UNIOESTE- UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DOPARANÁ CECE- CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA QUÍMICA SOLUBILIDADE BRUNA CRISTINA GONÇALVES BRUNA LARIANE DE MEDEIROS TAMARA LARISSA WILHELM TIAGO FERREIRA YOHANA TORQUATO TOLEDO-PR 2013 1. INTRODUÇÃO Grande parte dos processos rotineiros de um laboratório de Química Orgânica (reações químicas, métodos de análise e purificação de compostos orgânicos) é efetuado em solução ou envolve propriedades relacionadas à solubilidade de compostos orgânicos (MATOZO, 2008). A solubilidade, um termo utilizado tanto para designar o fenômeno qualitativo do processo como para expressar quantitativamente a concentração das soluções, consiste numa propriedade física em que as substâncias têm de se dissolverem uma nas outras, ou seja, de fazerem interações moleculares com um respectivo solvente. O processo de interação entre as moléculas do solvente e as partículas do soluto para formar agregados é denominado solvatação, porém se o solvente for a água é chamado hidratação. A solubilidade dos compostos orgânicos pode ser dividida em duas categorias principais: a solubilidade decorrente da simples miscibilidade e a solubilidade resultante de uma reação química, por exemplo, uma reação ácido-base. As duas estão inter-relacionadas. A primeira é para determinar os solventes apropriados para: recristalização, análises espectrais e reações químicas. A segunda é usada para identificar os grupos funcionais. Dessa forma, permitem reconhecer a substancia e classificar em ácida, básica ou neutra (OLIVEIRA, 2009). Quando analisamos a solubilidade de compostos orgânicos em água ou entre eles mesmos, deve-se levar em conta três aspectos: a polaridade, as forças de atração intermolecular e o tamanho da cadeia carbônica. Os conceitos “polar” e “apolar” exigem interpretação inteligente. Não podemos dividir as moléculas em duas categorias, moléculas polares e moléculas apolares, pela simples razão que a polaridade é uma grandeza que pode variar continuamente de zero (para H 2 , por exemplo) até um valor máximo, que corresponde a uma substância totalmente iônica. Como existem moléculas com quase todos os valores intermediários possíveis, não há como estabelecer um ponto definido para dividir em dois grupos (CONSTANTINO et al, 2004). No entanto há uma regra que se aplica a quase todas as substâncias orgânicas quando se trata de solubilidade, que é: Substâncias polares dissolvem em substâncias polares e também em substâncias iônicas. Substâncias apolares dissolvem substâncias apolares. Compostos com mais de um grupo funcional apresentam geralmente grande polaridade, por isso não são solúveis em éter etílico e devem apresentar pouca polaridade.Os compostos com menor polaridade são os que apresentam menor reatividade, como por exemplo, as parafinas, compostos núcleos aromáticos e os derivados de halogenados. Metilaminas e muitas aminas de baixa massa molecular são muito solúveis em água, já as aminas com massas moleculares mais altas, como a anilina (C 2 H 5 NH 2 ), têm solubilidade limitada em água. Entretanto, essas aminas insolúveis em água dissolvem-se rapidamente em ácido clorídrico porque as reações ácido-base convertem-nas em sais solúveis. (Solomons & Fryhle, 2009). Muitas reações que ocorrem em testes de solubilidades são reações ácido-base. Segundo a teoria de Bronsted-Lowry, um ácido é uma substância que pode doar (ou perder) um próton e uma base é uma substância que pode receber (ou remover) um próton. Na teoria de Lewis os ácidos são receptores de par de elétrons e bases são doadores de par de elétrons. (Solomons & Fryhle, 2009) Uma reação ácido-base de Bronsted –Lowry, que é muito utilizada em testes de solubilidade, para diferenciar ácidos carboxílicos, alcoóis e fenóis. Ácidos carboxílicos insolúveis em água, como o ácido benzóico, dissolvem-se em hidróxido de sódio e água ou bicarbonato de sódio aquoso. Os fenóis insolúveis em água dissolvem-se em hidróxido de sódio aquoso, mas não em bicarbonato de sódio. Já os alcoóis insolúveis em água não dissolvem em hidróxido de sódio nem no bicarbonato. (Solomons & Fryhle, 2009). Este trabalho tem por objetivo verificar a solubilidade de alguns compostos orgânicos. