Ácido Benzóico

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Ácido Benzóico
Projeto FEUP 2014/2015- Mestrado Integrado em Engenharia Química:
Prof. Armando Sousa e Prof. Manuel Firmino
Prof. João Bastos
Equipa Q1FQI02_2:
Supervisor: Prof. João Bastos
Monitor: Hélder Nunes
Estudantes & Autores:
Ana Catarina Alves [email protected]
Cândido Xavier [email protected]
Inês Pintão [email protected]
João Cunha [email protected]
Marcelo Oliveira [email protected]
Sofia Paixão [email protected]
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Resumo
No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, Mestrado Integrado em Engenharia
Química, elaborou-se o presente relatório, cujo tema primordial é o ácido benzóico.
Associado a este tema, é indispensável abordar o processo químico que está na base da
sua produção, bem como as suas aplicações, precauções, influência no mercado mundial,
um pouco da sua história entre muitos outros tópicos.
O ácido benzóico é um composto aromático, nomeadamente um ácido carboxílico, cuja
fórmula molecular é (C6H5COOH). Foi descoberto no séc. XVI e hoje constitui uma matériaprima na produção de fenol e algumas outras substâncias. Para além disso, tem inúmeras
aplicações associadas tais como a produção de fármacos, cosméticos, plásticos, e até na
indústria alimentar.
É possível obter ácido benzóico na natureza (através da essência do benjoeiro), no
entanto, essa via não é suficiente para satisfazer as necessidades do homem. Deste modo,
foram implementados inúmeros processos para a sua obtenção, destacando-se a oxidação
do tolueno com oxigénio molecular. Este é um processo de baixo custo e elevado
rendimento, constituindo assim o processo mais viável nos dias de hoje.
Atualmente, o ácido benzóico é produzido e comercializado mundialmente, sendo na
Europa e nos EUA que se encontram as maiores produtoras.
Palavras-Chave
Ácido
benzóico;
Tolueno;
Abbas
Hassan;
Benzeno;
Cloreto
de
Metanoíla;
Carbonatação; Bromobenzeno; Hidrólise; Benzonitrilo; Benzamida.
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Agradecimentos
Ao longo da elaboração do presente relatório, o Professor João Bastos e o nosso
monitor, Hélder Nunes, revelaram-se cruciais para a correta realização do mesmo. Ambos
se mostraram sempre disponíveis para esclarecer qualquer tipo de questão e elucidar-nos
acerca do tema. Deste modo, o grupo gostaria de agradecer a sua colaboração e de
salientar que esse auxílio constituiu uma mais valia para a realização do presente relatório.
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Índice
Lista de figuras ............................................................................................................... 5
1.
Introdução ............................................................................................................... 6
2.
Estado de arte ........................................................................................................ 8
2.1 Processos de produção ..................................................................................... 8
2.1.1 Principal processo......................................................................................... 10
2.3 Mercado mundial e aplicações ......................................................................... 12
2.3.1 Aplicações .................................................................................................... 12
2.3.2 Mercado........................................................................................................ 12
3.
Conclusões ........................................................................................................... 14
4.
Referências bibliográficas ..................................................................................... 15
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Lista de figuras
Representação em linhas de ligação da molécula de ácido benzóico – Figura 1, página 9
Diagrama processual do ácido benzóico patenteado por Abbas Hassan – Figura 2, página
10
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1. Introdução
O ácido benzóico é um composto aromático e, portanto, orgânico, pertencendo à família
dos ácidos carboxílicos mais simples (um grupo carboxilo ligado a um anel benzénico).
Descoberto no século XVI, foi assim denominado por ter sido obtido através da essência
do benjoeiro (árvore existente na Sumatra, Indonésia). Mais tarde, em 1832, foi descoberta
a composição do ácido benzóico por Justus von Liebig e Friedrich Wöhler. Já no século XIX
foram descobertas algumas aplicações quotidianas deste composto, tais como a sua
capacidade antifúngica.(Cardoso 2014; Wikipedia 2014)
Grande parte do ácido benzóico que se obtém através dos inúmeros processos
existentes é utilizado como matéria-prima na produção de fenol. A outra pequena parte é
comercializada no mercado.(Cardoso 2014; Wikipedia 2014)
Para além dos processos industriais, o ácido benzoico pode ser encontrado na
Natureza - nomeadamente em frutas tais como ameixas, morangos, amoras, framboesas e
groselha - em bálsamos, resinas e, principalmente, na casca de árvores do género Styrax,
como o benjoeiro.(Cardoso 2014; Wikipedia 2014)
O ácido benzoico apresenta um aspeto de cor branca e formato de cristais em
agulha, ou então, em pó, além disso, tem um odor agradável e fraco. Acrescentam-se ainda
as seguintes propriedades:

