Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

22Espécies químicas naturais e sintéticas

Uma colherada de sorvete de baunilha. O sabor pode vir das vagens pretas de uma orquídea tropical, colhidas, curadas e mergulhadas em álcool durante meses; ou pode vir de uma fábrica que produz o aroma a partir da polpa de madeira ou do petróleo. Prove os dois lado a lado e o sabor principal é o mesmo — por uma boa razão: a molécula que tem gosto de baunilha, a vanilina, é exatamente a mesma molécula, seja qual for o modo como foi obtida. Este capítulo mostra como os químicos tiram uma espécie de uma planta, como a fabricam e como verificam que o que têm é mesmo o que pensam ter.

O que você já sabe

Uma espécie química é um tipo determinado de substância; uma substância pura contém uma única espécie e tem constantes fixas, como as temperaturas de fusão e de ebulição (Capítulo 8). Os líquidos são miscíveis ou imiscíveis, e cada soluto tem a sua própria solubilidade em cada solvente (Capítulo 9). A cromatografia em papel separa os corantes de uma mistura (Capítulo 10).

Vagens de baunilha e cristais brancos de vanilina: a mesma molécula, vinda de uma planta ou de uma fábrica.

22.1 Espécies naturais e sintéticas

Definição 22.1 (Espécies naturais e sintéticas)

Uma espécie natural é uma espécie química produzida por um ser vivo ou encontrada como tal na natureza. Uma espécie sintética é produzida pelos químicos a partir de outras espécies, por meio de reações químicas. Uma espécie sintética pode ser idêntica a uma espécie natural (a vanilina sintética) ou não ter equivalente na natureza (a maioria dos remédios e dos plásticos).

Proposição 22.2 (Mesma espécie, mesmas propriedades)

Uma espécie química tem as mesmas propriedades seja qual for a sua origem: a vanilina produzida numa fábrica e a vanilina extraída de uma vagem têm a mesma fórmula, o mesmo ponto de fusão, o mesmo cheiro. O que pode ser diferente é o que vem junto com ela: um extrato natural é uma mistura, com muitas outras espécies que mudam o seu sabor.

História — Da casca do salgueiro à aspirina, 1828–1899

Durante séculos, a casca do salgueiro foi mascada contra a febre e a dor. Em 1828, um químico extraiu dela a espécie ativa, a salicina; os químicos a transformaram depois em ácido salicílico, que funciona mas irrita o estômago. Em 1897, numa empresa de corantes e medicamentos, Felix Hoffmann produziu a partir do ácido salicílico uma espécie sintética mais suave: o ácido acetilsalicílico, vendido a partir de 1899 com o nome de aspirina. A aspirina não tem fonte natural: ela é uma espécie puramente sintética.

22.2 Extrair uma espécie

Definição 22.3 (Extração e extração líquido–líquido)

Uma extração retira uma espécie química do material que a contém, em geral dissolvendo-a num solvente bem escolhido. Numa extração líquido–líquido, uma espécie dissolvida num líquido é transferida para um segundo líquido, imiscível com o primeiro, no qual ela se dissolve melhor; os dois líquidos são depois separados num funil de separação.

Exemplo 22.4 (Extrações do dia a dia)

Fazer chá é uma extração com água quente (infusão); deixar vagens de baunilha de molho no álcool é uma extração com etanol (maceração); ferver legumes para fazer um caldo é outra (decocção).

Definição 22.5 (Destilação e hidrodestilação)

Uma destilação aquece uma mistura líquida até a ebulição, faz o vapor voltar a ser líquido num condensador resfriado por água corrente e recolhe esse líquido, o destilado. Uma hidrodestilação ferve um material vegetal na água: o vapor de água arrasta as espécies perfumadas da planta, que se separam da água no destilado na forma de uma camada oleosa, o óleo essencial.

Hidrodestilação da lavanda. O vapor de água arrasta o óleo essencial até o condensador; o destilado se separa numa fina camada de óleo sobre a água.

