CQ136 Química Experimental I Técnicas de purificação e critérios de pureza Introdução Fundamentalmente em todos os métodos de purificação utiliza-se uma propriedade onde os componentes da mistura se comportam diferentemente. Por exemplo, se se deseja obter cloreto de sódio das salinas, isento de areia, basta utilizar a solubilidade em água visto ser o sal solúvel nesse solvente e a areia não. As técnicas normalmente empregadas para a purificação de sólidos em larga escala são: a recristalização, a extração e, quando possível, a sublimação. Técnicas cromatográficas também são muito eficientes, porém não serão tratadas neste experimento. Geralmente na purificação de sólidos a propriedade mais explorada é a solubilidade, mas outras propriedades como densidade, ponto de fusão e propriedades magnéticas podem ser utilizadas também. Recristalização O método mais simples para se separar substâncias é por meio da diferença de solubilidade. Entretanto, deste modo é difícil obter-se uma substância com alto grau de pureza, uma vez que pode sobrar parte da impureza no material resultante da purificação. Assim, é melhor dissolver toda a mistura, usando um volume e temperatura adequados do solvente e depois conseguir a cristalização seletiva da substância de interesse. O processo mais usado chama-se recristalização, que consiste na dissolução da mistura e cristalização da substância desejada, ou pela variação da temperatura, ou pela remoção parcial do solvente ou ainda pela adição de um solvente com propriedades físico-químicas diferentes. O processo de remoção de impurezas por recristalização é eficiente desde que a quantidade de impurezas presentes seja pequena (cerca de 5%) e desde que um composto não interfira na solubilidade do outro. Muitas vezes são necessárias recristalizações sucessivas para obter-se uma boa purificação. Com isso, aumenta-se a pureza do produto, porém o rendimento diminui. A técnica de recristalização, para sólidos que se dissolvem endotermicamente, pode ser assim resumida: a) dissolve-se a mistura a ser purificada no solvente à temperatura de ebulição ou perto desta; b) carvão ativo pode ser adicionado para adsorção de impurezas coloridas; c) filtra-se a solução à quente para remover eventuais partículas insolúveis; d) deixa-se que a solução esfrie até a cristalização da substância desejada; as impurezas, a princípio, solúveis não devem cristalizar naquela temperatura; e) separam-se por filtração os cristais da solução sobrenadante (também chamada de solução-mãe); f) lava-se os cristais isolados para a separação dos componentes remanescentes da solução-mãe. Atenção para a escolha do solvente e sua temperatura para a etapa de lavagem para evitar perdas por solubilização e g) seca-se o sólido obtido pela ação de um agente dessecante. As características mais desejáveis de um solvente para recristalização são: a) deve possuir alto poder de dissolução da substância de interesse às temperaturas elevadas e um poder de dissolução baixo à temperatura ambiente ou abaixo dela;
b) deve dissolver as impurezas completamente, impedindo a cristalização das mesmas; ou dissolver muito pouco as impurezas, o que permite separá-las por filtração; c) deve fornecer cristais bem formados do composto purificado; d) deve possuir um ponto de ebulição relativamente baixo, facilitando a sua remoção dos cristais isolados e e) não deve reagir quimicamente com a substância de interesse. Se existir mais de um solvente que preencha esses requisitos, leva-se em consideração a facilidade de manipulação, toxicidade, ponto de ebulição, inflamabilidade e custo. Se a substância a ser purificada for muito solúvel em um solvente S1 e muito pouco solúvel em outro solvente S2, pode-se usar uma mistura dos solventes S1 e S2. Neste caso, os solventes devem naturalmente ser completamente miscíveis. A recristalização usando misturas de solventes é feita perto do ponto de ebulição do solvente S1. O composto é dissolvido à quente no solvente S1 e, a seguir, o S2 