Relatório Solubilidade de Compostos Orgânicos | Solubilidade | Polaridade Química
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SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS _Química_UTFPR_2010
Relatório 1 - Solubilidade de compostos orgânicos.docx
1 - relatorio solubilidade
relatório de química orgânica (desidratação dos álcoois)
Relatório Quimica Destilação Simples e Fracionada
determinação da solubilidade
relatorio sintese acetanilida
DETERMINAÇÃO DE PONTO DE FUSÃO, EBULIÇÃO E DENSIDADE__Química_UTFPR_2010
62906340-Questionario-05
Expto 5 - Solubilidade
INTRODUO Entende-se por solubilidade a quantidade necessria de soluto a fim de se obter uma soluo saturada em certa quantidade de solvente (1). Grande parte dos processos rotineiros de um laboratrio de Qumica Orgnica (reaes qumicas, mtodos de anlise e purificao de compostos orgnicos) efetuado em soluo ou envolve propriedades relacionadas solubilidade de compostos orgnicos (2). A solubilidade, tal qual o ponto de fuso e ebulio, depende principalmente das foras intermoleculares, no entanto, a solubilidade obtida misturando molculas de tipos variados (3). Os conceitos polar e apolar so tambm importantes para anlise de solubilidade, no entanto esses termos exigem interpretao inteligente. No podemos dividir as molculas em duas categorias, molculas polares e molculas apolares, pela simples razo que a polaridade uma grandeza que pode variar continuamente de zero (para H2, por exemplo) at um valor mximo, que corresponde a uma substncia totalmente inica. Como existem molculas com quase todos os valores intermedirios possveis, no h como estabelecer um ponto definido para dividir em dois grupos (4). Diversos so os fatores que afetam a solubilidade, como por exemplo, as interaes soluto-solvente, onde h uma tendncia natural de as substncias se misturarem. Entretanto, se isso fosse tudo o que estivesse envolvido, o esperado seria que as substncias fossem completamente solveis umas nas outras. Evidentemente, esse no o caso (1). Em geral, quando outros fatores so comparveis, quanto mais fortes as atraes entre as molculas de soluto e de solvente, maior a solubilidade. Como resultado de atraes dipolo-dipolo favorveis entre as molculas de solvente e de soluto, lquidos polares tendem a dissolver-se mais rapidamente em solventes polares. Assim, molculas polares, especialmente as que podem formar ligaes de hidrognio com molculas de gua, tendem a ser solveis em gua (1). A gua deve suas relevantes propriedades como solvente em substncias inicas no somente sua polaridade e sua elevada constante dieltrica, mas tambm ao fato de possuir o grupo OH e por formar pontes de hidrognio (2). solubilidade de compostos org nicos um importante par metro para a caracterizao qumica. Testes de solubilidade permitem prever a presena ou ausncia de grupos funcionais e reatividade em alguns casos. De forma genrica, os testes de solubilidade permitem em uma primeira anlise classificar o composto em substncia cida, bsica ou neutra. Assim os testes so realizados em gua, soluo de hidrxido de sdio, soluo de bicarbonato de sdio, cido clordrico diludo, ter e cido sulfrico concentrado a frio (5). A solubilidade dos compostos orgnicos pode ser dividida em duas categorias principais: a solubilidade decorrente da simples miscibilidade e a solubilidade resultante de uma rea o qu mica por e emplo uma rea o cido-base s duas esto inter-relacionadas primeira para determinar os solventes apropriados para recristali a o anlises espectrais e reaes qu micas segunda usada para identificar os grupos funcionais (6). Muitas reaes que ocorrem em testes de solubilidade so reaes cido-base. Sabendo-se que h duas definies, a teoria de Bronsted- Lowry e a de Lewis. Segundo a teoria de Bronsted- Lowry, um cido uma substncia que pode doar (ou perder) um protn e uma base uma substncia que pode receber (ou remover) um prton. Na teoria de Lewis os cidos so receptores de par de eltrons e bases so doadores de par de eltrons (7). Os testes de solubilidade desta prtica sero iniciados pelo ensaio com gua. Os qumicos orgnicos geralmente definem um composto como solvel em gua se um mnimo de 3 g do composto orgnico dissolve-se em 100 mL de gua, ou seja, 3% - ou 0,1 g para 3 mL. Verifica-se que para compostos contendo um grupo hidroflico e, portanto, capaz de