Método 22.6 (Escolher um solvente de extração)

Para uma extração líquido–líquido de uma espécie a partir da água, o solvente deve:

dissolver a espécie muito melhor do que a água;
ser imiscível com a água, para que se formem duas camadas;
ser o menos perigoso possível, e fácil de retirar depois (uma temperatura de ebulição baixa permite fazê-lo evaporar).

A camada que fica em cima é decidida pelas densidades: o líquido menos denso flutua.

Exemplo 22.7 (Solventes para o óleo de lavanda)

O linalol, a principal espécie do óleo de lavanda, só se dissolve até $1.6\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ na água, mas muito bem nos solventes abaixo:

solvente	massa de $1\,\mathrm{mL}$	ferve a	com a água	principais perigos
ciclo-hexano	$0.78\,\mathrm{g}$	$81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	imiscível	inflamável, nocivo
etanoato de etila	$0.90\,\mathrm{g}$	$77\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	imiscível	inflamável, irritante
diclorometano	$1.33\,\mathrm{g}$	$40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	imiscível	suspeito de ser cancerígeno
etanol	$0.79\,\mathrm{g}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	miscível	inflamável

O etanol não pode ser usado: ele se mistura com a água e não se formam camadas. Com o ciclo-hexano ou o etanoato de etila, a camada de solvente fica em cima; com o diclorometano, embaixo.

Um funil de separação depois de agitado e deixado em repouso: o óleo passou para o ciclo-hexano, em cima.

Segurança

Ciclo-hexano: altamente inflamável (GHS02); pode ser mortal se ingerido e penetrar nas vias respiratórias, provoca irritação da pele e sonolência (GHS07, GHS08); muito tóxico para os organismos aquáticos (GHS09). Usado numa capela de exaustão, longe de chamas.

22.3 A cromatografia em camada delgada

Definição 22.8 (Cromatografia em camada delgada)

A cromatografia em camada delgada (CCD) separa as espécies de uma mistura numa placa coberta por uma fina camada de um pó branco fino, a fase estacionária. Pequenas manchas das amostras são postas sobre uma linha a lápis perto da base; a placa fica de pé, numa cuba fechada, num pouco de solvente, o eluente, que sobe pela placa e leva cada espécie até uma altura que depende da espécie. As manchas incolores são depois reveladas sob luz ultravioleta ou com vapor de iodo.

Definição 22.9 (Fator de retenção)

O fator de retenção de uma mancha é

R_f = \frac{\text{distância da linha de partida até a mancha}} {\text{distância da linha de partida até a frente do solvente}},

um número entre 0 e 1. Para uma dada placa, um dado eluente e uma dada temperatura, cada espécie tem o seu próprio $R_f$ .

Método 22.10 (Fazer e ler uma CCD)

Trace a linha de partida a lápis, a $1\,\mathrm{cm}$ da base; aplique nela uma pequena mancha de cada amostra e de cada espécie de referência.
Coloque a placa de pé na cuba, com o eluente abaixo da linha; feche a cuba.
Retire a placa quando a frente estiver a cerca de $1\,\mathrm{cm}$ do alto; marque a frente imediatamente; seque e revele.
Meça as distâncias e calcule o $R_f$ de cada mancha. Uma amostra que dá uma única mancha provavelmente é uma espécie pura; uma mancha na mesma altura que uma mancha de referência na mesma placa provavelmente é essa espécie.

CCD do óleo de lavanda (O) ao lado do linalol (L) e do etanoato de linalila (A). O óleo dá duas manchas, nas alturas das duas referências: ele contém as duas espécies. Para o linalol, R_f = d/D. — CCD do óleo de lavanda (O) ao lado do linalol (L) e do etanoato de linalila (A). O óleo dá duas manchas, nas alturas das duas referências: ele contém as duas espécies. Para o linalol, $R_f = d/D$ .

