Expto 5 - Solubilidade

Curso: Engenharia Química

Disciplina: Química Orgânica Experimental I

Profa. Dra. Renata Carolina Zanetti Lofrano

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EXPERIMENTO 5: SOLUBILIDADE 1. INTRODUÇÃO A solubilidade de um soluto (uma substância dissolvida) em um solvente (o meio de dissolução) é o princípio químico subjacente mais importante de três técnicas básicas de química orgânica, que são: cristalização, extração e cromatografia. Conhecendo a solubilidade será possível compreender as características estruturais de uma substância que determinam sua solubilidade em vários solventes. Será possível prever o comportamento da solubilidade e compreender as técnicas baseadas nessa propriedade e também conhecer o comportamento da solubilidade auxiliará no entendimento do que está acontecendo durante uma reação, especialmente quando há mais de uma fase líquida presente ou quando se forma um precipitado.

Definição de solubilidade Apesar de freqüentemente descrevemos o comportamento de solubilidade em termos de uma substância ser solúvel (dissolvida) ou insolúvel (não dissolvida) em um solvente, a solubilidade pode ser descrita mais precisamente em termos de até que ponto uma substância é solúvel. A solubilidade pode ser descrita mais precisamente em termos de gramas de soluto por litro (g/L) ou miligramas de soluto por mililitro (mg/mL) de solvente. Quando se descreve a solubilidade de um soluto líquido em um solvente, às vezes é útil empregar os termos miscível e imiscível. Dois líquidos miscíveis vão se misturar homogeneamente (uma fase) em todas as proporções. Por exemplo, água e álcool são miscíveis. Quando misturados em qualquer proporção, somente uma fase será observada. Quando dois líquidos imiscíveis, também é verdade que um deles será completamente solúvel no outro. Dois líquidos imiscíveis não se misturam homogeneamente em todas as proporções; e em determinadas condições, formarão duas camadas ou fases. A água e o éter formam duas fases. No entanto, cada líquido é levemente solúvel no outro. Mesmo quando duas fases estão presentes, uma pequena quantidade de água será solúvel no éter dietílico e vice-versa. Além disso, se somente uma pequena quantidade de um dos dois for adicionada ao outro, ela pode se dissolver completamente e apenas uma fase será observada. Por exemplo, se uma pequena quantidade de água (menos de 1,2%, a 200C) for adicionada ao éter dietílico, a água se dissolverá completamente no éter e somente uma fase será observada. Embora os termos solubilidade e miscibilidade sejam relacionados em seu significado, é importante entender que existe uma diferença essencial. Podem ocorrer três diferentes graus de solubilidade, isto é levemente, parcialmente muito e assim por diante. Diferentemente da solubilidade, a miscibilidade não tem nenhum grau – um par de líquidos é miscível ou não.

A. Soluções nas quais o solvente e o soluto são moleculares

Uma generalização útil na previsão da solubilidade é a regra amplamente utilizada, que afirma “igual dissolve igual”. Essa regra é mais comumente aplicada a compostos polares e apolares. De acordo com ela, um solvente polar dissolverá compostos polares (ou iônicos) e um solvente apolar dissolverá compostos apolares. A razão para esse comportamento envolve a natureza das forças intermoleculares. A força de atração entre moléculas polares é chamada de interação dipolo-dipolo, entre as moléculas apolares, as forças de atração são chamadas de forças de Van der Waals (também conhecida como forças de London ou de dispersão). Em ambos os casos, as forças de atrativas podem ocorrer entre moléculas do mesmo composto ou de diferentes compostos.




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Na tabela 1 é mostrada em ordem crescente a polaridade de alguns compostos e na tabela 2 são apresentados também em ordem crescente a polaridade de solventes de importantes famílias orgânicas

Tabela 1. Compostos em ordem crescente de polaridade.

Polaridade crescente

Hidrocarbonetos alifáticos

Hexano (apolar)

Hidrocarbonetos aromáticos (ligações ππππ)

Benzeno (apolar)

Halocarbonos

Cloreto de metileno (ligeiramente polar)

Compostos com ligações polares

Éter dietílico (ligeiramente polar)

Acetato de etila (polaridade intermediária)

Acetona (polaridade intermediária)

Compostos com ligações polares e ligações de hidrogênio

Álcool etílico (polaridade intermediária)

Álcool metílico (polaridade intermediária)

Água (altamente polar)

Tabela 2. Solventes em ordem crescente de polaridade.

