Experimento 2 - Recristalização da Acetanilida (QUI 139) - PDF

Summary

Este documento descreve o experimento 2, recristalização da acetanilida. O documento aborda tópicos como a escolha do solvente, dissolução a quente, filtração a quente e a filtração a vácuo. São apresentadas diversas etapas e informações importantes para a execução do experimento.

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QUI 139 EXPERIMENTO 2 - RECRISTALIZAÇÃO DA ACETANILIDA Prof. Mayura Rubinger 1 INTRODUÇÃO No experimento 1 vimos como determinar se uma substância sólida est...

QUI 139 EXPERIMENTO 2 - RECRISTALIZAÇÃO DA ACETANILIDA Prof. Mayura Rubinger 1 INTRODUÇÃO No experimento 1 vimos como determinar se uma substância sólida está pura, por meio de sua faixa de temperatura de fusão. Constatada a presença de impurezas, um dos métodos mais usados para purificação de uma amostra sólida é a recristalização. Este processo fundamenta-se na diferença de solubilidade das impurezas e do composto de interesse em um solvente ou mistura de solventes. Existem várias maneiras de se realizar uma recristalização. Uma delas, bastante utilizada, envolve a dissolução do material na menor quantidade de solvente possível sob aquecimento, de forma a se obter uma solução saturada ou quase saturada a quente, e o posterior resfriamento lento da solução, com consequente cristalização do soluto. As etapas deste método são: A. Escolher o solvente. B. Dissolver a amostra no solvente a quente. (Se a substância for incolor e a amostra se apresentar colorida pela presença de impurezas, pode ser adequado adicionar carvão ativo nesta etapa.) C. Filtrar a mistura, a quente, para remover impurezas insolúveis a quente, se houver (Ou para separar o carvão ativo adicionado, se for o caso). D. Deixar o filtrado esfriar lentamente até a temperatura ambiente para ocorrer a cristalização. (Após resfriamento, para aumentar a quantidade de cristais pode-se diminuir mais a temperatura com um banho de gelo ou colocando a mistura na geladeira). E. Separar os cristais por filtração a vácuo (O filtrado é chamado de “água-mãe”). F. Lavar os cristais com solvente adequado para remover a água-mãe residual que fica aderida à superfície dos cristais. (Este solvente não pode dissolver os cristais, mas deve dissolver as impurezas solúveis na água-mãe. Além disso, o solvente de lavagem deve ser miscível com a água-mãe.) G. Secar os cristais para remover o solvente residual (Solvente usado na lavagem dos cristais). H. Verificar a pureza da substância. A seguir serão detalhados os principais pontos deste procedimento geral. 1.1 A ESCOLHA DO SOLVENTE As características de um solvente adequado para a recristalização são: 1. Ser quimicamente inerte, isto é, não deve reagir com a substância a ser purificada; 2. Ser de fácil remoção após a cristalização (por evaporação); 1 3. Dissolver bem a substância a ser purificada em temperatura próxima à sua temperatura de ebulição e não dissolver apreciavelmente a substância à temperatura ambiente; 4. Em relação à solubilidade das impurezas, há duas possibilidades. O solvente: ✓ não deve dissolver as impurezas a quente ou ✓ deve dissolver bem as impurezas à temperatura ambiente. Entre os solventes que atendem aos itens 1-4, escolhe-se o menos tóxico e mais barato. Por isso, a água é utilizada sempre que possível em recristalizações, pois o baixo custo e a não- toxicidade compensam a demora para a secagem dos cristais. Para entender melhor a influência da temperatura na solubilidade (e o item 3 acima), observe a Figura 1, que representa a solubilidade de um sólido hipotético (S) em três solventes A, B e C, em diferentes temperaturas. Note que o soluto S tem comportamento semelhante em relação aos três solventes: sua solubilidade aumenta com a temperatura nos três casos. 1 Entretanto, as variações não são iguais. Observe que o solvente C (Figura 1) não é adequado para a recristalização, pois dissolve bem a substância S em toda a faixa de temperatura. A recristalização, quando efetuada nesse solvente, apresentaria baixo rendimento, pois grande quantidade da substância continuaria dissolvida devido à sua alta solubilidade, mesmo em temperaturas mais baixas. O solvente B também não é apropriado devido à baixa solubilidade do sólido S neste solvente mesmo em temperaturas elevadas. Assim, seriam necessárias grandes quantidades de solvente B a quente para a dissolução. Além disso, a solubilidade a frio em B é relativamente próxima da solubilidade a quente. A Solubilidade (g/100 mL do solvente) C B Temperatura Figura 1. Solubilidade de uma substância S, em função da temperatura, em solventes diferentes (A, B e C). 