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Substâncias que foram analisadas: anilina, fenol, ácido benzoico, álcool terc-butílico, álcool n-butílico, ureia, β-naftol, ρ-nitroanilina, N,N-dimetilamina. 2.1. ADIÇÃO DE ÁCIDO E BASE Foram inseridos em tubos de ensaios, separadamente, 0,05 g (para sólidos) ou 1 mL (para líquidos) de cada substância citada acima. Então, se adicionou 2 mL de água, 1 mL de ácido clorídrico (0,5 M) e por último 1 mL de hidróxido de sódio (1 M), em cada um destes tubos de ensaio, observando-se a solubilização em cada adição feita. 2.2. ADIÇÃO DE BASE E ÁCIDO Foram inseridos em tubos de ensaios, separadamente, 0,05 g (para sólidos) ou 1 mL (para líquidos) de cada substância citada acima. Então, se adicionou 2 mL de água, 1 mL de hidróxido de sódio (0,5 M) e por último 1 mL de ácido clorídrico (1 M), em cada um destes tubos de ensaio, observando-se a solubilização em cada adição feita. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Registraram-se, na Tabela 1, o aspecto e as características de cada uma das amostras dos solutos utilizados. Tabela 1 - Aspecto inicial das amostras de solutos trabalhados na experimentação. TUBO SOLUTO ASPECTO 1 Anilina Líquido Amarelo 2 Fenol Cristais Laranja 3 Ácido Benzóico Sólido Branco 4 Álcool Terc-Butílico Líquido Transparente 5 Álcool N-Butílico Líquido Transparente 6 Ureia Pequenas Bolas Brancas 7 β-Naftol Pó Ocre 8 ρ-Nitro-Anilina Sólido Verde Musgo 9 N,N-Dimetilanilina Líquido Caramelo Na Tabela 2 registrou-se o aspecto de cada uma das amostras após a adição de aproximadamente 2 mL de água em cada frasco. Tabela 2 - Aspecto das amostras após adição de 2mL de água. TUBO ASPECTO 1 Formação de duas fases imiscíveis, fase amarela sob a transparente 2 Líquido esbranquiçado com partículas suspensas 3 Os cristais permaneceram intactos 4 Miscível, ainda líquido transparente, porém oleoso na parede do tubo 5 Miscível com formação de bolhas suspensas e oleosidades na parede 6 Completamente solubilizado 7 Quase todo o pó no fundo, com algumas partículas suspensas 8 Formação de um líquido verde-oliva com parte do soluto no fundo 9 Imiscível com formação de duas fases distintas A Parte 1 da experimentação foi registrada na Tabela 3. Esta etapa consistindo na adição, primeiramente, de 1 mL de Ácido Clorídrico a 0,5 M e então a adição de 1 mL de Hidróxido de Sódio a 1,0 M. Tabela 3 - Aspecto das substâncias analisadas durante a Parte 1 da prática. TUBO APÓS ADIÇÃO 1mL DE HCl 0,5M APÓS ADIÇÃO 1mL DE NaOH 1,0M 1 A fase oleosa superior apresentou pequenas bolhas suspensas, mas o HCl solubilizou a fase inferior. Diminuição das bolhas suspensas no líquido, aspecto sem alterações 2 O líquido continuou com mesmo aspecto e as partículas em suspensão foram dissolvidas Tornou-se completamente transparente 3 Os cristais ainda intactos, no fundo do frasco com o líquido transparente completamente solubilizado O líquido transparente permaneceu com os cristais intactos no fundo 4 Líquido em uma única fase, ainda com oleosidade nas paredes do frasco Manteve-se um líquido transparente, ainda com aspecto oleoso 5 Manteve-se transparente com bolhas suspensas no líquido Não apresentou mais aspecto oleoso 6 Líquido esbranquiçado, manteve-se totalmente solubilizado Não apresentou alteração permanecendo um líquido esbranquiçado 