formar ligaes de hidrognio fortes, valem as seguintes regras: os compostos com um a trs tomos de carbono so solveis em gua, os compostos com quatro ou cinco tomos de carbono esto na linha limtrofe e os compostos com seis tomos de carbono so insolveis. As referidas regras no se aplicam para compostos com mais de um grupo hidroflico (7). Assim, trs informaes podem ser obtidas com relao a uma substncia desconhecida, atravs da investigao de seu comportamento quanto solubilidade em: gua, soluo de hidrxido de sdio 5%, soluo de bicarbonato de sdio 5%, soluo de cido clordrico 5% e cido sulfrico concentrado a frio. Em geral, encontram-se indicaes sobre o grupo funcional presente na substncia (por exemplo, uma vez que os hidrocarbonetos so insolveis em gua, o simples fato de um composto como o ter etlico ser parcialmente solvel em gua indica a presena de um grupo funcional polar). Alm disso, a solubilidade em certos solventes fornece informaes mais especficas sobre um grupo funcional (por exemplo, o cido benzico insolvel em gua, mas o hidrxido de sdio diludo o converte em seu sal, que solvel. Assim, a solubilidade de um composto insolvel em gua, mas solvel em soluo de NaOH diludo uma forte indicao sobre o grupo funcional cido). Finalmente, possvel, em certos casos, fazer dedues sobre a massa molecular de uma substncia (por exemplo, em muitas sries homlogas de compostos monofuncionais, aqueles com menos de cinco tomos de carbono so solveis em gua, enquanto que os homlogos so insolveis) (8). Os compostos cidos so classificados por intermdio da solubilidade em hidrxido de sdio 5%. Os cidos fortes e fracos so distintos por serem os primeiros solveis em bicarbonato de sdio a 5%, enquanto que os ltimos no o so. Os compostos que atuam como base em solues aquosas so detectados pela solubilidade em cido clordrico a 5% (2). Muitos compostos que so neutros frente ao cido clordrico a 5%, comportam-se como bases em solventes mais cidos, como cido sulfrico ou cido fosfrico concentrados. Em geral, compostos contendo enxofre ou nitrognio deveriam ser solveis neste meio (2).
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo geral: - Compreender a conceituao de solubilidade, bem como observar sua aplicao prtica no laboratrio; - Adquirir informaes sobre determinados grupos funcionais, presentes nas amostras, identificando-os. 2.2 Objetivos especficos: Determinar a solubilidade das amostras lquidas e slidas (A, B, D, E e F) expostas para a prtica; Identificar os grupos funcionais presentes nas amostras, correlacionando-os s respectivas classes de solubilidade; Desenvolver a habilidade necessria para propor qual composto orgnico est sendo analisado em cada caso, observando tambm, para isso, as suas propriedades fsicoqumicas.
3. MATERIAIS E MTODOS 3.1 Materiais utilizados: 1. Papel indicador de pH; 2. 10 tubos de ensaio; 3. Proveta de 10,0 ml; 4. 4 Pipetas de 1,00 ml; 5. Pisseta; 6. Esptula; 7. Conta-gota; 8. Capela; 9. culos de proteo; 10. Banho Maria. 3.2 Reagentes utilizados: 1. gua destilada (H2O); 2. ter etlico; 3. Soluo aquosa de hidrxido de sdio (NaOH) a 5%; 4. Soluo aquosa de cido clordrico (HCl) a 5%; 5. Soluo aquosa de cido fosfrico (H3PO4) a 85%; 6. Soluo de bicarbonato de sdio (NaHCO3) a 5%; 7. Soluo de cido sulfrico concentrado (H2SO4) a 96%; 8. p-metilanilina (C7H9N); 9. cido benzico (C7H6O2); 10. Naftaleno (C10H8); 11. Acetato de Etila (C4H8O2); 12. Glicerol (C3H8O3).
