Atividade prática Métodos de separação: destilação simples Parte 4 9º ano do Ensino Fundamental / 1º ano do Ensino Médio Objetivo Vivenciar os principais métodos de separação de misturas, de modo a compreender os seus princípios e técnicas, os tipos de misturas a que cada método é indicado, bem como as limitações de cada um. Introdução Vários tipos de destilação A destilação é um dos mais importantes métodos de separação de misturas, classificado como processo físico e não simplesmente um processo mecânico como a filtração e a decantação. Isso porque a destilação envolve fornecimento de energia na forma de calor para promover a vaporização de um dos componentes (o solvente da mistura), deixando o outro componente (soluto) no estado sólido ou líquido. Para que o método seja efetivo, é necessário que os componentes tenham pontos de ebulição suficientemente distantes, para que não sejam vaporizados juntos, comprometendo o procedimento. As misturas homogêneas líquidas podem ser classificadas em dois tipos principais: S-L e L-L. A separação das do tipo S-L é geralmente mais fácil, uma vez que os pontos de ebulição entre líquidos e sólidos costumam ser bem distantes. Em outras palavras, enquanto se promove a ebulição do líquido, dificilmente o sólido dissolvido nele será vaporizado junto com o líquido, tendendo mais para a recristalização ou a fusão. É verdade que alguns sólidos podem sofrer sublimação (passagem do estado sólido para o gasoso), mas isso é mais comum para alguns sólidos apolares, que são solúveis apenas em solventes orgânicos também apolares; o que não é o caso das misturas em meio aquoso que são as mais comuns. A destilação que separa as misturas S-L é do tipo destilação simples. Equipamento de destilação simples usado em laboratório. Disponível (acesso: 11.11.2014): http://commons.wikimedia.org/wiki/file:distillation_2-b.jpg Nas misturas L-L, a separação precisa ser bem mais cuidadosa, pois há o sério risco de se fazer a vaporização dos dois componentes, mantendo-os misturados ou separando-os apenas em parte. Nesses casos, a temperatura ou a pressão (ou ambos) precisam ser controladas o mais precisamente possível, para garantir um maior percentual de vaporização de um dos componentes,
e, ao mesmo tempo, manter um maior percentual possível do outro no estado líquido. Um processo de destilação bastante conhecido (mas que não se destina à total separação dos componentes) é a produção de bebidas alcoólicas como a cachaça, o uísque, vodka etc. Nesses casos, o que se deseja é um maior percentual de álcool no líquido destilado, e a retirada de outras substâncias que restaram da etapa de fermentação dos carboidratos utilizados. A destilação que separa as misturas L-L, conhecida como destilação fracionada é mais complexa que a destilação S-L, exigindo mais equipamentos e maiores cuidados por parte do laboratorista. Existem ainda outros tipos de destilação importantes como a destilação por arraste de vapor, muito usada para a obtenção de óleos e essências de espécies vegetais; e a destilação a vácuo, usada na indústria petroquímica para a obtenção de hidrocarbonetos de peso médio do petróleo. Muito importante também é a destilação fracionada por torre de fracionamento usada no refino do petróleo, separando as principais frações do petróleo como a gasolina, diesel, querosene, etc., antes das várias etapas posteriores de tratamento. Os equipamentos de destilação utilizados em laboratório, geralmente feitos de vidro e porcelana, são bastante diferentes dos utilizados em empresas e indústrias, pois as finalidades e as quantidades de material processado são bem diferentes. Torre de fracionamento para refino de petróleo, por destilação fracionada. Disponível (acesso: 11.11.2014): http://commons.wikimedia.org/wiki/file:colonne_distillazione.jpg Destilação simples e o ciclo hidrológico No experimento intitulado métodos de separação parte 1 filtração, você separou os componentes de uma fase aquosa contendo um sal azul, o sulfato de cobre II, por aquecimento. A água foi fervida até sua total evaporação, deixando o sal recristalizado. Naquele experimento, não desejávamos recuperar a água no estado líquido, porque ela não fazia parte do sistema original. Para eliminá-la e recuperar apenas o sal, bastou vaporizar a água, fornecendo energia suficiente. A água, então, foi perdida para a atmosfera. Mas, se quisermos recuperar a água, basta recolher o vapor d água produzido e resfriá-lo de alguma forma, para que ele condense. É isso que o processo de destilação faz: o solvente ganha energia e é vaporizado, separando-o do soluto, e, depois, perde energia e é condensado, voltando novamente ao estado líquido. Da mesma forma, na natureza isso acontece o tempo todo, no chamado ciclo hidrológico : por ação do Sol e dos ventos, as águas dos mares, rios e lagos sofrem vaporização e vão para a atmosfera. As plantas e os animais também transpiram vapor de água e eliminam água no estado gasoso na respiração.
