. https://www.todamateria.com.br/polaridade-das-ligacoes/ https://pt.slideshare.net/GabrielaBegalli/solubilidade-e-miscibilidade-relatrio https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/polaridade-das-moleculas.htm https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/tipos-geometria-molecular.htm https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/tipos-geometria-molecular.htm http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422013000800026&lng=en&nrm=iso http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422013000800026&lng=en&nrm=iso http://www.docentes.ipt.pt/valentim/ensino/Forcas%20Intermoleculares.pdf https://www.todamateria.com.br/eletronegatividade/
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