Condução de reações abaixo da temperatura ambiente

Certas reações químicas devem ser realizadas abaixo da temperatura ambiente por segurança ou para obter o produto desejado.

Um banho de resfriamento permite que um sistema seja mantido em uma determinada faixa de temperatura durante a reação. Isso é conseguido colocando o frasco de reação no banho, resfriando a reação sem nunca ter contato direto com os reagentes.

O banho é tipicamente um recipiente bem isolado - como um frasco Dewar - contendo os componentes criogênicos necessários para atingir a temperatura desejada. Em configurações simples como essa, a temperatura não é estável e o banho deve ser monitorado e ajustado durante todo o procedimento.

Este vídeo explorará os diferentes banhos de resfriamento usados regularmente para realizar reações abaixo da temperatura ambiente.

Durante uma reação química, as espécies envolvidas devem colidir para que novas ligações se formem. O aumento da temperatura aumenta a energia interna do sistema e fará com que essas espécies se movam mais rapidamente, o que significa que colidirão com mais frequência. Como resultado, as reações prosseguem mais rapidamente em temperaturas mais altas.

No entanto, em alguns casos, é desejável realizar reações em baixas temperaturas, apesar da diminuição da taxa de reação. Por exemplo, algumas reações são muito vigorosas e devem ser resfriadas para evitar derramamento e aumento de pressão. Reações altamente exotérmicas também podem transbordar rapidamente e jorrar se não forem resfriadas, criando um risco à segurança.

O resfriamento pode ser utilizado para fornecer um benefício econômico. Por exemplo, evitar a ebulição de um solvente ou a decomposição de um reagente economiza tempo e recursos.

O resfriamento também é frequentemente usado para controlar qual produto é produzido por uma reação que possui vias concorrentes. Nessas reações, a via com a energia de ativação mais baixa é gerada em temperaturas mais baixas, enquanto a via com a energia de ativação mais alta é preferida em temperaturas mais altas.

Agora que você entende a importância de executar reações abaixo da temperatura ambiente, vamos dar uma olhada em como preparar vários tipos de banhos de resfriamento.

Os banhos de água gelada são fáceis de configurar e estão disponíveis em todos os laboratórios de ensino de química. Enquanto a própria água gelada tem uma temperatura de 0 ? C, uma depressão do ponto de fusão pode ser alcançada pela adição de certos sais.

Isso permite que os banhos de água gelada atinjam uma temperatura de -40 °C. A temperatura final pode ser ajustada aumentando ou diminuindo a concentração de aditivo de sal.

Para configurar um banho de água gelada, comece pesando as quantidades apropriadas de gelo e aditivo de sal, conforme descrito na tabela de banho de gelo encontrada no protocolo de texto.

Em seguida, adicione o sal ao gelo. Despeje uma pequena quantidade de água deionizada no recipiente. Usando uma vareta de agitação, misture bem o banho.

Agora que o banho foi montado, verifique com um termômetro para garantir que a temperatura desejada foi atingida. Caso contrário, adicione mais sal conforme necessário. Quando a temperatura correta for atingida, coloque o recipiente de reação no banho de gelo.

Os banhos de água gelada não retêm sua temperatura por muito tempo e precisam ser ajustados a cada 20 a 30 minutos. Para manter a temperatura desejada, pode ser necessário remover a água líquida e adicionar mais gelo e sal.

Para temperaturas de até -78 ? C, banhos de gelo seco são utilizados. O gelo seco é dióxido de carbono sólido, portanto, a transferência de calor eficiente dele para um recipiente de reação requer um solvente. Porque o gelo seco sublima a -78? C, um solvente com um ponto de congelamento abaixo que deve ser usado para que essa temperatura seja atingida. Solventes com pontos de congelamento mais altos podem ser utilizados para criar banhos de gelo seco mais quentes. Para preparar um banho de gelo seco, comece colocando luvas de proteção criogênica e óculos de segurança. Nunca deixe o gelo seco tocar a pele nua.

Para um 1? L banho, obtenha cerca de 1/3 de um bloco de gelo seco e quebre-o em pedaços menores no recipiente.