é adicionado cuidadosamente até que se produza uma ligeira turvação. A turvação é eliminada pela adição de uma pequena quantidade de S1 e a mistura é, então, resfriada à temperatura ambiente ou abaixo desta. Pares de solventes que podem ser usados incluem: etanol e água; etanol e benzeno; benzeno e éter de petróleo (fração de P.E. entre 35 e 90 o C da destilação do petróleo, contendo hidrocarbonetos de baixa massa molar); acetona e éter de petróleo; tetra-hidrofurano e hexano. Se possível substitui-se o benzeno por tolueno, que é menos tóxico. Extração com solventes A purificação e/ou a separação de um composto de uma mistura podem ser conseguidas pela introdução de uma nova fase para a qual o composto de interesse é transferido e então isolado. Tal processo é conhecido como partição. Extração é um exemplo no qual uma fase líquida extrai um produto desejado de outra fase que pode ser líquida, sólida ou gasosa. No caso de dois líquidos, por exemplo, a substância de interesse se distribui entre os dois solventes e, no equilíbrio, a relação de concentrações do soluto nas duas fases é aproximadamente constante, independente da concentração total. Esta relação é chamada de coeficiente de distribuição ou de partição e é igual à relação das solubilidades do soluto nos dois solventes. A técnica consiste em agitar o líquido que contém o composto de interesse, com um segundo solvente imiscível com o primeiro líquido e no qual o composto também seja solúvel. Por exemplo, se um solvente é a água, os seguintes solventes geralmente são usados: éter dietílico, éter di-isopropílico, benzeno, tolueno, hexano, clorofórmio, hexano e éter de petróleo. A escolha do solvente a ser utilizado nesse processo depende da solubilidade da substância a ser extraída nele e da facilidade com que o solvente pode ser separado do soluto. Sublimação Outra técnica usada na purificação de uma mistura de sólidos é o processo de sublimação, que utiliza a diferença na volatilidade das várias substâncias que contém a mistura a ser purificada a uma determinada temperatura. Por condensação do vapor em uma superfície fria obtém-se o produto isento de impurezas. A facilidade de sublimação dos diferentes sólidos varia muito e depende da grandeza das forças de atração da rede cristalina. Substâncias como naftaleno, cânfora e iodo apresentam forças de atração pequenas e podem se volatilizar facilmente. Já sólidos iônicos como o NaCl apresentam
forças de atração muito grandes e mesmo para fundir necessitam de temperaturas elevadas (no caso, próximo de 800 o C). Muitas vezes usando-se pressão reduzida pode-se conseguir sublimação a temperaturas mais baixas. A sublimação como um processo de purificação, apresenta vantagens como: a) obter produtos em alta pureza e b) evitar o uso de solventes que podem contaminar o produto. A sublimação é uma técnica largamente empregada na purificação de compostos orgânicos, mas apresenta o inconveniente da possibilidade de uma perda razoável do material (baixo rendimento). Critérios de pureza Os sólidos depois de purificados devem ser caracterizados pro meio de propriedades físicas ou químicas e confrontadas com dados da literatura. Atualmente existem vários métodos de análise. Os métodos convencionais de análise incluem, por exemplo, medidas da composição percentual dos elementos químicos do sólido, medida do ponto de fusão, densidade, solubilidade e condutividade. Vários métodos físicos de análise também estão disponíveis atualmente e incluem desde técnicas espectroscópicas (que se baseiam na interação da matéria com a radiação eletromagnética e a geração de estados excitados de energia), métodos de análise da superfície que permitem a investigação da composição e da morfologia do material até medidas de difração de raios X que fornecem parâmetros estruturais da amostra. Dependendo da natureza e da quantidade de impurezas presentes na amostra, as propriedades físicas serão mais ou menos alteradas. É possível, em alguns casos, que as impurezas