Pratica 1 - Solubilidade e Recristalização

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Universidade Federal do Amazonas – UFAM 
Instituto de Ciências Exatas – ICE
Departamento de Química – DQ
Relatório de Química Orgânica Experimental I
Manaus – AM	
 2019		
Universidade Federal do Amazonas – UFAM 
Instituto de Ciências Exatas – ICE
Departamento de Química – DQ
Alunos: Bianca Melo da Silva Gaspar – 21650357
Brina Aguiar - 21454982
 Evelyn Barreiros Conde de Oliveira – 21553868
 Jacquelinne Gama Balbi - 21456594
 Matheus Souza Carneiro – 21551613
Thaysa Brito de Abreu - 21457985
Wellerson Medeiros Kanarski - 21602701
Data:	03 / 04 /2019
Professora: Dra. Rita de Cassia Saraiva Nunomura
· Solubilidade e Recristalização
Manaus – AM
2019
1. INTRODUÇÃO TEÓRICA 
Muitas substâncias encontradas em nosso dia a dia são misturas homogêneas, onde seus componentes se encontram em uma mesma fase. Essas misturas são chamadas de soluções e podem ser misturas de gases, líquidos ou sólidos. Uma solução é formada quando uma substância se dispersa uniformemente nem outra. Essa dispersão homogênea depende da solubilidade de cada substância em um determinado solvente. Solubilidade, por sua vez, é a quantidade de soluto necessária para formar uma solução saturada em certa quantidade de solvente. 
Um fator que determina a solubilidade é a tendência natural das substâncias se misturarem em interagirem, neste caso as forças intermoleculares contribuem para a solubilização das partículas de soluto nas moléculas de solvente. Determinando assim que, quanto mais fortes as atrações entre as moléculas de soluto e solvente, maior será a solubilidade. (Brown, 2005)
Da solubilidade das amostras nos solventes a frio apenas o hexano não solubilizou. Para os demais solventes pode-se observar a solubilidade do ácido benzoico. E para as amostras à quente aquecido a 80˚C, apenas o tubo 1, contendo hexano não solubilizou.
 Como explicação para a falta de solubilidade do hexano temos que as forças de dispersão de London que mantém as moléculas unidas aumentam com o crescimento do tamanho da molécula, o que leva, geralmente a um decréscimo na solubilidade. Por serem apolares, os alcanos são pouco solúveis em solventes polares como a água, sendo solúveis em solventes apolares ou de baixa polaridade.
Analisando o soluto para os solventes utilizados podemos observar que este é um ácido carboxílico devido à formação das ligações de hidrogênio também quando misturados à água.
Segundo Volhardt, o grupo carbóxi dos ácidos carboxílicos é bastante polar devido à ligação dupla da carbonila e ao grupo hidróxi, que é capaz de formar ligações hidrogênio com outras moléculas polarizáveis, como os álcoois, a água e outros ácidos. 
A recristalização é um método utilizado para a purificação de substâncias sólidas. Ela resulta na ligação de partículas adjacentes, um processo que gera agregados cristalinos maiores e mais fáceis de serem filtrados. (Skoog, 2006) Para ela ocorrer, as moléculas ou íons do soluto devem arranjar-se apropriadamente para formar cristais. O processo de recristalização consiste nada dissolução do sólido a ser purificado em um solvente quente ou em ebulição e logo após realiza-se o processo de filtragem e secagem. Porém, tudo isso depende da escolha de um solvente adequado. 
Para isso, tem-se os objetivos específicos abaixo:
- Preparar diferentes soluções e avaliar suas solubilidades.
- Avaliar as soluções não homogêneas em solvente a frio e a quente.
- Operar e entender o mecanismo da Recristalização.
- Calcular o rendimento percentual de formação do Ácido Salicílico após purificado.
2. MATERIAIS E REAGENTES
Parte 1 – Teste de solubilidade e solvente para recristalização utilizando várias amostras e diferentes solventes
· 
· Tubos de ensaios;
· Suporte para tubos de ensaio;
· Pinças de madeira;
· Banho-Maria;
· Amostras sólidas: acetanilida, ácido benzoico, ácido salicílico, caféina e glicose;
· Solventes: acetato de etila, acetona, água, etanol e hexano.
