SÍNTESE DO SILICONE

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

QUÍMICA DOS MATERIAIS E AMBIENTE

Relatório nº 2

SÍNTESE DO SILICONE

Realizado por:- Cesário Camacho- Duarte Paulo Correia


ÍNDICE

Págs.

Resumo 3

Introdução Teórica 4

Descrição Experimental 6

Conclusão 7

ApêndicesApêndice I 9

Apêndice II 10

Bibliografia 14

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RESUMO

A realização deste trabalho teve por objectivo o estudo da química do silicone tendo-se para tal preparado a borracha de silicone via hidrólise de um diclorodimetilsilano. A esta reacção está inerente um mecanismo de polimerização de condensação.

Relativamente ao rendimento para o óleo de dimetilsilicone obteve-se um valor de 83,12%.

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INTRODUÇÃO TEÓRICA

Grande parte dos materiais que vulgarmente se usa no dia-a-dia são polímeros, formados por unidades repetitivas simples- monómeros, os quais são caracterizados por possuirem elevados pesos moleculares.

Os polímeros dividem-se em duas categorias: naturais e sintéticos. São exemplos de polímeros naturais as proteínas, a celulose e a borracha [1]. A maioria dos polímeros sintéticos são compostos orgânicos que podem ser classificados em três grupos: elastómeros, que apresentam a elasticidade característica da borracha, cadeias muito grandes com poucas ramificações e muito separadas; fibras, que têm cadeias lineares, grande resistência, elevado grau de cristalinidade com ramificações não desejáveis; e plásticos que são sólidos à temperatura ambiente, mas que por aquecimento tornam-se fluídos. Exemplos mais comuns dos polímeros sintéticos são o Nylon, o Dacron, a Lucite e o vidro acrílico. Vulgarmente este tipo de polímeros são obtidos pela união de monómeros à molécula em crescimento, um de cada vez. Este processo é denominado por polimerização, distinguindo-se dois tipos:

- polimerização por condensação- polimerização por adiçãoNa polimerização de adição o produto resulta da reacção entre duas unidades

monoméricas que se ligam directamente, sem libertação de qualquer molécula. Por outro lado, na polimerização por condensação, a cadeia constitui-se por intermédio de reacções por passos entre grupos funcionais de monómeros e as moléculas do polímero em formação com libertação de uma molécula pequena (por exemplo de água) [2,3].

Um exemplo de polímeros sintéticos são os silicones ou mais especificamente organometalsilicanos, que são materiais poliméricos que contêm silicio, oxigénio e grupos orgânicos. Resultam da condensação de compostos organossílicos tais como os siloxanos, que são constituídos por silício e oxigénio.

Os silicones com grupo metilo (também chamados dimetilpolisiloxanos) são provavelmente o grupo de materiais deste tipo mais importante, resultando da hidrólise do diclorodimetilsilano, cuja unidade estrutural pode ser representada por:

Deste modo, a hidrólise do (Me)2SiCl2 dá origem ao respectivo silanol (Me)2Si(OH)2 e cloreto de hidrogénio.

Mediante a extraordinária facilidade com que os silanois condensam formam-se os polisiloxanos que são uma mistura de compostos ciclicos (onde n=3,4,5,...etc) e compostos de cadeia aberta com grupos terminais hidroxilo [4].

Assim, a obtenção de um polímero de cadeia linear pode ser descrita da seguinte forma:

CH3 CH3

| |Cl — Si — Cl + 2H2O OH — Si — OH + 2HCl | |

4


CH3 CH3

CH3 CH3 CH3 CH3

| | | |OH — Si — OH + OH — Si — OH OH — Si — O — Si — OH + H2O | | | | CH3 CH3 CH3 CH3

A existência de um grupo OH reactivo em cada extremidade da cadeia permite que a polimerização seja contínua e a cadeia aumente de tamanho.

Os silicones podem ser preparados com uma grande variedade de viscosidades, propriedades lubrificantes e reactividades. São extensivamente utilizados na indústria química como lustres de automóveis, em tecidos à prova de água, em vidraria, como lubrificantes, como agentes de hidrofugação e de antiaderência e como componentes de vernizes e misturas isoladoras [4,5].

Nesta experiência a química dos silicones vai ser investigada através da preparação de um polímero de silicone, via hidrólise de um diclorodimetilsilano. O silicone contendo resíduos do grupo hidroxilo resulta de reacções cruzadas com o ácido bórico. Este ácido trifuncional, B(OH)3, que também contém grupos hidroxilo, forma ligações –Si-O-B- resultando num tipo de goma peculiar [4].