Polaridade crescente aproximada

Funções e solventes orgânicos

RH

ArH

ROR

RX

RCOOR

RCOR

RNH2

ROH

RCONH2

RCOOH

H2O

Alcanos (hexano, pentano, benzeno, éter de petróleo)

Aromáticos (benzeno, tolueno)

Éteres (éter dietílico, dioxano, 1,2-dimetóxietano)

Haletos (CH2Cl2 >>>> CHCl3 > CCl4)

Ésteres (acetato de etila)

Aldeídos, cetonas (acetona)

Aminas (trietilamina, piridina)

Álcoois (metanol, etanol, álcool isopropílico)

Amidos orgânicos (N,N-dimetilformamida)

Ácidos orgânicos (ácido acético)

Água

B. Soluções nas quais o soluto se ioniza e se dissocia

Muitos compostos iônicos são altamente solúveis em água por causa da forte atração entre íons e as moléculas de água altamente polares. Isso também se aplica a compostos orgânicos que podem existir




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como íons. Por exemplo, o acetato de sódio consiste em íons de Na+ e CH3COO-, que são altamente solúveis em água. Apesar de existirem algumas exceções, você pode considerar que todos os compostos orgânicos que estão na forma iônica serão solúveis em água.

O sal solúvel em água, pode ser convertido de volta para o ácido carboxílico original (que é insolúvel em água) pela adição de outro ácido (geralmente HCl aquoso) à solução do sal. O ácido carboxílico precipita em solução.

As aminas, que são bases orgânicas, também podem ser convertidas em sais solúveis em água quando reagem com HCl aquoso diluído. Esse sal pode ser convertido de volta à amina original acrescentando-se uma base (em geral NaOH aquoso) à solução do sal.

Solventes orgânicos

Os solventes orgânicos devem ser manipulados com segurança, sendo esses no mínimo, moderadamente tóxicos e muito são inflamáveis. Os solventes orgânicos mais comuns estão listados na tabela 2. Os solventes marcados em negrito são inflamáveis. Éter, pentano e hexano são especialmente perigosos; quando combinados com a quantidade correta de ar, explodirão. O éter de petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos com predomínio de isômeros de fórmulas C5H12 e C6H14. Ele não é um éter, porque não existem compostos contendo oxigênio em sua composição. Dedique especial atenção quando as instruções se referirem a éter ou éter de petróleo, eles não devem ser confundidos. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Descarte de rejeitos Descarte todos os restos contendo cloreto de metileno no recipiente destinado a rejeitos

halogenados. Coloque todos os outros rejeitos orgânicos no recipiente reservado para o rejeito orgânico não halogenado.

Nota É muito importante que você siga estas instruções cuidadosamente e que seja feita uma agitação

de modo consistente para cada teste de solubilidade.

Parte A. Solubilidade de compostos sólidos

Coloque cerca de 40 mg (0,040 g) de cânfora em cada um dos quatro tubos de ensaio seco. ( Não tente ser exato: mesmo com a diferença de 1 a 2 mg, o experimento ainda vai funcionar). Rotule os tubos de ensaio e, então, adicione 1 ml de água ao primeiro tubo;1 ml de álcool metílico ao segundo tubo, e 1 ml de hexano ao terceiro tubo. O quarto tubo servirá para controle. Determine a solubilidade de cada amostra, da seguinte maneira: agite cada amostra de forma contínua, por 60 segundos. Se um sólido se dissolver por completo, observe quanto tempo demora até que o sólido se dissolva. Após 60 segundos (não agite por mais tempo que isso), verifique se o composto é solúvel (se está completamente dissolvido), insolúvel (se nenhuma parte se dissolve ou parcialmente solúvel. É preciso comparar cada tubo com o tubo de controle, ao fazer essas determinações. A amostra deve ser definida como parcialmente solúvel somente se uma quantidade significativa (pelo menos 50%) do sólido tiver se dissolvido. Para os propósitos deste