Parte 2 - Recristalização
· Béquer;
· Bico de gás;
· Carvão ativado;
· Funil de Buchner;
· Funil de vidro sem haste
· Kitassato; 
· Papel de filtro;
· Ácido salicílico.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Parte 1 – Teste de solubilidade e solvente para recristalização utilizando várias amostras e diferentes solventes
Em 5 tubos de ensaio colocou-se cerca de 100 mg de glicose em cada um dos tubos. Em seguida, adicionou-se 1,0 mL de hexano no tubo 1, agitou-o cuidadosamente e observou; no tubo 2, adicionou-se 1,0 mL de acetato de etila; no tubo 3, 1,0 mL de acetona; no tubo 4, 1,0 mL de etanol e no tubo 5, 1,0 mL de água. Anotou-se os resultados observados da solubilidade das amostras nos solventes a frio. Repetiu-se o procedimento para: acetanilida, ácido benzoico, ácido salicílico e cafeína.
Parte 2 - Recristalização
Pesou-se 2g de ácido salicílico e 0,10g de carvão ativado e transferiu-o para um béquer. Ao béquer, adicionou-se cerca de 80 mL de água destilada, aqueceu-se a mistura até a dissolução completa do sólido e manteve o aquecimento por ± 2 min.
Realizou-se a filtração a quente utilizando papel de filtro pregueado, recolheu-se o filtrado em um béquer (Figura 1a). A solução repousou até que voltasse a temperatura ambiente.
Após o resfriamento da solução, filtrou-se a mistura (Figura 1b), e pesou-se o papel filtro (1,185g), e lavou-se os cristais formados com duas porções de água destilada. O sólido cristalizado foi seco em estufa por 15 minutos, e pesou-o, juntamente com o papel filtro. Ao final, calculou-se o rendimento percentual do processo de recristalização.
Figura 1. a) Esquema de filtração utilizando papel de filtro pregueado. b) Sistema de filtração a vácuo.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Parte 1 – Teste de solubilidade e solvente para recristalização utilizando várias amostras e diferentes solventes
Foram realizados testes de solubilidades com 5 sólidos diferentes: glicose, acetanilida, ácido salicílico, cafeína e ácido benzoico todos com os seguintes solventes: Hexano, acetato de etila, acetona, etanol e água.
Na (Figura 2) foi observado que, somente o tubo 5 contendo glicose + água solubilizou-se à frio, enquanto em outros solventes não acontece o mesmo. Porém, mesmo depois de levá-lo ao banho-maria os tubos de ensaios 1, 2, 3 e 4 contendo a glicose, ainda assim não houve a solubilidade dos mesmos. 
Figura 2. Experimento de solubilidade da glicose em diferentes solventes orgânicos a frio.
A solubilidade está ligada a estrutura das moléculas, principalmente a polaridade. No entanto, devemos levar em conta que: ‘’o semelhante dissolve em o semelhante’’. Isso significa que moléculas polares são solúveis em solventes polares e moléculas apolares em solventes apolares. A solubilidade se caracteriza pelas forças intermoleculares, como por exemplo, dipolo-dipolo, ligações de hidrogênio e forças de Van der Waals. De acordo com a literatura, a glicose faz ligação de hidrogênio com água, ligações muitos fortes e difíceis de serem quebradas (Figura 3). A capacidade de a glicose interagir com água explica a diferença entre os outros solventes já que uma vez, mesma apresenta sítios polares e apolares. O hexano, por exemplo, é um solvente que evapora muito rápido e é apolar, o que dificulta a solubilidade de quase todos sólidos que são polares mesmo se aumentamos a temperatura (MARTINS; ARAÚJO; BITTENCOURT, 2013). A solubilidade também está relacionada a vários fatores como: a concentração, a temperatura e o peso molecular da espécie química na solução. Portanto, quanto maior a concentração da espécie presente na solução menor será a sua solubilidade e vice-versa. Com o aumento da temperatura é possível que o determinado sólido se dissolva na solução. E o quanto maior o número de átomos na estrutura molecular menor será a sua solubilidade. Todos esses fatores influenciam na solubilidade de compostos orgânicos e inorgânicos. Assim, a solubilidade da glicose pode ser afetada fortemente com base no que foi discutido anteriormente (GLICOSE et al., 2010).
Figura 3. Interação da molécula de açúcarcom água pela ligação de hidrogênio. 