1 Embora esta seja a situação mais comum, existem substâncias cuja solubilidade praticamente não varia com a temperatura e outras que são menos solúveis a quente que a frio. 2 O solvente A (Figura 1) é o mais indicado uma vez que este dissolve bem o sólido S em temperatura mais elevada, sendo que, em temperaturas mais baixas, essa solubilidade diminui consideravelmente, possibilitando a obtenção dos cristais com bom rendimento com o resfriamento. Nem sempre existe um solvente puro tão adequado como A (Figura 1). Uma alternativa consiste no uso de misturas de líquidos, que produzam um comportamento como o de A. Uma primeira opção é escolher um solvente no qual S seja solúvel à temperatura ambiente (e usar o mínimo possível deste) e um outro solvente no qual S seja insolúvel ou pouco solúvel à temperatura ambiente (e usar o máximo possível deste). No experimento que iremos realizar, será usada uma mistura de etanol e água (1:5) para recristalizar a N-feniletanamida (Mais conhecida por seu nome comum: acetanilida). Analise os dados da Tabela 1 e tente explicar a escolha dessa mistura para a recristalização. Tabela 1. Alguns dados sobre a N-feniletanamida Estrutura Aparência Tf Solubilidade Algumas aplicações o (g/100mL) ( C) da N-feniletanamida O Sólido O 113-115 0,5O(água a 25oC) Padrão para calibração de H C branco H C H 5 C(água a 100oC) aparelhos para determinação de N CH 3 N CH 3 CH 3 a 25oC) N29 (etanol pontos de fusão; matéria prima para fabricação de corantes e medicamentos; estabilizante para H2O2; componente de vernizes. Tf: temperatura de fusão (Fonte:OCH https://www.chemspider.com/Chemical-Structure.880.html) 2CH3 OH Acetanilida Fenacetina Acetaminofeno 1.2 AS ETAPAS DO PROCESSO Escolhido o solvente, este normalmente é aquecido até a temperatura de ebulição. Se não for conhecido o volume necessário de solvente para a dissolução, transfere-se uma pequena quantidade do solvente quente para o Erlenmeyer que contém o sólido a ser recristalizado. A mistura é aquecida com agitação até que volte a ferver. Deve-se manter um frasco com solvente puro na chapa quente durante este procedimento. Caso não haja dissolução total do sólido após a adição da primeira porção de solvente quente, novas porções podem ser adicionadas ao Erlenmeyer contendo a amostra, até que ocorra a dissolução completa do sólido. Dessa forma, a amostra será dissolvida na menor quantidade possível de solvente quente. Se não houver impurezas insolúveis a quente, remove-se o frasco da fonte de calor e permite-se o resfriamento lento até a cristalização. Se restarem impurezas insolúveis a quente, deve ser realizada uma filtração simples empregando-se uma montagem como ilustra a Figura 2. Para esta filtração, o ideal é usar papel 3 filtro pregueado (Figura 2b), em vez de uma dobradura simples. Assim, a filtração será mais rápida e será evitado o resfriamento da mistura no funil. Também deve-se aquecer o funil de vidro e o papel filtro antes de filtrar a mistura. Para isso, coloca-se o papel de filtro pregueado no funil e, este conjunto, sobre um Erlenmeyer (Figura 2b). Em seguida, molha-se o papel de filtro e o funil com um pouco de solvente quente. Toda essa operação pode ser realizada sobre a chapa de aquecimento, caso necessário (Figura 2a). (a) (b) Figura 2. Montagem para filtração simples a quente (a), e detalhe mostrando o papel filtro no funil (b). É necessário manter quente a solução que está sendo filtrada para evitar a cristalização prematura. Assim, a mistura deve ser adicionada ao funil em pequenas porções. Se a filtração for realizada sobre a chapa, o refluxo do filtrado manterá o funil aquecido, diminuindo as chances de entupimento do colo do funil por cristais que eventualmente se formem durante a filtração. Mesmo com todo esse cuidado, eventualmente cristais podem se formar no funil. Neste caso, pode-se adicionar um pouco de solvente quente para dissolvê-los, coletando esta solução junto ao filtrado. Com solventes muito voláteis haverá perdas significativas durante uma filtração a quente. Esse problema pode ser contornado pela adição de mais solvente ao funil ou ao filtrado, se necessário. Se a substância que se deseja purificar não for colorida, mas estiver contaminada com substâncias coloridas ou resinosas, antes da filtração a quente pode-se adicionar carvão ativo. Para isto, retire a solução da chapa e adicione uma quantidade de carvão de até 3% da massa da substância a ser purificada. O carvão ativado é um sólido de grande área superficial, onde as 4 impurezas são adsorvidas. Não se deve exagerar na quantidade de carvão, pois parte da substância de interesse também poderá ser perdida por adsorção. Se adicionar carvão, retorne a mistura para a chapa e, quando reiniciar a fervura, filtre a quente. Após a filtração a quente, a solução resultante deve ser deixada esfriar lentamente. Esse resfriamento lento favorece a formação de cristais maiores e de maior grau de pureza, enquanto que, o resfriamento brusco pode levar à formação de cristais menores ou de pó amorfo (não