Atividade prática – Métodos de separação: destilação fracionada

Parte 5

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 – Os cuidados com a destilação fracionada. Sabe-se que a “destilação simples” se destina a separar misturas homogêneas do tipo S-L, enquanto a “destilação fracionada” é para misturas L-L. Mas, não são apenas essas as diferenças entre os dois métodos. Na destilação simples, os componentes possuem pontos de ebulição bastante distantes, dispensando o uso de termômetros; e o laboratorista não precisa fazer nenhum tipo de controle de temperatura. Ele sabe que, para uma mistura de um sólido dissolvido em um líquido, dificilmente há o risco de o sólido passar para o estado gasoso junto com o líquido, voltando a se misturarem. Para uma mistura de água e sal de cozinha, por exemplo, basta deixar a mistura em ebulição: com certeza, a água é vaporizada em torno de 100ºC, sofre resfriamento no condensador, e cai no frasco final no estado líquido, sem vestígios do sólido. O sal de cozinha, por sua vez, cristaliza no frasco que sofreu aquecimento devido à ausência do solvente. Mas, ao contrário, quando a mistura é do tipo L-L, o risco de acontecer vaporização simultânea dos componentes é bastante grande. Isso porque os pontos de ebulição podem ser bastante próximos, com diferenças apenas de algumas dezenas de graus, ou até menos. Quanto menor a distância entre os pontos de ebulição entre os líquidos misturados, menor será a eficiência do método. Frequentemente, os procedimentos precisam ser repetidos várias vezes, até que o percentual de um dos componentes possa se elevar até o nível desejado. Para isso, é indispensável um controle rigoroso da temperatura dos gases produzidos, para garantir que a temperatura permaneça próxima do ponto de ebulição do líquido mais volátil e, ao mesmo tempo, o mais distante possível do ponto de ebulição do líquido menos volátil, diminuindo as chances de vaporização deste último. Mas, esse controle não é possível sem um termômetro de confiança, instalado corretamente na montagem do sistema de destilação. Ainda assim, o termômetro não é a única peça fundamental. A instalação de uma “coluna de fracionamento” é, muitas vezes, indispensável. Essa coluna é constituída geralmente de pequenas bolinhas de vidro porosas, chamadas “pérolas de vidro”, que funcionam como um obstáculo a mais para as moléculas de vapor produzidas.

A coluna de fracionamento funciona como um obstáculo, diminuindo a chegada de vapores indesejáveis ao condensador, promovendo a condensação prévia dos vapores e retorno dessas substâncias ao balão de destilação (refluxo). Disponível (acesso: 19.09.2014): http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vigreux_column.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fractional_distillation_lab_apparatus.png

Quando o líquido é aquecido, as moléculas dos dois líquidos recebem energia, podendo passar para o estado gasoso, mesmo as do líquido menos volátil. É como acontece com a água, que pode ser vaporizada até na temperatura ambiente (evaporação). No entanto, quando entram na coluna de fracionamento, as moléculas vão perdendo energia, dando “voltas” e vão se chocando, tendendo a passar novamente para o estado líquido, antes mesmo de chegarem ao condensador.

Observe na ilustração que, em algumas montagens, o caminho que as moléculas de vapor precisam fazer até o condensador é longo,

principalmente considerando as “voltas” que precisam dar dentro da coluna de fracionamento.

Disponível (acesso: 11.11.2014):

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Distillatore.gif

O caso água-álcool Industrialmente, a destilação fracionada é importante pois é usada na fabricação de bebidas destiladas (a cachaça, por exemplo) e também na fabricação do álcool etílico (etanol, álcool comum de uso doméstico). No caso da separação da mistura água (100ºC) e acetona (56ºC) o método é mais eficiente, devido à grande diferença de pontos de ebulição dos dois líquidos, em torno de 44ºC. No caso da mistura de água com etanol (78,5ºC), essa diferença é bem menor, em torno de 22ºC; sendo, então, mais difícil obter álcool com maior grau de pureza, sendo necessárias redestilações do produto obtido. E, mesmo assim, não se obtém o etanol totalmente puro.

O caso etanol-água é bastante específico, estando na categoria das misturas azeotrópicas. Existem misturas que não podem ser separadas por processos de destilação, uma vez que a mistura apresenta um ponto de ebulição constante, que é menor que o ponto de ebulição de cada um dos componentes da mistura. Essas misturas são chamadas de misturas azeotrópicas ou simplesmente azeótropos. Um exemplo clássico é a mistura contendo 95,6% de etanol e 4,4% de água. Essa mistura é destilada como se fosse uma substância pura, a 78,2oC, temperatura inferior ao ponto de ebulição do álcool etílico puro (78,5oC) e da água pura (100oC). Esse fato torna difícil a obtenção de álcool anidro (isento de água). Alambique para destilação de conhaque. A fabricação de bebidas não objetiva a obtenção de etanol puro. Disponível (acesso: 11.11.2014): http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Brennerei.jpg

Esquema de alambique para destilação de bebidas como cachaça, vodka, rum, uísque, conhaque,

tequila etc. Disponível (acesso: 11.11.2014):

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Alembic_for_distillation.png

Para a retirada dos 4,4% restantes de água, são necessários outros processos complementares. Pode-se, por exemplo, adicionar cal virgem (oxido de cálcio) à mistura azeotrópica. Nesse caso, a água reage com a cal, formando hidróxido de cálcio sólido, que pode ser retirado por filtração. Outra forma é adicionar benzeno (C6H6), que forma com a água um azeótropo com ponto de ebulição igual a 69,4oC, inferior portanto ao ponto de ebulição do azeótropo álcool-água. Assim, ao se destilar a mistura, destila-se em primeiro lugar o azeótropo benzeno-água. O álcool anidro é destilado em seguida.