3.3 Procedimento Experimental: As tarefas dentro do laboratrio foram divididas entre os integrantes da equipe e realizadas com bastante cautela. Ao tubo de ensaio foi adicionado 3,0 mL do solvente com auxlio de uma pipeta, em seguida, acrescentou-se 5 gotas do lquido desconhecido ou uma ponta de esptula do slido desconhecido. Todos os solutos que no se dissolveram de imediato temperatura ambiente, foram esquentados em banho Maria em temperatura entre 50,0 e 55,0C. Foram medidos, com papel indicador, os valores de pH das solues em que o soluto dissolveu-se em gua ou em solventes aquosos. Para fazer a identificao iniciamos o primeiro teste colocando gua como o solvente dentro de 5 tubos e aps colocando uma amostra diferente em cada tubo. Cada tubo foi agitado cuidadosamente. Verificou-se o que ocorreu com cada tubo com amostra e gua e anotou-se o observado. Segundo o esquema 1, seguiu-se com as anlises. Aos que no eram solveis em gua fez-se outro teste com o NaOH 5% como solvente. Aps acrescentar as amostras observou-se o que ocorreu a cada amostra e ento anotou-se. Aos que eram solveis em gua fez-se um teste com ter como solvente e observou-se o que ocorreu as amostras e anotou-se. Aps o teste com NaOH 5% fez-se outro teste com as amostras que no solubilizaram usando HCl 5% como solvente, observando e anotado o que ocorria.
O penltimo teste com os que no solubilizaram em HCl 5% foi feito usando como solvente H2SO4 96%. O ltimo teste foi realizado com a amostra que foi solvel em H2SO4 96% utilizando-se como solvente o H3PO4 85%. E tudo foi observado e anotado. Como o nmero de experimentos a serem realizados era bem maior que o nmero de tubos de ensaio disponveis, estes foram sendo lavados no decorrer da prtica para poderem ser utilizados novamente. Ao trmino de todos os experimentos, os materiais utilizados pela equipe foram devidamente lavados. Os testes de solubilidade esto descritos pelo Esquema e a classifica o apresentado na Tabela 1 (2).
4. RESULTADOS E DISCUSSES A solubilidade est intimamente relacionada polaridade da molcula o carter polar ou apolar da substncia influi muito, j que devido polaridade das substncias, estas sero mais ou menos solveis (5). Por outro lado a miscibilidade, caracteriza a capacidade que uma substncia lquida tem de se misturar, formando um sistema homogneo, ou se dissolver em outro lquido. Neste caso, geralmente considera-se a miscibilidade como uma propriedade mtua entre os dois lquidos do sistema. Os lquidos que formam duas camadas so imiscveis. Sabe-se que a gua polar e o ter etlico apolar. Sendo assim quando o composto orgnico dito solvel tanto em gua quanto em ter etlico significa dizer que ele solvel em um e misc vel em outro Uma ve que semelhante dissolve semelhante no h como um composto orgnico ser solvel ao mesmo tempo, pelo fator solubilidade, em dois outros compostos de polaridades diferentes. Por exemplo, se o composto orgnico for polar, ele dissolve-se na gua por possuir a mesma polaridade e miscvel em ter etlico, caso este composto seja solvel nos dois solventes. Aps realizarmos os testes de solubilidade, obtivemos os seguintes resultados: - Amostra A Verificou-se que a substncia desconhecida nmero 1, caracterizada como sendo um lquido bastante viscoso e sem colorao, solvel em gua. Tal fato foi verificado temperatura ambiente, sem que houvesse a necessidade de aquecimento. O pH medido para tal soluo foi 5 e no houve alterao no tornassol. Seguindo o esquema 1, verificou-se, ainda, que a substncia pouco solvel em ter, o que leva a crer que a mesma pertence classe de solubilidade S1, que, de acordo com a tabela 1, em anexo, corresponde a lcoois, aldedos, cetonas, steres, nitrilas e amidas monofuncionais com cinco tomos de carbono ou menos. Dentre os possveis compostos, o glicerol enquadra-se em tais caractersticas. Tal substncia solvel em gua e pouco solvel em ter. Dentre as caractersticas fsicoqumicas do glicerol as propriedades de ser um lquido oleoso, incolor, viscoso e de sabor doce, solvel em gua e lcool em todas as propores e pouco solvel em ter, acetato de etila e dioxano e insolvel em hidrocarbonetos. Devido combinao de propriedades fsicoqumicas como no toxidade, ausncia de cor e odor, o glicerol uma sustncia com grande variedade de aplicaes tanto na indstria quanto na farmcia, um polilcool de frmula estrutural apresentada na Figura1 (9).