Na (Figura 4) foi possível observar que os tubos de 1 a 4 acetanilida se dissolveu a frio, enquanto o tubo 5 onde continha o solvente água não se solubilizou formando um precipitado como na figura abaixo. Após o banho-maria do tubo 5, notou-se que o mesmo se solubilizou a uma temperatura de 80ºC. Na literatura, relata que acetanilida é do grupo funcional da amidas. As amidas são solúveis em água na menor proporção de atomos possíveis, enquanto cadeia maiores difculta a sua dissolução em água e assim aumentando sua solubilidade em solventes orgânicos. Entretanto, uma vez que é acetanilida é elevada à uma temperatura pode tornar a sua dissolução em água. Além disso, as amidas apresentam caractér polar, realizando ligações de hidrogênio com água.
Figura 4. Experimento com acetanilida com diferentes solventes a frio.
Contudo, acetanilida dissolveu devido interação entre as moléculas do soluto e do solvente, onde apresentam estrutura maiores do que da água. Na (Figura 5) é possível visualizar asolubilidade da acetanilidade em vários solventes inclusive água.
Figura 5. Dados físicos-químicos da acetanilida e outros compostos em vários solventes orgânicos.
Na (Figura 6) a reação de ácido salicílico com os solventes (acetato de etila, acetona, etanol, hexano e água), observou-se que houve solubilidade a frio em três tubos (2, 3 e 4) depois de ter agitado. Nos tubos 1 e 5 não ocorreu reação alguma, a frio. Depois de aquecer os tubos 1 e 5 para analisar se haveria solubilidade, percebeu-se que apenas o tubo 1, mesmo aquecendo a 80ºC, não houve solubilização. Na (Figura 7) reação da cafeína com os mesmos solventes, não ocorreu solubilização em nenhum dos tubos a frio. Então, todos os tubos foram aquecidos a 80ºC, mas mesmo assim a maioria não se solubilizou. Nos tubos 2 e 5, percebeu-se que houve pouca solubilização deixando um fragmento de corpo de fundo.
Figura 6. Experimento do ácido salicílico em diferentes solventes orgânicos e água a frio.
Figura 7. Experimento da cafeína em diferentes solventes orgânicos e água a frio.
A explicação para as reações de ácido salicílico e a cafeína com os respectivos solventes se baseia nas interações intermoleculares. De acordo com a literatura, as forças intermoleculares são de importância primordial na explicação das solubilidades das substâncias. A estrutura cristalina ordenada do sólido é destruída e o resultado é a formação de um arranjo mais desordenado das moléculas (ou íons) em solução. Dentre os dois sólidos (ácido salicílico e a cafeína), nenhum se solubilizou em hexano. Isso ocorre porque o hexano, por se uma molécula apolar possui forças de van der Waals e não consegue reagir com os sólidos por ser extremamente apolar. A reação com água ocorreu pelo fato de água ser altamente polar e é capaz de formar ligações de hidrogênio forte, no caso da cafeína ela só se solubiliza na presença de aquecimento. A solubilização com a acetona não ocorreu na cafeína nem com aquecimento, pelo motivo de a acetona ser um exemplo de molécula com dipolo permanente porque o grupo carbonila que ela contêm é altamente polarizado, porém ela solubiliza com o ácido salicílico pelo fato de sua estrutura poder suportar esse tipo de atração. Com o etanol ocorreu solubilização com o ácido salicílico, mas não reagiu com a cafeína porque o etanol possui em sua molécula uma parte polar e outra apolar possuindo forças do tipo dipolo-dipolo e com acetato de etila ocorreu em ambos os sólidos (com a cafeína solubilizou apenas com aquecimento) porque a estruturas suportam reagir.
Parte 2 - Recristalização
Ao final da filtração a quente e secagem do papel filtro com os cristais de ácido salicílico foi constatado um peso de 1,853g (papel filtro + cristais), com isso pode-se observar uma recristalização de 0,668g de ácido salicílico, logo o rendimento do experimento pode ser calculado:
Massa inicial do papel filtro – 1,185g
Massa final do papel filtro – 1,1853g
Massa inicial de ácido salicílico – 2,000g
Massa final de ácido salicílico – 0,668g
Rendimento percentual = (Massa final / Massa inicial)*100
(0,668/2,000)*100% = 33,4%
5. CONCLUSÃO
Com os resultados das práticas realizadas foi possível constatar a influência das forças intermoleculares na solubilidade de cada substância, e que o aquecimento pode facilitar a solubilização de um soluto em um solvente, como ocorreu em algumas amostras de cafeína com determinados solventes após serem levados ao banho-Maria.