Experimento: Separação de uma mistura do tipo líquido-líquido homogênea Material (por turma*) A) Solução aquosa de propanona (C3H6O) ou “acetona” comum, disponível em farmácias. B) Água destilada ou de torneira. C) Manta elétrica para aquecimento**. D) Balão de destilação com duas bocas (uma para o termômetro). 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) Dois ou três suportes universais.

K) Garras para montagem com suporte universal. L) “Pérolas” de vidro. M) Coluna de fracionamento. N) Termômetro de laboratório. O) Rolha com um furo de diâmetro justo para encaixe do termômetro. *Obs.: Desaconselhamos a montagem por grupo de alunos, uma vez que a acetona e combustível será aquecida. Mesmo misturada em água, há certo risco de acidentes com a acetona aquecida ou seus vapores, sendo necessários controle e intervenção constantes de pessoa habilitada. Os riscos são mínimos, se as orientações forem seguidas com rigor. **Obs.: Para essa prática, desaconselhamos o uso o bico de Bunsen. A manta elétrica permite regular a intensidade do calor, permitindo aquecimentos leves e diminuindo os riscos de acidentes.

Procedimento – Preparação O professor pode pedir aos alunos que leiam em voz alta, um aluno por vez, cada item do procedimento. Enquanto isso, o professor vai executando a montagem e fazendo os comentários apropriados.

1. Monte o balão de destilação de forma que fique dentro da manta elétrica desligada. Passe um pouco de graxa de silicone no vidro esmerilhado do balão.

2. Insira o termômetro na rolha furada e coloque-a tampando uma das saídas do balão. A ponta do termômetro deve ficar “alta”, acima do líquido para medir a temperatura do vapor.

3. Monte a coluna de fracionamento em um dos suportes universais, de forma que ela fique na posição vertical logo acima da outra boca do balão, pronta para ser encaixada nele.

4. Prenda o condensador no outro suporte universal com o auxilio de garras, de forma a dar altura para que ele possa ser encaixado no alto da coluna de fracionamento. O condensador deverá ficar quase na horizontal, mas com a parte a ser conectada à coluna de fracionamento um pouco mais elevada.

Balão de três saídas (uma tampada) adaptado em manta elétrica. A saída da direita está com uma rolha preta furada com termômetro (direita) e a saída do centro tem uma coluna de fracionamento curta inserida. As mangueiras do condensador ainda não foram instaladas. Disponível (acesso: 11.11.2014):

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Complete_distillation_set_up.jpg

5. Conecte uma ponta da mangueira de borracha na torneira da pia 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.

6. Coloque o erlenmeyer abaixo da saída do condensador, onde será recolhida a água destilada. Talvez seja necessário colocá-lo fixo em um terceiro suporte universal, para ajustá-lo à altura do condensador.

Procedimento – Separação 7. A mistura a ser separada pelo professor deve ser constituída por 900mL de água e 100mL de acetona comercial de farmácia. Essa dissolução produz uma solução aquosa de cerca de 6% de propanona (C3H6O).

Obs.: Normalmente, as acetonas para remover esmaltes de unha contêm cerca de 60% de propanona e o restante pode conter álcool comum, vitaminas, perfumes, óleos de mamona, de girassol e vários outros componentes em menor quantidade. Algumas são constituídas de propanona pura.

8. 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.

9. Faça a conexão do balão com a coluna de fracionamento e desta com o condensador, conferindo se estão bem encaixados, sem possibilidade de vazamento de vapores.

10. 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.

11. Ligue o aquecimento na potência mínima e acompanhe a evolução da temperatura. A temperatura não deve passar de 60ºC. Logo após obter as primeiras gotas de destilado, desligar o aquecimento.

Observações e questões

1) Na sua opinião, a mistura entrou em ebulição? Houve produção de bolhas? Descreva.

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2) Quanto tempo levou até que a mistura chegasse a 56ºC? Quanto tempo levou até que as primeiras gotas de acetona destilada pingassem no erlenmeyer?

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3) Houve sensação do cheiro característico da acetona no ambiente? Cheirando o líquido destilado com cuidado e à distância de segurança, há sensação de cheiro característico da acetona? Comente.

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4) Por que a propanona é solúvel em água? Desenhe as estruturas de uma molécula de propanona e uma de água, e faça uma linha pontilhada representando as forças intermoleculares presentes, ligando as partes corretas de cada molécula.