22.4 Identificar uma espécie pelas suas constantes físicas

Proposição 22.11 (Um ponto de fusão verifica a identidade e a pureza)

Um sólido puro funde de uma vez, à sua própria temperatura: a vanilina a cerca de $82\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , a aspirina a $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o ácido salicílico a $158\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Uma amostra impura funde a uma temperatura mais baixa, e ao longo de uma faixa de vários graus. Medir um ponto de fusão, num banco de metal aquecido (banco de Kofler) ou num aparelho de ponto de fusão, ao mesmo tempo identifica um sólido e diz se ele é puro.

No laboratório — Uma placa de CCD

Os alunos aplicam óleo de lavanda, linalol e etanoato de linalila numa placa, a revelam num pote fechado com uma mistura de solventes escolhida pelo professor, e a observam sob uma lâmpada ultravioleta, usando óculos que bloqueiam o ultravioleta. O eluente é usado e manuseado na capela de exaustão.

Um campo de lavanda em flor: a matéria-prima do óleo essencial de lavanda.

22.5 Exercícios

Exercício 22.1 ★

Espécie natural ou sintética? A vanilina de uma vagem de baunilha; a aspirina; a cafeína dos grãos de café; a vanilina produzida numa fábrica.

Solução

Solução de Exercício 22.1.

Naturais: a vanilina de uma vagem, a cafeína dos grãos de café. Sintéticas: a aspirina, a vanilina de fábrica.

Exercício 22.2 ★

Por que a vanilina sintética e a vanilina natural têm o mesmo ponto de fusão?

Solução

Solução de Exercício 22.2.

Elas são a mesma espécie química, e uma espécie tem as mesmas propriedades seja qual for a sua origem.

Exercício 22.3 ★

Numa placa de CCD, a frente do solvente está $6.0\,\mathrm{cm}$ acima da linha de partida e uma mancha está $2.4\,\mathrm{cm}$ acima dela. Calcule o $R_f$ dessa mancha.

Solução

Solução de Exercício 22.3.

$R_f = 2.4/6.0 = 0.40$ .

Exercício 22.4 ★

Dê o papel do condensador numa destilação, e diga por que a água fria entra pela extremidade de baixo.

Solução

Solução de Exercício 22.4.

Ele resfria o vapor e o faz voltar a ser líquido. Entrando pela extremidade de baixo, a água enche toda a camisa (e encontra o vapor mais quente por último, resfriando melhor).

Exercício 22.5 ★

Dê as três condições que um solvente de extração deve cumprir.

Solução

Solução de Exercício 22.5.

Dissolver a espécie muito melhor do que a água; ser imiscível com a água; ser o menos perigoso possível e fácil de retirar.

Exercício 22.6 ★★

Usando a tabela de solventes, explique por que o etanol não pode ser usado para extrair o linalol do destilado, enquanto o ciclo-hexano pode.

Solução

Solução de Exercício 22.6.

O etanol é miscível com a água: não se formam camadas, e nada pode ser separado. O ciclo-hexano é imiscível com a água e dissolve bem o linalol.

Exercício 22.7 ★★

Num funil de separação, agita-se diclorometano com água. Que camada fica em cima? Justifique com a tabela.

Solução

Solução de Exercício 22.7.

A água fica em cima: $1\,\mathrm{mL}$ de diclorometano pesa $1.33\,\mathrm{g}$ , mais do que $1\,\mathrm{mL}$ de água, e por isso ele afunda.

Exercício 22.8 ★★

Um pó branco vendido como aspirina começa a fundir a $126\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e está completamente fundido a $132\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O que você pode concluir?

Solução

Solução de Exercício 22.8.

Ele funde baixo demais (aspirina: $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) e ao longo de uma faixa: a amostra é impura, ou não é aspirina.

Exercício 22.9 ★★

Olhe a figura da CCD deste capítulo. O que o óleo de lavanda contém? Que espécie subiu mais alto?

Solução

Solução de Exercício 22.9.

Linalol e etanoato de linalila (as duas manchas dele estão nas alturas das duas referências). O etanoato de linalila subiu mais alto.

Exercício 22.10 ★★

Ponha em ordem as etapas da obtenção do óleo de lavanda no laboratório: separação das camadas; hidrodestilação; acréscimo de ciclo-hexano ao destilado e agitação; evaporação do ciclo-hexano.

