COEFICIENTE DE PARTIÇÃO

1. INTRODUÇÃO

Nós químicos trabalhamos com sistemas de vários componentes que chamamos de mistura, esses sistemas são classificados de dois modos, como misturas homogêneas e misturas heterogênias.

Misturas homogêneas são chamadas de soluções, e são constituídos de componentes que tem afinidades entre si, sendo a olho nu, um só.

Misturas heterogêneas são, ao contrario da homogênea, constituídos de substâncias que não apresentam afinidade entre si, formando fases constituídas de tais, independentemente.

Quando se deseja separar substâncias de uma mistura, utiliza-se as técnicas de extração. O processo de extração, ou seja, a separação, com solventes é geralmente empregada quando se quer isolar uma substância que se encontra dissolvida em outra substância. Estas misturas podem ter seus constituintes em estado sólido ou liquido. Essa operação é bastante empregada na química orgânica, no qual, se utiliza solventes orgânicos para extração de certas substâncias orgânicas, contidas em soluções aquosas.

As técnicas de extração estão em um grau de aprimoramento, que hoje em dia é capaz separar qualquer substância em um sistema, bastando conhecer as condições físicas e as característica da espécie que se deseja separar.

Existem vários métodos utilizados por extração, onde se emprega a lei da distribuição, que um soluto pode ser parcialmente extraído de uma solução, quando esta é agitada com um segundo solvente que não seja miscível com o primeiro. Levando em consideração que o coeficiente de distribuição como qualquer constante de equilíbrio, pode variar com as condições físicas presentes, como temperatura.

2. OBJETIVOS

O presente trabalho tem por intento determinar os coeficientes de distribuição do acido acético em uma mistura de água e éter.

3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

3.1 CONCEITOS TEORICOS

3.1.1 LEI DE NERNST

Na química o uso de misturas é constante, sendo assim necessário conhecer alguns conceitos termodinâmicos que regem tais sistemas. A propriedade que nos permite afirmar se uma mistura é possível de se formar é chamada de potencial químico, e representada da seguinte forma,

T, p, nj,

Para sistemas de apenas um componente termos a energia de Gibbs molar. Uma vez que duas substâncias são postas em contato, a mistura

ocorrerá até que os potenciais de ambos líquidos se igualem, ou seja:

.

Por exemplo: se agitarmos uma solução de ácido acético em água e em éter etílico, o ácido distribui entre os dois solventes não miscíveis. Se o e ’ são os potenciais químicos do ácido na água e no éter respectivamente, então no equilíbrio = ’. Se ambas as soluções forem diluídas e ideais, então pode-se considerar

* + RT ln x = ’* + RT ln x’,

que pode ser reorganizado em

Como ’* e * são independentes da composição, segue-se que

,

onde K, o coeficiente de distribuição ou de partição, é independente das

concentrações de acido acético nas duas camadas. A quantidade '* - * é a variação de energia livre padrão, G*, para a transformação.

CH3COOH (em H2O) → CH3COOH (em éter etílico).

A Equação 1.2 torna-se

,

que é a relação usual entre a variação de energia livre padrão e a constante de equilíbrio de uma reação química.

Em soluções suficientemente diluídas, as frações molares são proporcionais as molalidades ou molaridades; então, tem-se:

Equação 1.1

Equação 1.2

Equação 1.3

Equação 1.4

e ,

onde K’ e K’’ são independentes das concentrações nas duas camadas. A Equação 1.5 foi originalmente proposta por W. Nernst e é conhecida por lei de distribuição de Nernst.

Considerando as soluções como ideais, tem-se que as frações molares são proporcionais às concentrações molares. Logo, pode-se escrever o coeficiente de partição para o caso do ácido acético como sendo:

,

onde e = concentração de ácido acético na fase orgânica (éter)

e a = concentração de ácido acético na fase aquosa.

De posse dos valores de concentração para o ácido acético em cada fase, pode-se determinar a quantidade de ácido restante em cada fase, bem como a quantidade de soluto extraída em cada extração. Para tanto, basta tomar volumes iguais dos dois solventes, de forma que, o coeficiente de partição assume a forma

Como mT (massa total de soluto antes da extração) é igual a mT = me + ma, tem-se que:

A Equação 1.6 como se pode obter a quantidade de ácido que foi extraída para a fase com éter, e através da relação entre as massas e a massa total, obtém-se a quantidade de soluto que permaneceu em fase aquosa.