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experimento, se não estiver claro que uma quantidade significativa de sólido foi dissolvida, então, defina que a amostra é insolúvel. Se todo o conteúdo, exceto alguns grânulos, tiver se dissolvido, estabeleça que a amostra é solúvel. Mais uma dica para a determinação parcial da solubilidade é dada no parágrafo a seguir. Registre os resultados em seu caderno de laboratório, na forma de uma tabela, como mostrado em seguida. Para substâncias que se dissolvem completamente, observe quanto tempo leva para que o sólido se dissolva. Apesar das instruções dadas possibilitarem determinar se uma substância é parcialmente solúvel, é possível utilizar o procedimento a seguir para confirmar isso. Com uma pipeta de Pasteur, remova cuidadosamente a maior parte do solvente do tubo de ensaio, deixando o sólido ficar. Transfira o líquido para outro tubo de ensaio e, então, evapore o solvente aquecendo o tubo em um banho de água quente. Quando o solvente tiver evaporado completamente, examine o tubo de ensaio para verificar se há algum sólido remanescente. Em caso positivo, o composto é parcialmente solúvel. Em caso negativo, ou se restar muito pouco solido, você pode presumir que o composto seja insolúvel. Agora, repita as orientações apresentadas aqui, substituindo primeiro a cânfora pelo ácido succínico e, depois por naftaleno. Registre os resultados obtidos em seu caderno de laboratório. Parte B. Solubilidade de diferentes alcoóis

Para cada teste de solubilidade (veja a tabela a seguir), adicione 1 ml de solvente (água ou hexano) a um tubo de ensaio e acrescente gota a gota um dos álcoois. Observe cuidadosamente o que acontece à medida que cada gota é adicionada. Se o líquido soluto é solúvel no solvente, você poderá ver minúsculas linhas horizontais no solvente. Essas linhas misturadas indicam que a dissolução está ocorrendo. Agite o tubo após acrescentar cada gota. Enquanto agita o tubo, o líquido adicionado pode se fragmentar em pequenas bolas que desaparecem em alguns segundos. Isso também indica que a dissolução está ocorrendo. Continue acrescentando o álcool e agitando, até ter adicionado um total de 20 gotas. Se o álcool for parcialmente solúvel, você observará que as primeiras gotas se dissolverão, mas eventualmente, uma segunda camada de líquido (álcool não dissolvido) se formará no tubo de ensaio. Registre os resultados verificados (solúvel, insolúvel ou parcialmente solúvel) em seu caderno de laboratório, na forma de tabela.

Compostos orgânicos

sólidos

Solventes

Água

(altamente polar)

Álcool metílico

(polaridade intermediária)

Hexano

(apolar)

Cãnfora

Ácido succínico

Naftaleno

Álcoois Solventes

Água Hexano

Álcool isopropílico

1-Butanol

Álcool metílico




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Parte C. Pares miscíveis ou imiscíveis Para cada um dos seguintes pares de compostos, adicione 1 ml de cada líquido ao mesmo tubo de ensaio. Utiliza um tubo de ensaio diferente para cada par. Agite o tubo de ensaio por dez a vinte segundos para determinar se os dois líquidos são miscíveis (formam uma camada) ou imiscíveis (formam duas camadas). Registre os resultados em seu caderno de laboratório.

• Água e alcool etílico

• Água e éter dietil

• Água e cloreto de metileno

• Água e hexano

• Hexano e cloreto de metileno Parte D. Solubilidade de ácidos e bases orgânicos Coloque cerca de 30 mg (0,030 g) de ácido benzóico em cada um dos três tubos de ensaio secos. Rotule os tubos de ensaio e então adicione 1 ml de água ao primeiro tubo de ensaio, 1 ml de 1,0 mol/L de NaOH ao segundo tubo, e 1 ml de 1,0 mol/L de HCl ao terceiro tubo. Agite a mistura em cada tubo de ensaio por dez a vinte segundos. Observe se o composto é solúvel (se dissolve completamente) ou se é insolúvel (nenhuma parte se dissolve). Registre esses resultados na forma de tabela. Agora, pegue o segundo tubo, contendo ácido benzóico e adicione 1,0 mol/L de NaOH. Enquanto o agita, adicione HCl 1,0 mol/L gota a gota até que a mistura esteja ácida. Teste a mistura com tornassol ou papel de pH para determinar quanto ela é ácida. Quando essa for ácida, agite a mistura durante dez a vinte segundos e anote o resultado (solúvel ou insolúvel) na tabela. Repita esse experimento utilizando valerato de etila e os mesmos três solventes. Registre os resultados. Agora, pegue o tubo contendo valerato de etila e HCl 1,0 mol/L. Enquanto agita, acrescente NaOH 6,0 mol/L gota a gota até que a mistura se torne básica. Teste a mistura com tornassol ou papel de pH para determinar quando ela é básica. Agite a mistura durante dez a vinte segundos e anote o resultado. Obs: Não coloque o tornassol ou papel de pH na amostra; o corante vai se dissolver. Em vez disso, coloque uma gota de solução com sua espátula no papel de teste. Com esse método, diversos testes podem ser realizados utilizando uma única tira de papel.