Figura 1- Estrutura do Glicerol
- Amostra F
O segundo composto desconhecido (F), caracterizado como sendo um slido formado por pequenos cristais brancos, passou pelos testes de solubilidade e verificou-se que insolvel em gua. Seguindo o esquema 1, verificou-se tambm que o composto insolvel em NaOH 5% e em HCl 5%. Tais fatos foram observados mesmo aps o aquecimento das solues. A amostra insolvel em H2SO4 96%, mesmo depois de agitada e aquecida a soluo no solubilizou. Tais fatos levam a crer que a substncia pertence classe de solubilidade I, que, de acordo com a tabela 1, corresponde a hidrocarbonetos saturados, alcanos halogenados, haletos de arila, teres diarlicos e compostos aromticos desativados. Dentre os possveis compostos, o que mais se enquadra em tais caractersticas o naftaleno. O naftaleno pertence, classe de solubilidade I, visto que insolvel em gua, NaOH, HCl e H2SO4 (10). O naftaleno no solubilizou em gua devido a sua natureza claramente apolar. Considerando esta caracterstica pode-se dizer que o naftaleno no apresenta carter cido ou bsico o suficiente, nem grupos ativadores, para reagir com o hidrxido de sdio e o cido clordrico 5%.
4.1 RESPONDER DURANTE A PRTICA 1) Indique as classes de solubilidade a que os compostos abaixo pertencem, baseando-se apenas em suas caractersticas estruturais e no Esquema 1. a) 3-metoxifenol, cicloexanona, propionato de sdio. - 3-metoxifenol: Possui um grande nmero de tomos de carbono, uma alta massa molecular, no possui molculas capazes de formar ligaes de hidrognio entre elas, considerado um cido orgnico fraco, com tais caractersticas seria insolvel em gua. Fenis so substncias solveis em hidrxido de sdio 5% e insolveis em bicarbonato de sdio, logo pertenceria o 3-metoxifenol ao grupo A2. - Cicloexanona: As cetonas cclicas por possuirem uma massa molecular alta tem solubilidade limitada a gua, cetonas cclicas so solveis em cido fosfrico pois possuem menos que nove carbonos em sua estruturas compostos que so solveis em cido fosfrico pertencem ao grupo N1 (cetona cclica). - Propionato de sdio: Um sal orgnico, compostos solveis em gua e ter geralmente possuem tomo de oxignio e/ou nitrognio em sua estrutura, so solveis em gua por possurem poucos tomos de carbono solvel em gua e ter(composto inico), possuindo um pH neutro, pertenceria ao grupo S2 (sais de cidos orgnicos). b) 3-metileptanal, cido oxlico, 2-bromooctano. - 3-metileptanal: aldedo, insolvel em gua, pois possui muitos tomos de carbono. Possui menos que nove tomos de carbono, logo solvel em cido fosfrico, pertenceriam ao grupo N1. - cido oxlico: cido orgnico forte, insolvel em gua, pois possui alta massa, molecular solvel em hidrxido de sdio, uma vez que a reao cido-base forte formar um sal solvel e solvel em bicarbonato de sdio, pertenceria ao grupo A1. - 2-bromooctano: alcano halogenado insolvel em gua por possuir uma alta massa molecular, insolvel em hidrxido de sdio, cido clordrico e cido sulfrico, pertenceria ao grupo I.
2) Um composto desconhecido solvel em gua e em cloreto de metileno. O teste com papel de tornassol indicou colorao azul. Qual(is) do(s) composto(s) abaixo poderia ser o desconhecido? Quais seriam solveis em H2SO4 95%? (a) 2,3-dibromopentano (b) dietilamina (c) 3-etilfenol dimetiloctano (e) 4-etilanilina (d) 2,4-
O composto desconhecido seria a dietilamina, uma amina de baixa massa molecular e possui molculas capazes de formar ligaes de hidrognio entre elas, se comporta como uma base fraca, seria solvel em cloreto de metileno As outras substncias: 2,3-dibromopentano, 2,4-dimetiloctano possuem muitos tomos de carbono e um deles possui um halognio. O etifenol um cido fraco insolvel em gua e a 4-etilanilina possui alta massa molecular. Os solveis em cido sulfrico: 3-etilfenol. Alcanos e cicloalcanos so insolveis em cido sulfrico, compostos aromticos tambm.(VOGEL).