Em seguida, adicione lentamente o solvente orgânico escolhido ao gelo seco, mexendo com uma haste de vidro. Haverá uma efervescência vigorosa à medida que o gás dióxido de carbono se desenvolve.

Continue a adicionar solvente lentamente e mexa até que a maior parte do gelo seco se dissolva, formando uma pasta homogênea. Isso garante que a transferência de calor para o frasco de reação seja o mais uniforme possível.

Usando um termômetro de temperatura fria ou termopar, certifique-se de que o banho atingiu a temperatura desejada e, em seguida, coloque o recipiente de reação no banho.

Monitore o banho em intervalos regulares e adicione pedaços de gelo seco quando notar um aumento na temperatura do banho.

Finalmente, quando a temperatura desejada do banho está abaixo do que o gelo seco pode fornecer, o nitrogênio líquido é utilizado. O nitrogênio líquido tem um ponto de fusão de -196 ? C, e os solventes só são necessários ao criar banhos mais quentes.

Devido às temperaturas extremamente baixas do nitrogênio líquido, um Dewar é o único recipiente aceitável.

Para preparar um banho de resfriamento de nitrogênio líquido, comece colocando óculos de segurança e luvas de proteção criogênica. Tenha cuidado ao manusear nitrogênio líquido, pois pode causar queimaduras e danos permanentes aos olhos.

Para um banho com aditivos, determine o solvente orgânico apropriado para a temperatura desejada, conforme mostrado na tabela de nitrogênio líquido encontrada no texto. Adicione o solvente ao Dewar e, em seguida, adicione lentamente o nitrogênio líquido.

Insira um termômetro de temperatura fria ou termopar no banho para garantir que a temperatura desejada foi atingida. Em seguida, coloque o vaso de reação no banho.

Para um banho sem aditivos, basta adicionar a quantidade adequada de nitrogênio ao Dewar para obter uma temperatura tão baixa quanto -196?? C.

Monitore o banho em intervalos regulares para ver se é necessário nitrogênio adicional.

Muitos tipos diferentes de reações - em vários discípulos científicos - utilizam banhos de resfriamento para operar abaixo da temperatura ambiente.

Processos mecânicos de laboratório, assim como reações muito exotérmicas, também podem criar calor indesejável.

Neste exemplo, o tetrassilicato de cobre e bário a granel foi preparado por meio de síntese de estado sólido e fluxo de fusão. Em seguida, esses materiais em camadas foram esfoliados usando técnicas de sonicação.

A sonicação usa ondas sonoras para agitar as partículas. No entanto, por ser um processo de alta energia, pode criar excesso de calor em uma amostra.

Portanto, um banho de água gelada foi usado para resfriar a amostra durante o processo de sonicação de uma hora. A prevenção desse excesso de aquecimento garantiu a integridade e a consistência do rendimento do produto.

Neste exemplo, um banho de gelo seco foi usado para garantir que o diiodometillítio fosse sintetizado pela desprotonação do diiodometano.

Os reagentes foram adicionados a um frasco de fundo redondo contendo uma barra de agitação. Em seguida, o frasco de fundo redondo foi colocado em um Dewar. Gelo seco e acetona foram adicionados ao Dewar, e todo o aparelho foi coberto para minimizar a exposição à luz. Manter a baixa energia do sistema era essencial para a estabilidade do produto.

Banhos de gelo seco e nitrogênio líquido são freqüentemente usados como armadilhas frias para condensar amostras. Em particular, essas armadilhas frias podem ajudar no transporte seguro de compostos sensíveis ao ar, evitando a contaminação do equipamento. Neste exemplo, uma armadilha fria de nitrogênio líquido foi usada para condensar uma amostra volátil e sensível à oxidação, para posterior preparação para análise espectrométrica de massa.

O sistema foi primeiro limpo e aquecido, para remover quaisquer contaminantes potenciais. O tubo de ensaio bloqueável foi então submerso em nitrogênio líquido, para permitir a condensação da amostra através da linha Schlenk. A amostra foi então removida para análise por espectrometria de massas.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à condução de reações abaixo da temperatura ambiente. Agora você deve entender os banhos de resfriamento de água gelada, gelo seco e nitrogênio líquido e por que eles são quimicamente importantes.

Obrigado por assistir!