Compostos Solvente

Água NaOH 1,0 mol. L-1 HCl 1,0 mol. L-1

Ácido benzóico

Adicione

HCl 1,0 mol. L-1

Valerato de etila

Adicione

NaOH 1,0 mol. L-1




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3. EXERCÍCIOS 1. Determine através do experimento se cada um dos seguintes pares de líquidos é miscível ou imiscível.

Acetona e água Acetona e hexano

Como você pode explicar esses resultados, considerando que a água e o hexano sejam imiscíveis?

2. Você receberá um tubo de ensaio com dois líquidos imiscíveis e um composto orgânico sólido que está dissolvido em um dos líquidos. Será dito a você a identidade dos dois líquidos e do composto sólido, mas você saberá as posições relativas dos dois líquidos ou em qual líquido o sólido está dissolvido. Considere o exemplo a seguir, em que os líquidos são água e hexano, e o composto sólido é o naftaleno.

a. Sem realizar qualquer trabalho experimental, preveja onde cada líquido está (na parte de cima ou de baixo) e em que líquido o sólido está dissolvido. Justifique sua previsão. Você pode querer consultar um manual, como The Merck Index ou o CRC HandbookofChemistryandPhysics para determinar a estrutura molecular de um composto ou para encontrar qualquer outra informação relevante. Observe que as soluções diluídas, como HCl 1 mol/L, são compostas principalmente de água e que a densidade estará próxima de 1,0 g/mL. Além disso, você deve assumir que a densidade de um solvente não é alterada significativamente quando um sólido se dissolve no solvente.

b. Agora, tente comprovar sua previsão experimentalmente. Isto é, demonstre em que líquido o

composto sólido está dissolvido e as posições relativas dos dois líquidos. É possível utilizar qualquer técnica experimental discutida neste experimento ou outra técnica que seu professor permita experimentar. Para realizar esta parte do experimento, pode ser útil separar as duas camadas no tubo de ensaio, o que pode ser efetuado facilmente com uma pipeta Pasteur. Aperte o bulbo na pipeta Pasteur e, não e, então coloque a ponta da pipeta no fundo do tubo de ensaio. Agora, retire somente a camada inferior e transfira-a para outro tubo de ensaio. Note que a evaporação da água a partir de uma amostra aquosa demora muito tempo, desse modo, esta pode ser uma boa maneira de mostrar que uma solução aquosa contém um composto dissolvido. Contudo, outros solventes podem ser evaporados mais facilmente. Explique o que você fez e se os resultados de seu trabalho experimental foram ou não consistentes com sua previsão.