3) Se um composto desconhecido fosse insolvel em gua e HCI 5%, quais testes ainda seriam necessrios para identific-lo? (Existe alguma substncia do exerccio 2) que apresentaria estas caractersticas de solubilidade? Se o composto for insolvel em gua e HCL 5% deve-se fazer o teste da solubilidade em H2SO4 96%. Se for insolvel nesse solvente, ele pertence ao grupo I, se solvel, faria o teste com o H3PO4 85%, que sendo solvel ou no determinaria a substncia. No exerccio 2, as substncias que so insolveis em cido sulfrico e pertencem ao grupo I so: o 2,3-dibromopentano e o 2,4-dimetiloctano.
QUESTIONRIO 1) Qual o significado da expresso semelhante dissolve semelhantes? A solubilidade de substncias se d em funo de uma afinidade eletrnica existente entre as espcies em um sistema. Essa afinidade eletrnica pode ser expressa na famosa frase: semelhante dissolve semelhante questo semelhante em que aspecto? Para responder essa pergunta, devemos fazer uma anlise da estrutura molecular das substncias envolvidas. Existem basicamente dois meios de substncia no que diz respeito a polaridade: polares e apolares (10). Geralmente solventes polares tendem a dissolver solutos polares, e solventes no polares a dissolver solutos no polares, mas h excees (11). 2) Benzeno anilina, querosene, no se dissolvem em gua. Por outro lado cido actico e etanol se dissolvem. Por qu? Pelo fato do cido actico e do etanol terem hidrocarbonetos em sua cadeia, causam uma afinidade com a cadeia de hidrocarbonetos do benzeno anilina, tornando-o assim miscvel nestes compostos, fato que o torna insolvel em gua, pois sua cadeia de hidrocarbonetos hidrofbica (12). 3) Por que a anilina insolvel em gua e solvel em soluo de HCl a 5%? Na realidade a anilina levemente solvel em gua, devido a presena do anel aromtico. Entretanto, por suas caractersticas bsicas, atribudas ao grupo funcional da amina ligado ao anel aromtico, ela reage com o cido clordrico produzindo um sal de diaznio, que solvel em meio aquoso (13). 4) O cido benzico solvel tanto em soluo aquosa de NaOH a 5% quanto em NaHCO3 a 5%, o p-cresol por sua vez solvel apenas na HaOH (NaOH n?) a 5%, enquanto que o ciclo-hexano no solvel em NaOH, nem em NaHCO3. Como se explicam estes fatos?
Observando as figuras acima, pode se explicar o fato do cido benzico ser insolvel em gua pela presena do anel aromtico em sua estrutura, mas devido ao seu carter cido, apresentado pelo grupo CO2H, ao entrar em contato com o NaOH, substncia de carter bsico, reagiu com esta tornando-se assim solvel nestas solues aquosas e apesar do NaHCO3 ser considerado um sal cido, na presena de um cido forte tem seu hidrognio retirado (14). J o p-cresol por apresentar o anel tambm torna-se insolvel em gua, e por apresentar o grupo funcional OH, apresenta caracterstica de cido fraco, apresentando-se assim solvel apenas na presena da base forte, no tendo fora para retirar do sal bsico o on positivo (14).
E no caso do ciclohexano, por no apresentar em sua cadeia de hidrocabonetos nenhum grupo funcional extremamente insolvel em gua ou qualquer soluo aquosa (15).
5) Que se entende por calor de soluo? Calor de soluo a mesma entalpia de soluo. A entalpia de soluo corresponde variao de entalpia no processo de dissoluo de um mol de uma substncia inicialmente no seu estado gasoso numa determinada quantidade de solvente, originando uma concentrao especfica. As entalpias de soluo podem ser positivas ou negativas, pois resultam da soma entre a energia de rede e a entalpia de hidratao (16).