Todo esse vapor de água não contém sal algum, mesmo se sua origem for oceânica. Isso porque a água passa do estado líquido para o estado gasoso, sem carregar partículas de sais, que, na qualidade de substâncias iônicas, possuem pontos de ebulição muito mais elevados. O sal de cozinha, por exemplo, funde a 801 e entra em ebulição somente a 1417ºC. A água, ao contrário, ferve em torno de 100ºC, e até pode evaporar de forma lenta na temperatura ambiente. Ciclo hidrológico. Disponível (acesso: 11.11.2014): http://commons.wikimedia.org/wiki/file:ciclo_da_%c3%a1gua.jpg Experimento: Separação de uma mistura homogênea S-L Material (por grupo de alunos) A) Sulfato de cobre II penta hidratado, CuSO4.5H2O, disponível em lojas de materiais para piscinas. B) Água destilada (de preferência). C) Sistema de aquecimento: pode ser a gás (bico de Bunsen, tripé e tela de amianto) ou manta elétrica. D) Balão de destilação. E) Condensador de cano reto ou de espiral. F) Erlenmeyer de 250mL. G) Duas mangueiras finas de borracha tipo garrote para circulação de água de torneira. H) Pia com torneira e ralo para circulação de água, próxima da montagem. I) Graxa de silicone ou vaselina. J) Suporte universal. K) Garras para montagem com suporte universal. L) Pérolas de vidro. Procedimento Preparação 1. Monte o balão de destilação de forma que fique acima do sistema de aquecimento. 2. Passe um pouco de graxa de silicone no vidro esmerilhado do balão. 3. Prenda o condensador no suporte universal com o auxílio de garras, de forma a dar altura para que ele possa ser encaixado no balão de destilação. O condensador deverá ficar quase na horizontal, mas com a parte a ser conectada ao balão um pouco mais elevada. Obs.: Se o balão de destilação não tiver conexão possível com o condensador na posição correta, use uma rolha furada na boca do condensador e outra na boca do balão de destilação; e conecte-as com conexão de vidro curva. No caso do detalhe da ilustração ao lado, foram
usadas duas conexões de vidro, uma em forma de esfera e outra em curva, ambas com as duas pontas de vidro esmerilhado. 4. Conecte uma ponta da mangueira de borracha na torneira e a outra ponta na entrada inferior do condensador. Conecte uma ponta da outra mangueira de borracha na saída superior do condensador e coloque a outra ponta próxima ao ralo da pia. 5. Coloque o erlenmeyer abaixo da saída do condensador, onde será recolhida a água destilada. Procedimento Separação 6. A mistura a ser separada é constituída por sulfato de cobre II dissolvido em água. Sendo um sal azul, a sua solução aquosa também se apresentará azul. Coloque a mistura no balão de destilação e adicione também algumas pérolas de vidro. Obs.: As pérolas têm a função de permitirem uma ebulição mais constante, sem pequenos estouros. Quando a água forma tensão superficial (uma película de moléculas de água muito atraídas na superfície) a ebulição pode acontecer de modo brusco, com pequenos estouros. 7. Faça a conexão do balão com o condensador, conferindo se estão bem encaixados, sem possibilidade de vazamento de vapor. 8. Ligue o aquecimento. 9. Abra a torneira com cuidado, dosando a quantidade de água. A água de resfriamento deve encher o tubo externo do condensador e sair pela outra mangueira até o ralo da pia, circulando constantemente pelo condensador. Observações e questões 1) Quanto tempo levou até que a mistura entrasse em ebulição? 2) Observe a coloração da mistura e a coloração da água recolhida no erlenmeyer. O que aconteceu? Comente e explique. 3) O que acontece dentro do condensador? Explique. 4) Qual mudança de estado é endotérmica no processo de destilação? Em qual frasco ou equipamento essa mudança ocorre? Qual equipamento fornece energia para essa mudança?
5) Qual mudança de estado é exotérmica no processo de destilação? Em qual frasco ou equipamento essa mudança ocorre? Qual equipamento retira energia para essa mudança? 6) Compare a destilação simples com o ciclo da água. Na Natureza, o que faz o papel do sistema de aquecimento? Na Natureza, o que faz o papel do condensador? Comente. 7) Podemos dizer que a água do mar está, continuamente, ficando mais salgada? Podemos dizer que a solução de sulfato de cobre II está, durante a destilação, ficando com azul cada vez mais intenso? Compare e explique. 8) Por que não é necessário o uso de termômetro na destilação simples? Explique.