Relatório exp 2: Solvólise do cloreto de terc-butila PDF

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Solvólise do cloreto de terc-butila...

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Universidade de São Paulo Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto

Química Orgânica Experimental

RELATÓRIO Experimento 2 Estudo cinético da solvólise do cloreto de terc-butila em mistura de acetona-água 15/08/2018 Professor: Miguel Joaquim Dabdoub Paz

Aluno: Ananda Ferreira Pires

N° USP: 9290582

Aluno: Artur Beraldo Fortuna

N° USP: 9290495

Aluno: Lívia Salviano Mariotto

N° USP: 9290690

1. Resumo Foram observados os efeitos do solvente, da concentração do cloreto de terc-butila, da estrutura do reagente e da temperatura na velocidade de reação da solvólise do cloreto de terc-butila em uma mistura de solvente água-acetona. 2. Introdução

3. Metodologia Item I: Medida do tempo necessário para realizar a solvólise de 10% de cloreto de terc-butila em 70% água e 30% acetona: em um Erlenmeyer de 25 mL, pipetou-se 3 mL de solução 0,1 mol/L de cloreto de terc-butila em acetona. Em um segundo Erlenmeyer, pipetou-se 0,3 mL da solução 0,1 mol/L de NaOH, adicionando em seguida 6,7 mL de água destilada e uma gota de indicador azul de bromofenol. Adicionou-se a solução aquosa de hidróxido de sódio sobre a solução de acetona, agitando para homogeneizar as soluções. Nesse momento, acionou-se o cronômetro para dar início à contagem do tempo de reação, mantendo o Erlenmeyer sob agitação contínua com auxílio do agitador magnético. Ao ocorrer a mudança de cor do indicador, parou-se o cronômetro e o tempo decorrido foi anotado, bem como a temperatura ambiente. Item II: Medida do tempo necessário para realizar a solvólise de 10% de cloreto de terc-butila em 70% água – 30% acetona, na metade da concentração usada em I: utilizando o mesmo procedimento experimental do item I, com a seguinte modificação: antes de misturar as soluções, no frasco Erlenmeyer que contém 0,3 mL da solução 0,1 mol/L de NaOH e o indicador e 6,7 mL de água destilada, adicionou-se 10 mL de uma solução de 30% de acetona em água. Misturou-se as soluções e mantenha o Erlenmeyer sob agitação contínua com agitador magnético. Anotou-se a temperatura e o tempo em que ocorreu a mudança de cor do indicador. Item III: Efeito da temperatura sobre a velocidade de solvólise do cloreto de tercbutila. III (a): Temperatura de reação abaixo da temperatura ambiente: preparou-se um banho de água-gelo num recipiente, de forma que a temperatura estivesse 10°C abaixo da temperatura ambiente. Preparou-se as soluções como descrito no item I, mas antes de misturá-las foi certificado que a temperatura do conteúdo dos dois frascos estivesse em equilíbrio com a temperatura do banho de água-gelo, deixando-as nesse banho durante cerca de 10 minutos. Como no item I, misturou-se as soluções e manteve-se a agitação magnética. Anotou-se a temperatura da reação e o tempo após o qual ocorreu a mudança de cor do indicador.