No processo de recristalização pode-se comprovar na prática, conforme a teoria expõe, que este processo é ótimo na purificação de sólidos orgânicos, pois consegue remover as impurezas desejadas. E também a comprovação da interligação do processo de solubilidade com o da recristalização.
Conferiu-se as reações entre as substâncias, percebeu-se as ligações e a forças intermoleculares ocorridas. Constatou-se que o processo é de boa utilidade pois obteve-se um rendimento de 33,4%.
· Questões
Parte 1 – Teste de solubilidade e solvente para recristalização utilizando várias amostras e diferentes solventes
1. Analise a estrutura química de cada uma das substâncias utilizadas (amostras sólidas e solventes) e determine as interações intermoleculares existentes (ligação de hidrogênio, dipolo-dipolo e van der Waals). Se necessário, reveja os conceitos de ligação covalente polar e apolar.
De acordo com as estruturas químicas de cada substância que foi utilizada durante o processo, foi possível verificar que as interações intermoleculares foram essenciais para compreender cada reação. O ácido benzóico, a glicose, a aspirina, a água, o etanol e o ácido salicílico realizaram ligações de hidrogênio, que é uma interação entre átomos de hidrogênio de uma molécula com átomos de elementos altamente eletronegativos (oxigênio, flúor e nitrogênio) de forma que o hidrogênio sirva como "elo" entre os átomos com os quais interage. Já a cafeína realiza interações dipolo-dipolo, que por sua vez, são interações que ocorrem somente em moléculas polares, onde a carga parcial é distribuída de forma desigual entre os átomos da ligação. O acetato de etila e a cetona também realizaram interações dipolo-dipolo. O hexano por sua vez realizou interações de Van der Waals.
2. Utilizando as análises efetuadas na questão anterior, ordene os solventes utilizados em ordem decrescente de polaridade (do maior para o menor).
Os solventes utilizados na prática foram: Acetato de Etila, Acetona, Água, Etanol e Hexano. 
Como a interação por Ligação de Hidrogênio é a que apresenta maior polaridade, pois é constituída por, pelo menos, uma ligação hidrogênio-nitrogênio/oxigênio/flúor, sabe-se que o hexano, dentre os solventes utilizados, é o que apresenta menor polaridade, pois apresenta apenas ligações carbono-hidrogênio. 
3. Utilizando as análises efetuadas nas questões anteriores, e os resultados do experimento, ordene as amostras em ordem decrescente de polaridade.
Entendendo que a ligação de hidrogênio é uma interação molecular extremamente forte e, por consequência, a polaridade da molécula aumenta, logo temos a escala decrescente das amostras abaixo: 
(Glicose > Ácido Salicílico > Aspirina > Ácido Benzoico > Cafeína)
4. Compare os dados de literatura encontrados no The Merck Index com os observados no experimento.
A glicose, que foi a primeira amostra utilizada, a mesma somente é solúvel na água em solvente a frio, enquanto não se dissolve no acetato de etila, acetona, etanol e hexano. A glicose não se dissolve no hexano, pois são moléculas com níveis diferentes de polaridade e interações intermoleculares. A glicose se dissolve em água, pois são compostos muito polares e apresentam interações semelhantes (Ligação de Hidrogênio). Os demais compostos não se dissolveram na glicose, por possíveis diferentes causas: imperícia na visualização da solução, reagentes utilizados fora do período de validade e quantidades em excesso de soluto numa solução.
Analisando a aspirina (Ácido Acetilsalicílico), percebe-se que, pela tabela abaixo, a mesmase dissolve na acetona e etanol, o que é totalmente justificável, pois são compostos polares e por consequência são miscíveis entre si. A aspirina não se dissolveu em hexano, pois são moléculas com níveis de polaridade distintos e nem na água e acetato de etila, mesmo que os compostos tenham polaridades parecidas. Mais uma vez, os resultados podem ter sido distorcidos em virtude do uso de apenas 10 mL de solvente em quantidades talvez um pouco acima do ideal de soluto.