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DESCRIÇÃO EXPERIMENTAL

Com o objectivo de obter-se silicone procedeu-se à adição, num erlenmeyer, de 20 mL de diclorodimetilsilano a 40 mL de éter, colocando-se a mistura reaccional num banho de gelo e hidrolizando-se posteriormente com 40 mL de água adicionada gota a gota. A adição do éter permitiu desta forma arrastar a fase orgânica, onde se encontrava o produto desejado.

Terminada a reacção de hidrólise, separou-se a fase aquosa da fase orgânica e lavou-se com uma solução diluida de bicarbonato de sódio de forma a neutralizar o excesso de HCl formado aquando da hidrólise. Tornou-se a lavar o éter com água e secou-se a fase orgânica com uma pequena quantidade de sulfato de magnésio anidro. De forma a isolar a fase do éter da respectiva solução de óleo de dimetilsilicone, procedeu-se a uma filtração a vácuo permitindo desta maneira a separação do sulfato de magnésio e a extracção do éter por evaporação e sucção. Obteve-se uma massa de 10,2200 g de óleo dimetilsilicone. Finalmente para a obtenção do respectivo polímero de silicone, adicionou-se 0,5112g de óxido bórico ao óleo de dimetilsilicone e agitou-se continuamente com uma vareta de vidro durante alguns minutos. Procedeu-se então ao aquecimento do óleo num tubo de Pyrex a uma temperatura de cerca de 200 ºC num banho de óleo durante cerca de 3 horas. Deixou-se o produto obtido arrefecer e retirou-se-o do tubo obtendo-se um produto opaco com uma massa de 5,0821g.

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CONCLUSÃO

Com a realização deste trabalho experimental pretendeu-se sintetizar o silicone recorrendo à hidrólise do diclorodimetilsilano por intermédio de uma polimerização por condensação. Contudo, o processo experimental a que se recorreu implica alguns cuidados, nomeadamente a adição da água ao diclorodimetilsilano uma vez que esta reacção é muito violenta e exotérmica o que justifica a utilização do banho de gelo aquando da hidrólise. Por outro lado, a mistura reaccional acidifica devido à formação do HCl pelo que a adição do bicarbonato de sódio foi essencial para a neutralização da solução. Por outro lado, verificou-se que a adição do éter é essêncial dada a volatilidade que este apresenta permitindo assim a remoção fácil da fase orgânica onde se encontra o produto pretendido. Contudo, o processo a que se recorreu para a eliminação do éter possívelmente não é o mais aconselhado pelo que, era conveniente ter-se recorrido ao evaporador rotativo.

Obtido um óleo incolor de dimetilsilicone constatou-se que o rendimento da reacção foi de 83,12%. Este rendimento apesar de ter sido consideravelmente satisfatório, pode estar afectado por pequenas perdas ocorridas durante a realização das várias extracções efectuadas. Contudo podemos concluir que o processo para a obtenção do dimetilsilicone é realmente adequado.

Saliente-se que a utilização do diclorodimetilsilano como material de partida deve-se sobretudo ao facto das ligações Si-Cl serem facilmente hidrolisadas permitindo assim que o composto seja muito reactivo, bem como à dupla funcionalidade que advém da existência dos dois cloretos. A cadeia assim pode propagar-se nas duas direcções resultando num polímero de alto peso molecular.

Quanto à obtenção do polímero de silicone verificou-se que a adição do óxido bórico ao óleo obtido tem como função catalizar a reacção no sentido de se obter um grau de polimerização mais avançado.

Finalmente verificou-se que o composto obtido é inclolor, opaco e ligeiramente moldável apresentando alguma flexibilidade.

A massa de silicone obtida foi de 5,0821 g.

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APÊNDICE I

CÁLCULOS EXPERIMENTAIS

Cálculo do nº de moles de diclorodimetilsilano

MM( C2H6Cl2Si) = 129,06 g.mol-1

( C2H6Cl2Si) = 1,07 g.ml-1

Sabendo que: = m V

Virá que:

m(C2H6Cl2Si) = 1,07 x 20 = 21,4 g

Como: n = m n = 21,4 = 1,658 x 10-1 mol(C2H6Cl2Si) M 129,06 Cálculo da massa do óleo de dimetilsilicone para um rendimento de 100%

Atendendo à estequiometria da reacção tem-se que:

n Me2SiCl2 + n H2O (Me2SiO)n + 2n HCl

Então o nº de moles de cada um dos reagentes será igual ao nº de monómeros formados.

Como:

MM ((Me)2SiO) = 74,169 g.mol-1

Então, tem-se que: 74,169g ((Me)2SiO 1 mol x 1,658x10-1 mol x = 12,2972g ((Me)2SiO)

Cálculo do rendimento

Como m((Me)2SiO) obtida = 10,2200g, então o rendimento é dado por:

= 10,2200 x 100 = 83.12 % 12,2972

Assim sendo, obteve-se um rendimento para o óleo de dimetilsilicone de 83,12%.