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3. Adicione 0,025 g de tetrafenilciclopentadienona a um tubo de ensaio seco. Acrescente 1 ml de álcool metílico ao tubo e agite-o por sessenta segundos. Osólido é solúvel, parcialmente solúvel ou insolúvel? Explique sua resposta. 4. Resuma seus resultados na forma de tabela relativos aos dados obtido na Parte A dos experimentos realizados. 5. Explique os resultados para todos os testes realizados. Ao fazer isso, é preciso considerar as polaridades do composto e do solvente e o potencial para ligações de hidrogênio. Por exemplo, considere um teste de solubilidade similar para o p-diclorobenzeno em hexano. O teste indica que o p-diclorobenzeno é solúvel no hexano. Esse resultado pode ser explicado pela definição de que o hexano é apolar, ao passo que o p-diclorobenzeno é levemente polar. Uma vez que as polaridades do solvente e do soluto são similares, o sólido é solúvel. (Lembre-se de que a presença de um halogênio não aumenta significativamente a polaridade de um composto). 6. Deve haver uma diferença em seus resultados entre as solubilidades do naftaleno e da cânfora em álcool metílico. Explique essa diferença. 7. Deve haver uma diferença em seus resultados entre as solubilidades da cânfora em álcool metílico e cânfora no hexano. Explique essa diferença. 8. Resuma seus resultados na forma de tabela relativos aos dados obtido na Parte B dos experimentos realizados. . 9. Explique os resultados para os testes realizados em água. Ao explicá-los, você deve considerar as polaridades dos álcoois e da água. 10. Explique em termos de polaridade, os resultados para os testes efetuados no hexano. 11. Resuma seus resultados na forma de tabela relativos aos dados obtido na Parte C dos experimentos realizados.

12. Explique os resultados, em termos de polaridade e / ou de ligação de hidrogênio. 13. Resuma seus resultados na forma de tabela relativos aos dados obtido na Parte D dos experimentos realizados. 14. Explique os resultados para o tubo no qual foi adicionado NaOH 1,0 Mol/L ao ácido benzoico. Escreva uma equação e forneça as estruturas completas para todas as substâncias orgânicas. Agora, descreva o que aconteceu quando HCl 6,0 mol/L foi acrescentado a esse mesmo tubo, e explique o resultado. 15. Explique os resultados para o tubo no qual HCl 1,0 mol/L foi adicionado ao valerato de etila. Escreva uma equação para isso. Agora, descreva o que aconteceu quando HCl 6,0 mol/L foi acrescentado a esse mesmo tubo e explique.




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16. Para cada um dos seguintes pares de soluto e solvente, preveja se o soluto será solúvel ou insolúvel. Depois de fazer suas previsões, você pode verificar suas respostas procurando os compostos no The Merk Index ou no CRC HandbookofChemistry e Physics. Geralmente, The Merck Index é o livro de consulta mais fácil de ser utilizado. Se a substância tiver uma solubilidade maior que 40 mg/ml, pode-se concluir que ela é solúvel. a. Ácido málico em água b. Naftaleno em água c. Anfetamina em álcool etílico d. Aspirina em água e. Ácido succínico em hexano (a polaridade do hexano é similar ao do éter de petróleo). f. Ibuprofeno em éter dietílico g. decanol em água

17. Preveja se os pares de líquidos a seguir serão miscíveis ou imiscíveis: a. Água e álcool metílico b.Hexano e benzeno c. Cloreto de metileno e benzeno d. Água e tolueno e. Ciclo-hexanona e água f. Álcool etílico e álcool isopropílico

4. BIBLIOGRAFIA 1. CONSTANTINO, M., DA SILVA, G. V. e DONATE, P. M.; Fundamentos de Química Experimental. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2004. 2. BACCAN, N., DE ANDRADE, J. C., GODINHO, O. E. S., BARONE, J. S., Química Analítica Quantitativa Elementar. 3aedição, São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 2001. 3. FURNISS, B. S. et all., Vogel´s Textbook of Practical Organic Chemistry. 5ª edição, Editora Prentice Hall, 1989. 4. SILVA, R. R.; BOCCHI, N.; ROCHA-FILHO, R. C., Introdução à Química Experimental. São Paulo: Editora McGraw-Hill, 1990. 5. GONÇALVEZ, D., et all, Química Orgânica Experimental. 1a edição, São Paulo: Editora McGraw-Hill, 1988. 6. McMURRY, J., Química Orgânica. 4a edição, Rio de Janeiro: Editora Livros Técnicos e Científicos, 1997. 7. SOLOMONS, T. W. G., Química Orgânica. 7a edição, Rio de Janeiro: Editora Livros Técnicos e Científicos, 2001. 8. MORRISON, R. & BOYD, R., Química Orgânica. 13a edição, Lisboa: Editora Fundação Caloustre Gulbekian, 1996. 9. VOLHARDT, P. C. & NEIL, E., Química Orgânica. 4a edição, Porto Alegre: Editora Bookman, 2004. 10. ALLINGER, N. L., et all, Química Orgânica. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1978.

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