III (b): Temperatura de reação acima da temperatura ambiente: Aqueceu-se um recipiente contendo água a uma temperatura de aproximadamente 10°C acima da temperatura ambiente. Repetiu-se o procedimento do item I, fazendo com que o conteúdo dos frascos entrasse em equilíbrio com a nova temperatura. Anotou-se a temperatura da reação e o tempo após o qual ocorreu a mudança de cor do indicador. Item IV: Efeito do solvente sobre a velocidade de solvólise do cloreto de terc-butila: Pipetou-se 2 mL de solução 0,1 mol/L de cloreto de terc-butila em acetona em um frasco Erlenmeyer. Em um outro frasco, pipetou-se 0,2 mL da solução 0,1 mol/L de hidróxido de sódio e adicionou-se 7,8 mL de água destilada e uma gota de indicador azul de bromofenol. Mantendo uma agitação contínua, misturou-se as soluções, anotando o tempo após o qual ocorreu a de mudança de cor do indicador. Item V: Efeito do solvente sobre a velocidade de solvólise de 10% de cloreto de terc-butila: Pipetou-se 4 mL de solução 0,1 mol/L de cloreto de terc-butila em acetona em um frasco Erlenmeyer. Em um outro frasco, pipetou-se 0,4 mL da solução 0,1 mol/L de hidróxido de sódio e adicionou-se 5,6 mL de água destilada e uma gota de indicador azul de bromofenol. Mantendo uma agitação contínua, misturou-se as soluções, anotando o tempo após o qual ocorreu a de mudança de cor do indicador. Item VI: Efeito da estrutura sobre a velocidade de solvólise de um haleto de alquila: repetiu-se o procedimento do item I, substituindo a solução 0,1 mol/L de cloreto de terc-butila, pela mesma quantidade (3 mL) de uma solução 0,1 mol/L de brometo de isopropila. Depois de 5 minutos de agitação à temperatura ambiente, a mistura reacional foi aquecida em banho-maria a uma temperatura entre 60 e 70°C por mais de 10 minutos. 4. Resultados e discussão 5. Conclusão 6. Perguntas do roteiro 1. (a) Represente os mecanismos envolvidos na solvólise do cloreto de terc-butila e mostre a estrutura de todos os possíveis produtos formados. (b) Qual é o produto que permitiu o acompanhamento da reação? R: a)

b) O produto que permitiu observar a evolução da reação é o álcool terc-butílico, pois em sua formação ele consome os íons OH - e portanto muda o pH do meio reacional, causando a mudança na coloração da solução devido ao indicador azul de bromofenol. 2. (a) Qual é o ponto de viragem do indicador azul de bromofenol? (b) Quais são as suas cores de viragem e em quais meios? R: a) O ponto de viragem do azul de bromofenol é entre 3,0 e 4,6. b) Em meios com pH abaixo de 3,0 ele apresenta coloração amarela, já quando o meio tem pH acima de 4,6 a coloração observada é um tom de azul/púrpura.

3. (a) Mostre todos os resultados obtidos dos itens I a VI do roteiro, na forma de tabelas. (b) Para cada um dos itens a seguir, obtenha o valor médio de tempo necessário para ocorrer a solvólise de 10% do cloreto de terc-butila em uma mistura de água-acetona. R: Para o procedimento do item VI, mesmo após 18 minutos de reação a cor do indicador não aparentou nenhuma mudança; isso ocorre pois o brometo de isopropila tem menos facilidade em separar o íon brometo do carbocátion, na etapa lenta da reação, pois o carbocátion formado é menos estável (carbocátion secundário) do que o formado pela solvólise do cloreto de terc-butila (carbocátion terciário). Tabela 1: Tempos de reação obtidos no Item I

Média

Tempo de solvólise (s) Temperatura (°C) 61,31 20 51,03 20 56,06 20 56,13 20

Tabela 2: Tempos de reação obtidos no Item II

Média

Tempo de solvólise (s) Temperatura (°C) 57,75 20 53,51 20 50,38 20 53,88 20

Tabela 3: Tempos de reação obtidos no Item III (a)

Média

Tempo de solvólise (s) 204,53 197,81 209,73 204,02

Temperatura (°C) 10 10 10 10

Tabela 4: Tempos de reação obtidos no Item III (b)

Média

Tempo de solvólise (s) Temperatura (°C) 15,28 30 17,34 30 21,91 30 18,17 30

Tabela 5: Tempos de reação obtidos no Item IV

Média

Tempo de solvólise (s) Temperatura (°C) 20,31 20 19,43 20 17,75 20 19,16 20

Tabela 6: Tempos de reação obtidos no Item V

Média

Tempo de solvólise (s) Temperatura (°C) 322,22 20 343,03 20 326,03 20 330,43 20

4. (a) Mostre como é calculada a constante de velocidade para a reação de solvólise do cloreto de terc-butila em uma mistura de água-acetona. (b) Para cada tempo médio obtido na questão 3b, calcule a constante de velocidade da solvólise de 10% do cloreto de terc-butila em uma mistura de água-acetona. R: a) A solvólise do cloreto de terc-butila é uma reação de primeira ordem, sendo assim a constante de velocidade é calculada utilizando um gráfico da concentração do reagente pelo tempo de reação, dando uma exponencial decrescente. ln[(CH3)3Cl]t = ln[(CH3)3Cl]0 – k.t

(Equação de reação de primeira ordem)