7 Parte do pó que estava no fundo foi solubilizado, esbranquiçando a solução, porém ainda apesentou corpo de fundo A parte líquida tornou-se completamente transparente com o pó branco no fundo 8 Manteve-se líquido verde-oliva com parte do soluto no fundo do frasco. Não apresentou alterações 9 O HCl adicionado foi para a fase que continha água, mantendo as duas fases distintas. Continuou com duas fases distintas, porém a fase transparente (inferior) ficou branca A segunda parte da experimentação que consistia na adição de 1 mL de NaOH a 0,5 M e posteriormente, de 1 mL de HCl a 1,0 M, teve os resultados experimentais registrados na Tabela 4, que traz novamente os aspectos das soluções após a adição de cada uma das substâncias anteriores. Tabela 4 - Características das misturas durante a Parte 2 do procedimento experimental. TUBO APÓS ADIÇÃO 1mL DE NaOH 0,5M APÓS ADIÇÃO 1mL DE HCl 1,0M 1 Formação de três fases distintas, sendo a intermediária transparente e as outras amareladas. Aspecto sem alterações 2 Completamente miscível formando um líquido amarelado translúcido Ficou mais escuro, marrom, com bolhas em suspensão 3 Os cristais permaneceram intactos Formou um precipitado branco gelatinoso 4 Líquido transparente. Não foi mais percebida oleosidade na parede do frasco. Manteve-se sem alterações 5 Manteve-se oleoso com bolhas suspensas na mistura. Sem alterações 6 Líquido transparente, sem alterações. Sem alterações 7 Maior parte do pó foi solubilizado, formando uma mistura amarelado Formação de uma solução pastosa no instante em que foi adicionado o HCl 8 Manteve-se sem a solubilização das partículas no fundo do frasco. Não apresentou alterações 9 A parte superior ficou com bolhas Continuou com duas fases distintas suspensas. Ainda apresentou duas fases distintas. sem alterações ANILINA Observou-se que a anilina é insolúvel em água. Isto deve-se à diferença das interações intermoleculares, no caso pontes de hidrogênios entre as moléculas, para que a anilina se solubilizasse em água, seria necessária a formação de ligações de hidrogênio entre um átomo de nitrogênio, um átomo de hidrogênio e um átomo de oxigênio, porém como as ligações de hidrogênio entre as próprias moléculas de água são mais fortes do que esta, a solubilização não ocorre. Como a anilina tem características alcalinas, ao ser adicionada à uma solução de HCl, é neutralizada pelo ácido através de reação ácido-base, sendo solubilizada em tal solução. FENOL No caso do fenol, a bibliografia indica uma solubilidade limitada em água, porém no experimento foi observada a solubilização do mesmo. Como na estrututa do fenol está presente uma hidroxila, ou seja, uma ligação polar entre um átomo de oxigênio e um átomo de hidrogênio, temos a formação de ligações de hidrogênio entre o soluto e o solvente, o que é responsável pela sua solubilização. A adição de ácido clorídrico não resulta em reação, já que tanto o fenol quanto o ácido clorídrico tendem a liberar H + em solução, sendo uma espécie de concorrência no meio. A adição de hidróxido de sódio forma um sal, o benzoato de sódio, que é solúvel em meio aquoso. A formação do benzoato de sódio é descrita pela seguinte reação: C 6 H 5 -OH + NaOH C 6 H 5 -ONa + H 2 O ÁCIDO BENZÓICO O ácido benzóico, apesar de possuir um grupo OH, que lhe confere certa solubilidade em água, possui uma cadeia carbônica dotada de sete átomos de carbono, além de uma dupla ligação com um átomo de oxigênio. Esses fatores prejudicam a solubilidade do composto em meio aquoso, o que torna a substância insolúvel em água nas proporções utilizadas no experimento. A adição de ácido clorídrico não teve efeito sobre a solubilidade do ácido benzóico já que não houve a ocorrência de reação entre este e o ácido clorídrico. A adição de hidróxido de