Solução

Solução de Exercício 22.10.

Hidrodestilação; acréscimo de ciclo-hexano ao destilado e agitação; separação das camadas; evaporação do ciclo-hexano.

Exercício 22.11 ★★

Por que a linha de partida de uma placa de CCD é traçada a lápis e colocada acima do eluente?

Solução

Solução de Exercício 22.11.

O grafite não se dissolve no eluente; acima do eluente, as manchas são levadas para cima pela placa em vez de se dissolverem na cuba.

Exercício 22.12 ★★★

Depois da extração, o ciclo-hexano é retirado por um aquecimento suave, e fica o óleo. Usando as temperaturas de ebulição do ciclo-hexano e do linalol ( $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), explique por que isso funciona.

Solução

Solução de Exercício 22.12.

O ciclo-hexano ferve a $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o linalol a $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : um aquecimento suave expulsa o ciclo-hexano enquanto o linalol fica.

Exercício 22.13 ★★★

Uma amostra sintética de um aroma dá uma única mancha numa placa de CCD, na altura da espécie natural, e funde de uma vez na temperatura certa. Que duas conclusões você pode tirar?

Solução

Solução de Exercício 22.13.

A amostra provavelmente é essa espécie (mesmo $R_f$ que a natural na mesma placa) e provavelmente é pura (uma única mancha, ponto de fusão nítido).

Exercício 22.14 ★★★

Na mesma CCD, a mancha A tem $R_f = 0.40$ e a frente está $5.5\,\mathrm{cm}$ acima da linha. A que altura está a mancha A? Outra espécie tem $R_f = 0.75$ : a que distância acima da mancha A ela fica?

Solução

Solução de Exercício 22.14.

$0.40 \times 5.5 = 2.2\,\mathrm{cm}$ . A outra está a $0.75 \times 5.5 = 4.1\,\mathrm{cm}$ (arredondando ao milímetro), portanto cerca de $1.9\,\mathrm{cm}$ acima de A.

Exercício 22.15 ★★★

$1.6\,\mathrm{g}$ de linalol podem se dissolver em $1\,\mathrm{L}$ de água. Um destilado de $200\,\mathrm{mL}$ de água contém $0.20\,\mathrm{g}$ de linalol dissolvido. Ele está saturado? Quanto ele ainda poderia dissolver? Por que vale a pena extrair essa água com ciclo-hexano em vez de jogá-la fora?

Solução

Solução de Exercício 22.15.

$200\,\mathrm{mL}$ podem dissolver $1.6 \times 0.200 = 0.32\,\mathrm{g}$ : com $0.20\,\mathrm{g}$ , ele não está saturado; ainda poderia dissolver $0.12\,\mathrm{g}$ . Os $0.20\,\mathrm{g}$ dissolvidos seriam perdidos com a água; o ciclo-hexano, que dissolve muito melhor o linalol, recupera a maior parte deles.

22.6 Problema: o perfume da lavanda

Problema 22.1

Problema de fim de semana — de um cesto de flores de lavanda a algumas gotas de óleo essencial, controladas por cromatografia

Num laboratório escolar, $100\,\mathrm{g}$ de flores frescas de lavanda são hidrodestiladas com água. O destilado, turvo, é agitado com $20\,\mathrm{mL}$ de ciclo-hexano num funil de separação; a camada de ciclo-hexano é guardada e secada, e o ciclo-hexano é evaporado com um aquecimento suave. O que fica é o óleo essencial de lavanda. Use a tabela de solventes deste capítulo.

Parte I — A hidrodestilação.

Qual é o papel da água fervente numa hidrodestilação?
Qual é o papel do condensador? Por onde a água fria entra nele?
O destilado mostra uma fina camada oleosa flutuando sobre a água. O óleo é miscível com a água? Ele é mais ou menos denso que a água?
Por que o destilado não é simplesmente despejado com cuidado para recuperar o óleo?

Parte II — A extração.