cristalino). Se após o resfriamento a quantidade de cristais for pequena, conclui-se que houve excesso de solvente no processo. Neste caso, pode-se aquecer novamente até eliminar parte do solvente que está em excesso, ou aguardar a evaporação de parte do solvente à temperatura ambiente mesmo. Outra maneira de aumentar a quantidade de cristais consiste em colocar o frasco em banho de gelo, para diminuir a solubilidade com uma temperatura ainda mais baixa que a ambiente. Terminada a cristalização, os cristais são coletados por filtração a vácuo (Figura 3) em um funil de Büchner (de porcelana, com papel filtro) ou de vidro sinterizado (este dispensa o papel). Os cristais devem ser lavados com uma pequena quantidade de solvente gelado (para remover a água- mãe2 da superfície dos cristais). Atenção à escolha do solvente para a lavagem (Ver item F, página 1). Se as impurezas solúveis a quente forem também solúveis a frio, serão eliminadas durante esta segunda filtração e lavagem dos cristais (ficarão na água-mãe). (a) (b) Figura 3. Montagem para a filtração a vácuo (a) e detalhe do interior do funil de Büchner de porcelana (b). Após filtração e lavagem sob pressão reduzida, os cristais podem ser secados ao ar, em estufa ou em dessecador, dependendo do solvente utilizado e da estabilidade térmica da substância. A determinação da temperatura de fusão antes e após a recristalização pode ser um critério para verificar a eficiência da purificação realizada. 2 O filtrado pode ser chamado de água-mãe mesmo quando não contiver água. 5 2. ROTEIRO EXPERIMENTAL a. Pese 2 g de acetanilida. Anote a massa exata da amostra (com duas casas decimais). Transfira para um frasco Erlenmeyer de 125 mL. b. Usando provetas, meça 50 mL de água destilada e 10 mL de etanol e acrescente à acetanilida. Adicione uma barra magnética e leve à chapa aquecedora, mantendo sob agitação até a fervura. c. Enquanto aguarda o aquecimento, coloque sobre a chapa o funil de vidro e um frasco (Béquer ou Erlenmeyer) com cerca de 20 mL de etanol. Dobre o papel filtro no modelo pregueado e prepare o anel para filtração, prendendo-o ao suporte universal. d. Após a dissolução da acetanilida, se a solução estiver colorida, retire da chapa e adicione cerca de 0,1 g de carvão ativado. Retorne com a mistura para aquecimento e agitação. e. Prepare a montagem para filtração simples (Figura 2). Cuidado com o funil e a vidraria quentes. Molhe o papel filtro no funil com pequena quantidade de etanol quente. Assim que a mistura atingir novamente a fervura, inicie a filtração com a ajuda de um bastão de vidro, coletando o filtrado em um Béquer ou Erlenmeyer. Cuidado para que o carvão não passe para o filtrado. Se isto ocorrer, filtre novamente e, se necessário adicione pequena porção de etanol. f. Desligue o aquecimento, remova o filtrado da chapa e deixe em repouso até atingir a temperatura ambiente. Depois, coloque o frasco em um banho de gelo até a cristalização. g. Enquanto aguarda o resfriamento e a cristalização: Prepare a montagem para a filtração à vácuo (Figura 3). Se necessário, corte o papel filtro para ajustá-lo bem ao funil de Büchner. Determine a temperatura de fusão de uma amostra da acetanilida impura. h. Molhe o papel filtro com água destilada no funil de Büchner. Filtre a mistura a vácuo e lave os cristais com um pequeno volume de água destilada fria (para remover a água mãe). i. Pese um vidro de relógio ou placa de Petri e anote a massa. Transfira a acetanilida recristalizada e deixe secar em estufa a 50oC até massa constante. Calcule o rendimento do processo de recristalização. j. Determine a temperatura de fusão da amostra recristalizada. Compare com o valor obtido para a amostra impura. O processo foi eficiente? 6 EXPERIMENTO 2: RECRISTALIZAÇÃO DA ACETANILIDA RELATÓRIO Grupo: Turma:_____ Nomes Matrículas 1. Desenhe a estrutura e escreva um nome IUPAC para a acetanilida. 2. Dados experimentais a) Temperatura de fusão da acetanilida impura: ______a______oC b) Temperatura de fusão da acetanilida recristalizada: ______a______oC c) Coloração da acetanilida impura:______________ e recristalizada:_______________. 4. A acetanilida foi purificada? Justifique 5. Questões adicionais a) Para recristalizar a acetanilida poderia ter sido utilizada apenas água. Qual foi o papel do etanol nesse processo? b) Por que foi usado carvão ativo antes da filtração a quente? c) Por que a primeira filtração foi simples e a segunda à vácuo? d) Por que os cristais de acetanilida, após a filtração, foram lavados com água destilada fria? 7 3. Desenhe as principais etapas da recristalização, representando o roteiro experimental. Inclua os nomes dos equipamentos e materiais utilizados. Medição dos solventes e da acetanilida Dissolução a quente Filtração a quente Filtração a vácuo 8

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