sódio ao sistema, deveria ter causado a reação ácido-base, descrita a seguir: C 6 H 5 COOH + NaOH C 6 H 5 COONa + H 2 O A ocorrência da reação dá origem a um sal, benzoato de metila, solúvel em água. Porém como não tinha-se as condições necessária para esta reação, observou-se a não solubilização do ácido benzóico mesmo com a adição da substância alcalina. ÁLCOOL TERC-BUTÍLICO O álcool terc-butílico apresentou boa solubilidade em todas as situações, tanto em água destilada, quanto em ácido clorídrico ou hidróxido de sódio. Consultando tabelas, tem-se que a solubilidade do álcool terc-butílico em água é muito grande, já que, apesar de possuir quatro carbonos em sua estrutura esses carbonos encontram-se bem distribuídos espacialmente, sem a ocorrência de uma cadeia muito longa, o que diminuiria a solubilidade do álcool em água. Quando se adiciona hidróxido de sódio à solução, temos uma reação ácido base entre o álcool, que possui caráter ácido, e o hidróxido de sódio. A reação é descrita a seguir: (CH 3 ) 3 COH + NaOH (CH 3 ) 3 CONa + H 2 O Nota-se, observando a reação, que há a formação de um sal, terc- butilato de sódio, um sal solúvel em meio aquoso, como observado no experimento. A adição de ácido clorídrico não provocou nenhuma alteração na solubilidade do álcool. ÁLCOOL N-BUTÍLICO O álcool n-butílico apresentou-se solúvel em água, por possuir um grupo hidrofílico (hidroxila), sua cadeia carbônica é linear e consideravelmente extensa, o que diminui sua polaridade, diminuindo assim sua solubilidade. Por possuir um ligação polar entre um átomo de oxigênio e um átomo de hidrogênio, a molécula de álcool n-butílico tende à liberar um íon H + em solução, sendo assim detentor de um caráter ácido. Portanto, ao se adicionar ácido clorídrico ao álcool n-butílico não há variação na solubilidade do último, já que há a liberação do mesmo cátion em solução, não havendo reação entre as espécies. Como o álcool n-butílico possui caráter ácido, é natural a ocorrência de reação entre o mesmo e uma base para a formação de um sal e água. Ao adicionar hidróxido de sódio ao álcool n-butílico era prevista a ocorrência da seguinte reação: CH 3 (CH 2 ) 3 OH + NaOH CH 3 (CH 2 ) 3 ONa + H 2 O Porém o sal formado é pouco solúvel em meio aquoso, explicando a presença de partículas suspensas na mistura. URÉIA A uréia não é muito solúvel em meio aquoso, porém como trabalhou-se com pouca quantidade, boa parte da amostra foi solubilizada. A baixa solubilidade deve-se ao fato que as ligações entre o átomo de oxigênio e o átomo de hidrogênio na molécula de água ser mais polar que a ligação entre o átomo de nitrogênio e o átomo de hidrogênio, sendo assim as interações se dão de maneira mais intensa apenas entre as moléculas de água do que entre as moléculas de água e uréia. Quando adicionado ácido clorídrico ocorre a solubilização do mesmo devido à formação de um sal, produto de uma reação ácido-base entre a uréia e o ácido clorídrico. A reação se dá em meio aquoso e é exposta a seguir: CO(NH 2 ) 2 + H 2 O + 2HCl 2NH 4 Cl + CO 2 O sal formado é o cloreto de amônio solúvel em meio aquoso nas proporções utilizadas no experimento. Ao se adicionar hidróxido de sódio ao tubo de ensaio, notou-se que a substância continuou solúvel, dessa vez ocorreu a reação entre o cloreto de amônio e o hidróxido de sódio, que segue: NH 4 Cl + NaOH NaCl + NH 4 OH Todos os produtos formados nessa etapa são solúveis em meio aquoso, mantendo a solubilidade da solução. β-NAFTOL Possui uma baixíssima solubilidade em água, sendo consíderado insolúvel. Esse fato é explicado devido a quantidade de carbonos presente na molécula, pois, apesar de possuir um grupo hidrofílico, no caso a hidroxila, os 12 carbonos presente formam dois anéis aromáticos, que dão a molécula um caráter