3.2 CONCEITOS EXPERIMENTAIS

3.2.1 TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO

Existem dois métodos de extração, que levam em conta a solubilidade da substância em um determinado solvente. Para uma melhor extração a escolha do solvente é essencial, que deve ser escolhido levando em consideração a facilidade do solvente em dissolver o soluto e algumas propriedade que podem ser uteis na hora de isolar a substancia. Esses métodos são classificados como:

Equação 1.5

Equação 1.6

3.2.1.1 Método continuo

É utilizado quando o soluto a ser extraído é mais solúvel em água do que em um solvente orgânico, nesses casos seria necessária a utilização de grandes quantidades de solvente orgânico. Temos dois tipos de sistemas, a extração liquido-liquido e a extração solido-liquido.

i) Extração líquido-líquido

Para esse tipo de extração utilizam-se dois diferentes tipos de aparelhagem, conforme o solvente seja mais leve ou mais pesado que a água. No primeiro caso o solvente (geralmente éter dietílico, devido ao seu baixo ponto de ebulição) é mantido em ebulição em uma retorta, onde os vapores são então condensados por um condensador de refluxo e caem num funil que os faz descer para o recipiente de vidro onde está a solução a ser extraída. Daí o éter, sempre puro, sobe através da camada aquosa, conduzindo consigo um pouco da substância, e volta à retorta, onde se evapora de novo, deixando a substância que havia extraído: o ciclo recomeça. Desse modo, pouco solvente consegue substituir a grande quantidade que uma extração única descontínua exigiria.

Quando o solvente de extração é mais pesado que a água, utiliza-se outra aparelhagem, baseada, porém, no mesmo princípio. Agora se utiliza clorofórmio ou o tetracloreto de carbono, que é levado à ebulição em uma retorta. Os vapores sobem pelo braço superior do aparelho, condensam-se em gotas no refrigerador, caindo sobre o líquido a ser extraído. A diferença em relação à primeira aparelhagem é que, neste caso, o solvente cai através da solução, ao invés de subir, e volta à retorta pelo princípio dos vasos comunicantes, através do braço de vidro inferior, convenientemente dobrado. A extração contínua não ocupa totalmente o operador, e pode ser deixada por vários dias em atividade.

ii) Extração solido-liquido

Para a extração de um sólido, utiliza-se um tipo de aparelho chamado Soxhlet (figura 1), que possui um recipiente de vidro onde deverá ser colocado o sólido a ser extraído, completamente envolto por um papel de filtro. O aparelho é conectado a um balão com o solvente em ebulição, que se evapora e sobe pelo braço do aparelho, condensando-se em um condensador de refluxo e em seguida gotejando sobre o cartucho de papel de filtro. O recipiente possui um pequeno braço retorcido (sifão), que retorna ao balão. Ao encher o recipiente até a altura da dobra do sifão, o solvente, contendo parte da substância dissolvida, volta ao balão completamente através do sifão. O solvente evapora-se novamente, deixando a substância dissolvida no balão. O processo se repete até que todo o material tenha sido extraído. Caso existam outros materiais a serem extraídos do mesmo sólido, utilizam-se outros solventes em seguida.

3.2.1.2 Método descontinuo

Esse método é caracterizado pela maior afinidade do soluto em solventes orgânicos, do que em água.

No método descontinuo (figura 2) utilizam-se pequenas porções do solvente, apropriado, para extrair o soluto, agindo-se dessa maneira tem-se, também, um melhor rendimento ao final do processo. É também freqüente recorrer à característica que muitas substâncias orgânicas possuem de diminuir a própria solubilidade em água quando existem na solução sais inorgânicos, o que se reduz bastante às perdas do solvente na extração.

A extração é feita da seguinte maneira: em um funil de separação introduzem-se quantidades iguais da solução e do solvente. Inicialmente, pode-se perceber uma nítida divisão entre a solução aquosa e o solvente orgânico incolor. Retira-se então o funil do suporte e agita-se até que o soluto se distribua entre os dois solventes. Recoloca-se o funil no suporte, esperando-se alguns minutos, para permitir a formação das duas fases novamente. A separação é realizada, então, com base nas afinidades químicas solvente-solvente e soluto-soluto. Em seguida abre-se a torneira e deixa-se escoar a fase mais densa, a fase inferior ( meio aquoso) em um erlenmeyer ou béquer. A solução que restou é novamente extraída. Geralmente bastam, em média, três extrações. As frações orgânicas são reunidas e em seguida evaporadas, de maneira que o soluto seja isolado.