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APÊNDICE II

Tabela 1 - Lista de material e reagentes

Material Reagentes

Âmpola de decantação de 100 mL Água destiladaBalança analítica Bicarbonato de sódioBureta de 50ml DiclorodimetilsilanoErlenmeyer DietiléterEspátula Óxido bóricoFunil de Buckner Sulfato de magnésio anidroGobeletsKitasatoPapel de filtroPapel indicador de pHPipeta de PasteurPipetas graduadas de 20 e 50mlPlaca de aquecimentoSuporte para âmpola de decantaçãoSuporte universalTermómetroTina

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Tabela 2- Fichas de segurança

CompostoMassa

molecularg.mol-1

Ponto de fusão(ºC)

Ponto de ebulição

(ºC)

Densidade(L/Kg)

Solubilidade Riscos e Segurança Outros

Diclorodimetilsilano( C2H6Cl2Si)

129,06 -76 70 1,07 - R11-36/37/38Tóxico/Inflamável

nD : 1,4038

Dietiléter(C4H10O)

74,12 -116 34 0,71 água/20ºC: 12g/lR12-19

S 9-16-29-33

Muito inflamávelignição: 170ºC

Sulfato de magnésio anidro

(MgSO4)120,36 1124 - -

água/20ºC: 269g/l- Higroscópico

Hidrogenocarbonato de sódio

(NaHCO3 )84,01 270 - -

água/20ºC: 100g/l-

Dec. term. desde 50ºC

Óxido bórico(B2O3 )

69,62 450 - - água/25ºC: 36g/l - Higroscópico

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Tabela 3 - Quadro de registo de ensaio

SequênciaDe acções

Procedimentos Tempo Observações/Registos Segurança Operador

1 Ligar a hote. docente2 Colocar um banho de óleo a 200ºC. docente

3Medir 40ml de dietiléter para um erlenmeyer de 250ml.

Líquido muito volátil e altamente inflamável. Trabalhar na hote.

Duarte

4Adicionar 20ml de diclorodime-tilsilano.

Produto tóxico/inflamável.Trabalhar na hote.

Duarte

5

Efectuar uma montagem com uma bureta de 50ml, adicionar água destilada e preparar um banho de gelo.

Trabalhar na hote. Cesário

6Adicionar 40ml de água, gota a gota, à solução preparada anteriormente e em repouso no banho de gelo.

Reacção muito violenta (exotérmica).Trabalhar na hote.

Duarte

7Efectuar uma montagem com uma âmpolade decantação.

Cesário

8Deitar a respectiva solução hidrolisada numa âmpola de decantação.

Cesário

9 Separar a fase orgânica (éter).

Produto muito inflamável.Trabalhar na hote. Direccionar a âmpola para um local onde não haja perigo.

Duarte

12


10Verificar o pH com o papel indicador.

Cesário

11 Lavar finalmente com água. Duarte

12Deitar a fase orgânica no erlenmeyer.

Duarte

13Secar a solução de eter com sulfato de magnésio anidro.

Cesário

14 Pesar o kitasato. m(kitasato)=318,39g Cesário

15Filtrar a vácuo o sulfato de magnésio.

Duarte

16 Pesar o Kitasato + óleo. m(Kitasato+óleo)=328,61g Cesário17 Calcular o rendimento. rendimento obtido=83,12% Duarte18 Pesar 5% de óxido bórico (em peso). m(B2O3)=0,5112g Cesário

19Adicionar o óxido bórico, agitando continuamente.

Duarte

20Continuar a agitar durante alguns minutos.

Duarte

21Deitar a solução para um tubo de Pyrex.

Cesário

22 Aquecer o tubo de pyrex 3 horas. Cesário23 Deixar arrefecer. Docente24 Remover o produto do tubo. Duarte

NOTA:(*) Não se utilizou o evaporador rotativo, uma vez que a quantidade de éter a evaporar era muito pequena, tendo-se prolongado assim, a filtração a vácuo.

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BIBLIOGRAFIA

[1]- Chang, Raymond, “Química”, 5ª Edição, McGraw-Hill;

[2]- Morrison, R. and Boyd,; “Química Orgânica”, 13ª ed., Fundação calouste Gulbenkian, Lisboa, 1996;

[3]- NN. Greenwood and A.Earnshaw, “Chemistry of the Elements”, Pergamon Press;

[4]- Szafran, Zvi, et all; “Microscale Inorganic Chemistry-A Comprehensive Laboratory Experience”, John Willey & Sons, Inc., New York, 1991;

[5] J.R., Fred W. Billmeyer, “Text Book of Polymer science”, 3rd edition, Canadá, 1984;

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