Por que o ciclo-hexano é um solvente adequado para essa extração?
O etanol poderia ser usado no lugar dele? Explique.
Depois da agitação e do repouso, a camada de ciclo-hexano fica em cima ou embaixo? E com o diclorometano?
Dê duas precauções exigidas pelos pictogramas do ciclo-hexano.
Por que o ciclo-hexano pode ser evaporado sem perder o linalol, que ferve a $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Parte III — A cromatografia. O óleo, o linalol puro (L) e o etanoato de linalila puro (A) são aplicados numa placa de CCD. Depois da eluição, a frente está $6.0\,\mathrm{cm}$ acima da linha de partida. O óleo dá duas manchas, a $2.4\,\mathrm{cm}$ e a $4.5\,\mathrm{cm}$ ; a mancha L está a $2.4\,\mathrm{cm}$ , a mancha A a $4.5\,\mathrm{cm}$ .

Calcule o $R_f$ do linalol e o do etanoato de linalila.
O que o óleo contém, até onde esta placa mostra?
O óleo de lavanda é uma substância pura?
Por que as referências foram aplicadas na mesma placa que o óleo?
Um linalol sintético é aplicado em outra placa, eluída nas mesmas condições: a mancha dele tem $R_f = 0.40$ . O que se pode concluir?

Parte IV — Quanto óleo? O óleo obtido ocupa $1.0\,\mathrm{mL}$ ; $1\,\mathrm{mL}$ desse óleo pesa $0.90\,\mathrm{g}$ .

Que massa de óleo foi obtida?
Que porcentagem da massa das flores é isso?
Que massa de flores seria necessária para $100\,\mathrm{g}$ de óleo?
Diz-se que o óleo é “natural”. Em que sentido isso é verdade? O linalol dele é diferente do linalol sintético?
Dê a massa de óleo essencial obtida a partir de $100\,\mathrm{g}$ de flores.

Solução

Solução de Problema 22.1.

1. O vapor dela arrasta as espécies perfumadas para fora das flores e até o condensador.

2. Ele resfria o vapor e o faz voltar a ser líquido; a água fria entra pela extremidade de baixo.

3. Imiscível; menos denso que a água (ele flutua).

4. A camada é muito fina, e uma parte do óleo está dissolvida na água ou dispersa nela: uma extração a recupera.

5. Ele dissolve bem o linalol, é imiscível com a água e ferve a uma temperatura baixa ( $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), por isso é fácil de retirar.

6. Não: o etanol se mistura com a água e não se formam camadas.

7. Em cima ( $0.78\,\mathrm{g}$ por mL, menos que a água). Com o diclorometano ( $1.33\,\mathrm{g}$ por mL), a camada de solvente ficaria embaixo.

8. Nenhuma chama por perto (inflamável); trabalhar numa capela de exaustão, com luvas, e recolher os resíduos em vez de jogá-los na pia (tóxico para os organismos aquáticos).

9. O ciclo-hexano ferve a $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o linalol a $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : um aquecimento suave só retira o solvente.

10. $R_f(\text{L}) = 2.4/6.0 = 0.40$ ; $R_f(\text{A}) = 4.5/6.0 = 0.75$ .

11. Linalol e etanoato de linalila.

12. Não: ele contém pelo menos duas espécies; é uma mistura.

13. Para que todas as manchas sejam eluídas nas mesmas condições: só assim as alturas podem ser comparadas.

14. O $R_f$ dele é igual ao do linalol nas mesmas condições: ele provavelmente é linalol, idêntico à espécie natural.

15. $1.0 \times 0.90 = 0.90\,\mathrm{g}$ .

16. $0.90/100 = 0.90\,\%$ .

17. $100/0.009 \approx 11\,000$ g, cerca de $11\,\mathrm{kg}$ de flores.

18. Ele é extraído de uma planta, sem transformação química. Mas o linalol dele é a mesma espécie que o linalol sintético: mesma fórmula, mesmas propriedades.

19. $0.90\,\mathrm{g}$ de óleo essencial a partir de $100\,\mathrm{g}$ de flores.

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