não sejam detectáveis por meio do método de análise empregado. A propriedade medida é comparada com dados publicados na literatura (Handbooks, livros e periódicos especializados). Existem handbooks especializados para os diversos ramos do conhecimento. Para as nossas finalidades, o Handbook of Chemistry and Physics contém várias propriedades físico-químicas de interesse para a caracterização de sólidos inorgânicos e orgânicos e é uma publicação revisada periodicamente. Objetivos a) Familiarizar-se com algumas técnicas de purificação. b) Conhecer alguns critérios de pureza para caracterização de substâncias químicas. Parte Experimental Atenção: use óculos de segurança ou realize o ensaio na capela. Perigo de projeção de reagentes químicos. Tubos de ensaio grandes (20x200 mm) Termômetro 02 Béqueres de 250 ml Bico de Mecker Cápsula de porcelana PbCO 3 HCl concentrado NaCl Iodo Papel tornassol Papel de filtro Funil de colo curto Funil de Büchner Água gelada Etanol gelado Hexano
Procedimento Parte A Preparação e purificação de PbCl 2 (s) a) pese 1,50 g de PbCO 3 num béquer de 250 ml; b) adicione 20 ml de água destilada e aos poucos 2 ml de HCl concentrado (cuidado: produto corrosivo e volátil); verifique com papel indicador (tornassol) se o meio está ácido; c) adicione 80 ml de água e aqueça até que todo o PbCl 2 se dissolva; d) separadamente, coloque um pouco de água destilada para aquecer em um béquer ou Erlenmeyer; e) pese o papel de filtro que será usado para recolher o sólido; f) adicione um pouco de água fervendo ao papel de filtro e funil de colo curto e jogue fora a água que passar pelo filtro; g) quando todo o PbCl 2 estiver dissolvido, rapidamente filtre a solução à quente, em pequenas porções; atenção: não deixar o papel de filtro e o funil esfriarem h) recolha o filtrado em um béquer de 250 ml e mantenha o filtrado em ebulição durante a filtração; i) depois, deixar o filtrado esfriar em um banho de gelo e filtre sob pressão reduzida o PbCl 2 obtido; use um bastão de vidro para ajudar na transferência do sólido; j) lave o sólido com pequenos volumes de água gelada, depois etanol gelado; k) deixe secar por alguns minutos na trompa d água e l) pese o sólido e coloque no frasco de recuperação. Parte B Recristalização de cloreto de sódio usando solventes mistos a) Faça testes em tubos de ensaio para verificar se os três seguintes pares de líquidos formam sistemas com uma ou duas fases: água e etanol; água e hexano; etanol e hexano. Em caso de duas fases, identifique qual a mais densa. b) Em dois tubos de ensaio, coloque separadamente etanol e hexano; c) coloque uma ponta de espátula de NaCl em cada um dos tubos, agite e observe; d) analise os resultados e decida qual o solvente adequado para provocar a cristalização do NaCl em uma solução saturada deste sal em água e d) prepare cerca de 1 ml de uma solução saturada de NaCl em um tubo de ensaio e promova a cristalização com o solvente escolhido. Parte C Purificação de iodo por sublimação a) Em uma cápsula de porcelana coloque uma pequena quantidade da mistura 1:1 de cloreto de sódio e iodo; b) cubra a cápsula com um funil invertido e aqueça fracamente com uma chama bem pequena, sobre uma tela de amianto; c) observe o aparecimento de vapores tóxicos de iodo e pare o aquecimento; d) retire o funil somente quando o sistema estiver completamente frio e e) observe.
Parte D Extração de iodo a) em quatro tubos de ensaio, coloque separadamente água, solução de iodeto de potássio 0,5 mol/l; etanol e hexano; b) coloque apenas dois cristais de iodo em cada um deles, agite, observe e c) analise os resultados e decida qual o solvente adequado para extrair o iodo de uma solução aquosa de iodo-iodetado (iodo dissolvido em solução de iodeto). Teste a sua hipótese. Leitura Recomendada 1) G. Brauer, Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, Vols. I and II, Academic Press, NY, 1963. 2) a. A. Blanchard, J. W. Phelan, A. R. Davis, Synthetic Inorganic Chemistry, John Wiley, NY, 1936.