Figura 1 – Aparelho SoxhletFigura 2 – método de separação descontinua

4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

4.1 MATERIAIS E REAGENTES

Funil de separação

Pipetas

Buretas

Erlenmeyers

Pisseta

Suporte Universal

Solução de ácido acético 0,50 M

Éter etílico P.A

Fenolftaleína

Solução de Hidróxido de Sódio 0,5 M

Água destilada

4.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Em um funil de decantação limpo e seco, adicionou-se 25 mL de solução de ácido acético e 25 mL de éter etílico, medidos com precisão por uma pipeta volumétrica. Homogeneizou-se a mistura, sempre tomando o cuidado de aliviar a pressão no funil, causada pela volatilidade do éter.

Após um determinado período de tempo necessário para a separação das fases, retirou-se a solução de ácido acético com a ajuda de um erlenmeyer e descartou-se a interfase. Em seguida, recolheu-se a fase orgânica e guardaram-se os dois solventes para realizar a titulação.

Retirou-se 5 mL de cada amostra recolhida e foi adicionado cada uma das amostras em 2 erlenmeyers limpos e secos. Em seguida, adicionou-se 3 gotas de fenolftaleína e realizou-se a titulação com solução padrão de hidróxido de sódio 0,5M, de forma a obter a concentração do ácido nos dois solventes analisados.

5. RESULTADOS E DISCURSSÕES

Durante a adição das duas soluções foi observado a formação de duas fases . Na inferior estava presente apenas a solução de ácido acético devido a sua maior densidade (fase aquosa). Na superior, houve uma interação do ácido acético com o éter (fase orgânica).

De acordo com o processo de titulação foi possível determinar a concentração do ácido acético em água e em éter. Mostrados a seguir.

5.1 CONCENTRAÇÃO DE ÁC. ACETICO EM ÁGUA

Levando em consideração os seguintes dados da titulação:

VCH3COOH= 5,0 mL

VNaOH= 15,4 mL

CNaOH= 0,5 mol/L

Temos que,

CCH3COOH x VCH3COOH = CNaOH x VNaOH

CCH3COOH = (Eq. 1)

Substituindo os valores da titulação na Eq. 1,

CCH3COOH =

CCH3COOH = 1,58 mol/L

5.2 CONCENTRAÇÃO DE ÁC. ACETICO NO ÉTER

Dados da titulação,

VCH3COOH em éter = 5,0 mL

VNaOH = 8,2 mL

CNaOH= 0,5 mol/L

Temos que a concentração de Ác. Acético em éter é igual a,

CCH3COOH em éter

CCH3COOH =

CCH3COOH = 0,82 mol/L

5.3 CONSTANTE DE DISTRIBUIÇÃO PARA O ÁC. ACETICO

Para determinação da constante de distribuição utilizamos a equação de Nersnt, que a seguinte,

K = , sendo C = concentração (mol/L) (Eq. 2)Substituindo os valores das concentrações do soluto na fase inferior e superior na Eq. 2, temos,

K =

K = 0,52

Observa-se que para melhor extração do acido acético em uma mistura

água – éter, seria necessário fazer extrações sucessivas, cerca de três vez

com 30 mL de um solvente imiscível em cada uma delas, terá uma maior

eficiência, do que apenas uma extração com o volume total de solvente.

Sabendo-se que em cada operação de extração estabelece-se um novo

equilíbrio, e após sucessivas operações será possível retirar quase que

totalmente o composto orgânico da fase aquosa.

6. CONCLUSÃO

Os resultados do experimento revelam que o soluto se apresentou com interações mais fortes com o meio aquoso (fase inferior) do que com o meio orgânico (fase superior), como era de esperar para o ácido acético que além de apresentar hidroxila (estrutura polar) em sua composição é um composto de pequeno peso molecular. Isto indica que o éter etílico não apresenta interação molecular suficiente para superar as forças de interação soluto-solvente presentes na solução de ácido acético, como mostra o pequeno valor do coeficiente de partição encontrado neste experimento. Sendo evidente que uma extração será tanto mais eficaz quanto mais alto for o coeficiente de distribuição do soluto entre o segundo e o primeiro solvente.