Analisando o ácido benzóico, percebe-se que o mesmo se dissolve em acetona e etanol, pois são compostos com propriedades físicas parecidas e por consequência tem maior facilidade de miscibilidade no solvente. Porém, o Ácido Benzoico não se dissolve em hexano nem a frio nem a quente, pois são compostos que são incompatíveis em termos de solubilidade. O ácido benzoico não se dissolve em acetato de etila a frio, mas em meio mais quente se dissolve, talvez pelo fato de o aumento da temperatura interferir proporcionalmente no limite de solubilidade. Já a solubilidade do Ácido Benzoico em Água nem a quente nem a frio aconteceu. 
O ácido salicílico se dissolve em Acetato de Etila, Acetona e Etanol em meio frio e na água em meio quente. Foi a amostra com maior capacidade de dissolução nos solventes analisados na bancada (hexano/água/acetato de etila/acetona/etanol). Até a solubilidade do ácido salicílico em hexano aumentou com o aquecimento em banho-maria.
A última amostra utilizada foi a cafeína que não se dissolveu em nenhum solvente a meio frio, o que, em tese, pela literatura, mostra-se incompatível, visto que a cafeína é extremamente polar, e por essas características, deveria ter facilidade de dissolução na água, etanol e acetona. Em aquecimento banho -maria, a cafeína se dissolveu apenas na presença de acetona, nos demais solventes não ocorreu mudança da mistura bifásica.
5. Você pode concluir que é realmente verdadeira a premissa de que semelhante dissolve semelhante?
A premissa presente de que composto semelhante dissolve composto semelhante não é válida necessariamente em todos os casos, porque a mistura, por exemplo, de etanol (molécula polar) com a gasolina (molécula apolar–hidrocarbonetos) são miscíveis entre si, o que, em tese, não deveria o correr. Em geral, os compostos orgânicos seguem a regra do “semelhante dissolve semelhante”, ou seja, os compostos polares dissolvem-se em outros compostos orgânicos polares, enquanto os apolares dissolvem -se nos apolares. Por exemplo, a graxa é apolar e dissolve -se na gasolina, que também é apolar. 
Parte 2 - Recristalização
1. Descrever todas as etapas de uma recristalização. 
- Escolha do solvente;
- Dissolução da substância impura a uma temperatura próxima do ponto de ebulição do solvente;
- Filtração à quente da solução de modo a eliminar qualquer material insolúvel; 
- Resfriamento do filtrado; 
- Separação dos cristais formados por filtração à vácuo;
- Secagem do material.
2. Quais características deve possuir um solvente para ser usado em recristalização? 
O solvente ideal deve dissolver grande quantidade da substância em temperatura elevada e pequena quantidade em temperaturas baixas. Observar também a polaridade ("semelhante dissolve semelhante"), além de outros fatores como a facilidade de manipulação, a volatilidade, a inflamabilidade e o custo também devem ser levados em conta. 
3. Qual a função do carvão ativo? 
Utiliza-se o carvão ativo com o objetivo de adsorver as impurezas, entretanto é usado em pequenas quantidades, caso contrário, o excesso de carvão pode levá-lo a adsorver também a substância a ser cristalizada. A quantidade ideal de carvão ativo é de 1% a 2% (peso por peso) do total pesado da amostra, se não for suficiente vai se adicionando mais 0,5% até que limpe todas as impurezas.
4. Por que é mais indicado que a solução seja resfriada espontaneamente depois de aquecida?
Pois com o resfriamento espontâneo há a formação dos cristais de forma mais organizada. Isso faz com que todos os cristais sejam formados por espécies iguais. Isso dá ao cristal formado uma pureza maior. Além disso o resfriamento rápido resulta na formação de cristais muito pequenos que absorvem as impurezas contidas na solução com maior facilidade ocorrendo uma aglutinação.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] Brown, T.L; Lemay, H.E; Bursten, B.E, - Química, A Ciência Central. 9ª edição; São Paulo : Pearson Prentice Hall, 2005.
[2] SKOOG, Douglas A., et al. Fundamentos de química analítica. São Paulo, SP: Thomson Learning, 2006.
[3] Vollhardt, Peter. Química Orgânica : estrutura e função. Peter Vollhardt, Neil Schore ; 6. ed. – Porto Alegre : Bookmam.
[4] GLICOSE, D. O. S. D. E. et al. Flávio C. Silva, Moilton R. Franco Júnior 2. 2010. 
[5] MARTINS, C. R.; ARAÚJO, W.; BITTENCOURT, J. Quim. Nova,. v. 36, n. 8, p. 1248–1255, 2013.