muito mais apolar do que polar. A adição de ácido clorídrico não muda a solubilidade do composto, já que ambos, β-naftol e HCl são ácidos e tendem a liberar o mesmo próton em solução, sendo assim não há reação química que forme um composto solúvel em água. Porém, quando se adiciona hidróxido de sódio à sulução há a ocorrência de uma reação ácido-base, como é mostrado a seguir: C 10 H 7 OH + NaOH C 10 H 7 ONa + H 2 O A formação aumenta a solubilidade do composto, como evidenciado nos resultados experimentais. ρ-NITRO-ANILINA Apresentou-se insolúvel durante a realização do experimento. De acordo com a literatura, tem solubilidade menor que 0,1 g/mL. A adição de ácido clorídrico à p-nitroanilina causa a ocorrência de uma reação ácido-base, já que a ρ-nitro-anilina possui um caráter levemente básico devido a presença do grupo NH 2 . A reação é mostrada a seguir: NO 2 C 6 H 10 NH 2 + HCl NO 2 C 6 H 10 NH 3 + + Cl - O ácido clorídrico em solução libera um próton H + que se junta a molécula de ρ-nitro-anilina através do grupo NH 2 que possui um par de elétrons livre, porém esse sal não é solúvel em meio aquoso, ocorrendo sua precipitação na tubo de ensaio, como observado no laboratório. Quando se adiciona hidróxido de sódio à solução ocorre a dissociação do mesmo em Na + e em OH - , esses íons vão reagir tanto com o sal formado na reação anterior quando com o íon cloreto também formado na mesmo reação, a reação ocorrerá da seguinte maneira: NO 2 -C 6 H 10 -NH 3 + + Cl - + NaOH NO 2 -C 6 H 10 -NH 2 + NaCl + H 2 O Como a reação origina novamente a ρ-nitroanilina, que como já se conferiu é insolúvel em meio aquoso, temos que nada mudou acerca da solubilidade da mesma. N,N-DIMETILANILINA Apresentou-se insolúvel quando adicionada a meio aquoso, esse comportamento já era esperado, pois observando a estrutura da mesma, nota- se que não há a presença de nenhum grupo hidrofílico, além de grande quantidade de carbonos em sua molécula, dando um caráter apolar a molécula. Por possuir um caráter levemente básico, já que o nitrogênio na molécula possui um par de elétrons não compartilhado e que poderia ser doado a um ácido de Lewis, quando se adicionou ácido clorídrico à solução não houve a solubilização do composto, ou seja, não houve reação entre o ácido clorídrico e a N,N-dimetilanilina. Esse fato pode ser explicado, novamente, observando a estrutura da molécula. Percebe-se que mesmo o nitrogênio possuindo um par de elétrons não compartilhado, estes estão protegidos por dois grupos metilas, volumosos, e que impedem o ataque à esses elétrons, impedindo que a reação ocorra. Quando adicionado hidróxido de sódio à solução observou-se que o líquido adquiriu uma coloração branca, e desta vez a solução apresentou somente uma fase, indicando a solubilização do composto. 4. CONCLUSÃO Com o experimento foi possível avaliar de forma qualitativa as moléculas através de suas forças de atração intermolecular, da estrutura molecular e da densidade eletrônica. Observou-se também, que a influência da polaridade, da presença do grupo funcional da molécula e do comportamento ácido-base, interferem na reação das moléculas ao serem misturadas acarretando na sua solubilidade ou miscibilidade. 5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS MATOZO, H. C., Química Orgânica prática. João Monlevade - Minas Gerais, 2008. CONSTANTINO, M., DA SILVA, G. V. e DONATE, P. M., Fundamentos de Química Experimental. São Paulo, Editora da Universidade de São Paulo, 2004. SOLOMONS, T. W. G., FRYHLE, C. B., Química orgânica. Rio de Janeiro, LTC, 9.ed., v.1, 2009. OLIVEIRA, P. R.. UTFPR. Solubilidade de compostos orgânicos. Disponível em: http://pessoal.utfpr.edu.br/poliveira/arquivos/aulapratica03solubilidadedecompo stosorganicos.pdf. Acesso em 03 de junho de 2013.