5. CONCLUSO Com base nos dados obtidos experimentalmente durante a prtica realizada e na bibliografia pesquisada, pode-se comprovar o conceito de solubilidade onde semelhante dissolve semelhante ou seja subst ncia apolar dissolve substncia apolar e substncia polar dissolve substncia polar, conforme salientado no questionrio em anexo. Observou-se tambm o grau de solubilidade das substncias orgnicas dependendo de seus grupos funcionais, que podem tornar compostos aparentemente semelhantes com solubilidades distintas quando testadas em solventes iguais. Pde-se, ainda, absorver alguns dos fatores que interferem na solubilidade dos compostos, sendo s vezes capaz haver a solubilizao de um composto, antes insolvel em determinado solvente, aumentando, por exemplo, a temperatura da soluo ou quantidade do solvente. O que nos leva a concluso de que no existe composto totalmente insolvel, j que sempre alguma quantidade do soluto ter interao com o solvente, sendo, claro, o tamanho de interao proporcional afinidades dos mesmos. E quanto mais quantidade de solvente, mais partes do soluto estaro dissolvidas no mesmo, ou quanto maior a temperatura, maior a agitao molecular e a interao entre os compostos, causando assim a maior interao. importante tambm salientar a importncia da observao das caractersticas fsicoqumicas das substncias e das mnimas diferenas de solubilidade entre elas, para que seja possvel a identificao de compostos orgnicos. Com isto nota-se necessidade de realizar uma outra forma de anlise, caso queira saber exatamente o composto que se encontra em teste. J que este teste identifica apenas por grupos amplos e inespecficos. Entretanto, a dada prtica nos fornece algumas informaes importantes como acidez, basicidade e polaridade conduzindo a um grupo que mesmo sendo constitudos de compostos diferentes, estes apresentam caractersticas semelhantes.
6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS (1) Brown, T. L.; LeMay, H.E.; et al. Qumica: a cincia central, 9 ed., Pearson: So Paulo, 2007. (2) Duvoisin, S.Jr.; Apostila de Qumica orgnica e Bioqumica experimental. Curso de Engenharia Qumica. Escola Superior de Tecnologia, 2011. (3) CONSTANTINO, M. G.; SILVA, G. V. J. da; DONATE, P. M. Fundamentos de Qumica Experimental, EDUSP, So Paulo, 2003; (4) Marques, Alisson; Biturini, Nayara; Solubilidade de compostos Orgnicos; UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO JOO DEL-REI; 2010; (5) VOGEL, A. I. Qumica orgnica: anlise orgnica qualitativa. 3 ed. Rio de Janeiro, Ao Livro Tcnico, S.A. 1981, v. 3; (6) MATOZO, H. C., Qumica Orgnica prtica. Joo Monlevade - Minas Gerais, 2008; (7) Solomons, T.W.G.; Fryhle, C.B; Qumica Orgnica, vol. 1, 9 ed., Editora LTC: Rio de Janeiro, 2009. (8) Disponvel em: <http://www.qmc.ufsc.br/organica/exp4/index.html>, acessada em maro de 2013; (9) BRISSON, D; VOHL, MC; ST- PIERRE, J: HUDSON,TJ; GAUDET, D. Glycerol: a neglected variable in metabolic process? In: BioEssays v.23,pp 534-542, 2001. (10) ARRUDA, P. V.; RODRIGUES, R. C. L. B.; Felipe, M. G. A.; Glicerol: um subproduto com grande capacidade industrial e metablica. Escola de Engenharia de Lorena EEL/USP, So Paulo, 2006/2007; (11) KOSTECZKA, G.L; SILVA, J.M.L; Bueno, L.G.L; Solubilidade de compostos orgnicos. Universidade Tecnolgica Federal do Paran, Curitiba, 2009. (12) Disponvel em: <http://educar.sc.usp.br/quimicaapoio/solubili.html>, acessado em maro de 2013. (13) Disponvel em: <http://hermes.ucs.br/ccet/defq/naeq/materia_didatico/textos_ interativos_33.htm>, acessada em maro de 2013. (14) McMurry, J; Qumica orgnica, vol 1, Cengage Learning: So Paulo, 2008. (15) Disponvel em: <http://www.dequi.eel.usp.br/~croa/pdf/cap5_6.pdf>, acessado em maro de 2013. (16) Disponvel em: <http://ccmm.fc.ul.pt/vnunes/ensino/TQ_Cap3.pdf>, acessado em maro de 2013.