Já sua derivada é a representação gráfica de ln[(CH3)3Cl]t versus t, dando uma linha reta com inclinação -k e intercepta em ln[(CH3)3Cl]0. Sabendo-se que a reação consome 10% do reagente: [(CH3)3Cl]t = 0,9[(CH3)3Cl]0 ln(0,9[(CH3)3Cl]0) = ln[(CH3)3Cl]0 – k.t k.t = ln[(CH3)3Cl]0 – ln(0,9[(CH3)3Cl]0) k.t = ln 1/0,9 k = 0,1054/t b) Item I: k = 0,1054/56,13s = 1,88x10-3 s-1 Item II: k = 0,1054/53,88s = 1,96x10-3 s-1 Item III(a): k = 0,1054/204,02s = 5,17x10-4 s-1 Item III(b): k = 0,1054/18,17s = 5,80x10-3 s-1 Item IV: k = 0,1054/19,16s = 5,50x10-3 s-1 Item V: k = 0,1054/330,43s = 3,19x10-4 s-1

5. (a) Calcule o número de moles do cloreto de terc-butila e de hidróxido de sódio que foram utilizados nesta parte (I) do experimento. (b) Qual foi a razão molar desses dois reagentes? R: a) 3 mL de cloreto de terc-butila 0,1M n= (0,003 L)x(0,1 mol)/(1 L)= 3x10-4 mol de cloreto de terc-butila 0,3 mL de NaOH 0,1 M n= (0,0003 L)x(0,1 mol)/(1 L)= 3x10-5 mol de NaOH b)

n (NaOH) 0,00003 mol = =0,1 , ou seja, 1:10. n((CH 3)3 Cl) 0,0003 mol

6. Qual a proporção de solvente utilizada na parte IV do experimento? R: Utilizou-se 2 mL de cloreto de terc-butila em acetona, 0,2 mL de NaOH em água, e 7,8 mL de água destilada, somando 10 mL no total. Água =

8 mL x 100 %=80 % 10 mL

Acetona =

2mL x 100 %=20 % 10 mL

7. Mostre quais são os novos volumes de 0,1 mol/L de cloreto de terc-butila em acetona, do hidróxido de sódio 0,1 mol/L e da água, utilizados na parte V do experimento. R: Utiliza-se 4 mL de cloreto de terc-butila em acetona, 0,4 mL de NaOH em água, e 5,6 mL de água destilada, obtendo a proporção final de 40% acetona e 60% água.

8. Com base nos resultados dos procedimentos I e II, quais são as conclusões que podem ser tiradas sobre o mecanismo de solvólise do cloreto de terc-butila? R: Observando as médias dos tempos de solvólise dos procedimentos I e II, nota-se que a diferença é muito pequena, ou seja, a porcentagem de água não interfere na velocidade da reação; pode-se concluir, portanto, que a água não participa da etapa determinante da velocidade da reação de solvólise do cloreto de terc-butila.

9. Quais as conclusões que podem ser tiradas sobre o efeito da temperatura sobre a solvólise do cloreto de terc-butila? R: Com o aumento da temperatura, a energia livre de Gibbs diminui (segundo a fórmula G= H - T∆S) devido à maior contribuição entrópica, sendo assim, a reação se torna mais favorável (espontânea), o que aumenta a velocidade da reação.

10. (a) A água e a acetona aparecem no passo determinante do mecanismo para a reação de solvólise do cloreto de terc-butila? (b) Como se explique que as porcentagens relativas dos solventes apresentam um efeito marcante sobre a velocidade da reação? (c) Existe um solvente que facilita a reação? Qual é esse solvente e como ele age? R: a) Não, a etapa determinante da velocidade é a formação do carbocátion pela saída do íon cloreto da molécula de cloreto de terc-butila.

b) A porcentagem que faz diferença na velocidade não é a dos solventes, mas sim a do cloreto de terc-butila, o qual está presente na acetona. Dessa forma, ao aumentar a porcentagem de acetona, a reação demora mais para ocorrer, mas é devido à maior concentração de cloreto de terc-butila na solução; os solventes não participam da etapa determinante da velocidade da reação. c) Solventes polares próticos favorecem reações do tipo SN1, pois podem solvatar fortemente os íons formados na etapa lenta da reação, favorecendo a separação das cargas formadas no carbocátion terciário e no íon cloreto, facilitando a reação. 7. Referências...