Why do some chemical reactions need to be performed below room temperature?

Reactions are cooled for several reasons: to prevent vigorous or highly exothermic reactions from boiling over and creating safety hazards, to control which product forms when competing reaction pathways exist, and to preserve reagents or solvents from decomposition. Lower temperatures favor pathways with lower activation energy, allowing chemists to obtain desired products while maintaining safety.

How does temperature affect the rate of a chemical reaction?

Raising temperature increases molecular movement and collision frequency between reactant species, causing reactions to proceed faster. The rule of thumb states that increasing temperature by 10 K approximately doubles the reaction rate. However, despite this acceleration, chemists sometimes deliberately cool reactions to control selectivity, prevent decomposition, or manage exothermic heat release.

What is an ice-water bath and how is it prepared?

An ice-water bath is the simplest cooling method, reaching 0°C naturally or -40°C with salt additives that depress the freezing point. Prepare it by mixing weighed ice and salt with deionized water, then stir thoroughly. Check the temperature with a thermometer and adjust salt concentration as needed. These baths require monitoring every 20-30 minutes and must be refreshed with ice and salt to maintain temperature.

What are dry-ice baths used for and how do you set one up?

Dry-ice baths reach temperatures down to -78°C and are used when ice-water baths are insufficient. Prepare by wearing cryogenic protection gloves and safety goggles, then slowly add an organic solvent to dry-ice pieces while stirring with a glass rod. Continue until a homogenous slurry forms, ensuring uniform heat transfer. Monitor regularly and add dry-ice chunks when temperature rises.

When is liquid nitrogen used as a cooling bath and what precautions are necessary?

Liquid nitrogen cooling baths reach -196°C and are used when lower temperatures than dry-ice provides are required. A Dewar flask is the only acceptable vessel due to extreme cold. Wear safety goggles and cryogenic protection gloves at all times, as liquid nitrogen causes frostbite and permanent eye damage. Add solvent for warmer baths or use nitrogen alone for maximum cooling.

How do cooling baths prevent direct contact between reagents and cooling agents?

Cooling baths work by placing the reaction flask inside an insulated vessel such as a Dewar flask containing cryogenic components. The reagents never touch the cooling bath directly; instead, heat transfers through the flask walls. For effective temperature transfer, solvents are often mixed with cryogenic components, and additives like salts lower the freezing point of the mixture to achieve desired temperatures.

What are practical applications of cooling baths in laboratory chemistry?

Cooling baths are used in diverse applications including sonication processes that generate excess heat, synthesis of air-sensitive compounds requiring low system energy, and cold traps for condensing volatile samples. For example, ice-water baths cool samples during high-energy sonication, while dry-ice and liquid nitrogen baths condense oxidation-sensitive compounds for analysis via mass spectrometry or preparation for growing crystals for x-ray diffraction analysis.

Condução de reações abaixo da temperatura ambiente

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Configuração do banho de resfriamento

Para uma configuração geral, prepare o banho de resfriamento de escolha conforme descrito abaixo e mergulhe o frasco de reação no banho(Figura 1). Não encha o recipiente de banho todo o caminho, mas deixe espaço suficiente para permitir a imersão do frasco de reação.

Nota: se a reação for sensível à umidade, tenha muito cuidado ao adicionar reagentes ao frasco ou a qualquer outra parte do aparelho (por exemplo, um funil caindo). Se uma abertura é gerada enquanto o vidro está imerso no banho de resfriamento, então o ar da temperatura ambiente flui rapidamente para dentro e carrega umidade dentro.

Figura 1. Exemplo para uma configuração de banho de resfriamento em um frasco de três pescoços de fundo redondo com funil caindo, termômetro sob atmosfera inerte.

1. Fazendo um banho de água gelada

Para um banho de água gelada com um aditivo, pese e adicione a quantidade adequada de gelo ao recipiente de banho de escolha. Um Dewar é útil, mas não é necessário. O vaso pode ser plástico, borracha (por exemplo, um balde) ou vidro (por exemplo, um prato de cristalização grande). Para este experimento, adicione 500 g de gelo a uma nave 1 L.
Pese a quantidade adequada de aditivo consultando um banho de gelo(Tabela 1),e adicione o aditivo ao gelo. Para este experimento, pese e adicione 165 g (=5x 33 g) de NaCl ao recipiente de banho.
Adicione uma pequena quantidade de água deionizada ao recipiente de banho e mexa bem usando uma haste de mexida. Adicione água suficiente até que todo o gelo esteja coberto.
Verifique com um termômetro para garantir que a temperatura desejada tenha sido atingida. Ajuste a quantidade de aditivo, se necessário. O banho não manterá sua temperatura por muito tempo e ajustes precisam ser feitos em intervalos frequentes de cerca de 20 a 30 minutos. Para isso pode ser necessário pipetar um pouco da água no banho e adicionar mais gelo e aditivo.

Substância	g/100 g H₂O	Temperatura final (°C)
Na₂CO₃	20	-2.0
NH₄NO₃	106	-4.0
NaC₂H₃O₂	85	-4.7
NH₄Cl	30	-5.1
NaNO₃	75	-5.3
Na₂S₂O₃ ● 5H₂O	110	-8.0
CaCl₂● 6H₂O	41	-9.0
Kcl	30	-10.9
KI	140	-11.7
NH₄NO₃	60	-13.6
NH₄Cl	25	-15.4
NH₄NO₃	45	-16.8
NH₄SCN	133	-18.0
NaCl	33	-21.3
CaCl₂ ● 6H₂O	81	-21.5
H₂SO₄ (66,2%)	23	-25
NaBr	66	-28
H₂SO₄ (66,2%)	40	-30
C₂H₅OH (4° )	105	-30
MgCl₂	85	-34
H₂SO₄ (66,2%)	91	-37
CaCl₂ ● 6H₂O	123	-40.3
CaCl₂ ● 6H₂O	143	-55

Mesa 1. Misturas de resfriamento de sal/gelo que são obtidas misturando os sais com água ou gelo nas temperaturas especificadas e nas quantidades especificadas. ¹

2. Fazendo um banho de gelo seco

Coloque luvas de proteção criogênicas e óculos de segurança. Sempre pratique isso ao manusear gelo seco e nunca tocá-lo com as mãos nuas, pois pode queimar rapidamente a pele e causar queimaduras de gelo.
Para um recipiente de banho com um volume de cerca de 1 L, pegue cerca de 1/3 de um bloco de gelo seco (geralmente disponível em blocos de ~2 lb) e quebre-o em alguns pedaços menores.
Adicione os pedaços de gelo seco ao recipiente de banho.
Adicione lentamente o solvente orgânico(por exemplo, acetona) ao gelo seco enquanto mexe com uma haste de vidro. Há uma efervescência vigorosa como resultado do desenvolvimento de gás CO_2.
Continue a adicionar lentamente solvente e mexa até que um chorume homogêneo se forme e a maior parte do gelo seco se dissolva. Isto é para garantir que a transferência de calor para o frasco de reação seja o mais uniforme possível.
Insira um termômetro de temperatura fria no banho para garantir que a temperatura desejada seja atingida.
Verifique o banho de gelo seco em intervalos regulares e adicione mais pedaços de gelo seco quando um aumento na temperatura do banho é notado. O intervalo depende do grau de isolamento, mas geralmente fica em torno de 45 a 60 minutos.

3. Fazer um banho de nitrogênio líquido

Coloque luvas de proteção criogênicas e óculos de segurança. Sempre pratique isso ao manusear nitrogênio líquido, pois pode queimar rapidamente tecidos da pele e fluidos oculares, causando queimaduras ou danos permanentes nos olhos.
Para um banho sem aditivos, adicione a quantidade apropriada de N₂a um Dewar para obter uma temperatura de -196 °C. Mova-se para a etapa 3.3 se esta for a temperatura desejada.
Para um banho com aditivos, adicione um solvente orgânico de escolha (consulte a Tabela 3 para encontrar o solvente certo para a temperatura certa) ao Dewar primeiro, depois adicione lentamente o líquido N₂ao solvente.
Insira um termômetro de temperatura fria no banho para garantir que a temperatura desejada tenha sido atingida. Em contraste com os outros banhos, o banho líquido N₂ dentro de um Dewar mantém sua temperatura por horas de cada vez.
Verifique o banho em intervalos apropriados (algumas horas) para ver se mais N₂ é necessário.