Densidade: 1.32 g/cm3

pH: 2.8 (Solução saturada a 25oC)

Ponto de ebulição: 249oC

Ponto de fusão: 122oC

Densidade relativa do vapor (Ar=1): 4.2

Solubilidade na água a 20oC: 0,29 g/mL

Pressão de vapor a 25oC: 0,1 Pa

Temperatura de auto-ignição: 570oC
(QUÍMICA 2014)
Como muitos compostos orgânicos, o ácido benzóico apresenta vários riscos inerentes
à sua utilização. Entre eles, destaca-se a irritabilidade não só ocular mas também do
sistema respiratório, estômago e pele, podendo provocar também alergias. Deste modo, é
fundamental estarmos cientes dos procedimentos a realizar em caso de acidente. O
procedimento correto para este tipo de situações é a lavagem abundante com água e, em
casos mais extremos, a recorrência a um especialista.
Como consequência dos perigos a este composto associados, é necessário tomar
medidas de prevenção que incluem o modo de armazenamento e manuseamento do
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mesmo. Assim, o ácido benzóico deve ser sempre armazenado num recipiente fechado,
fresco e bem ventilado, que se encontre livre de humidade e afastado de fontes de ignição.
É também importante preveni-lo de descargas electroestáticas. Relativamente ao modo de o
manusear, é aconselhado o uso de equipamentos de proteção adequados que permitam
evitar condições poeirentas, a dispersão pelo vento e o consequente contacto com os olhos,
pele e roupa.
No âmbito da Segurança Química, a OMS (Organização Mundial de Saúde) sugeriu,
para os seres humanos, uma ingestão tolerável provisória de 5mg/kg de peso corporal por
dia. Associado a este problema, foi realizado um inquérito de saúde em 2010, em Taiwan,
em que 30% da comida seca e pickles testada revelou ter excesso de ácido benzóico, o que
pode provocar danos ao nível do fígado e rins.
No entanto, não existem grandes riscos associados ao meio ambiente dado que este
composto apresenta elevada capacidade de biodegradação e, consequentemente, baixo
nível de bioacumulação.
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2. Estado de arte
2.1 Processos de produção
O ácido benzóico é um composto orgânico, mais precisamente, um ácido carboxílico,
quer isto dizer que possui um grupo carboxílico, como mostra a Figura 1:
Figura 1- Representação em linhas de ligação da
molécula de ácido benzóico.
Como é possível verificar, a sua fórmula química é C6H5COOH.
Como composto orgânico que é, ocorre livremente na natureza.
O ácido benzóico é um composto orgânico simples, no entanto constitui um dos
materiais mais importantes, não só pelas suas características físicas, aliadas às suas
aplicações, mas também por ser a base de produção de inúmeros compostos orgânicos.
Naturalmente, este ácido ocorre em plantas, mas como já é esperado, a natureza
não consegue fornecer a quantidade necessária desta substância de modo a satisfazer as
crescentes exigências da sociedade. Desta forma, foi necessário, e continua a ser, que os
engenheiros químicos projetem, otimizem e operem processos que consigam rentabilizar
as matérias-primas de menor valor industrial e as transformem neste produto, que possui
muitas potencialidades.
Como acontece para grande parte dos produtos químicos, há uma enorme necessidade
de ter cada vez mais e melhores processos químicos para produzir certas substâncias. O
ácido benzóico não é uma exceção.
Devido às suas características, começou a ser necessário produzir grandes quantidades
e isso só foi possível através do estabelecimento de processos químicos.
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Existem vários processos químicos para a produção do ácido benzoico, sendo que o
principal processo é a oxidação do tolueno, o qual irá ser aprofundado no capítulo 2.1.1.
Para além deste processo existem outros que não são tão recorrentes na produção
industrial, devido aos elevados custos e baixos rendimentos, comparativamente ao processo
de oxidação do tolueno. Esses processos, que podem ser considerados secundários, serão
então enumerados e brevemente explicados em baixo:

Reação de Benzeno com Cloreto de Metanoíla:
Um dos processos através do qual é possível obter ácido benzoico é através da
reação entre o benzeno (C6H6) e o cloreto de metanoíla (HCOCl). O primeiro composto que
se obtém é o benzaldeído (C6H5CHO) e ácido clorídrico, que se forma por adição de um
catalisador (cloreto de cobre (I) (Cu2Cl2) ou cloreto de alumínio (Al2Cl6).
Posteriormente, o benzaldeído sofre oxidação, dando origem ao ácido benzóico. A
seguinte equação traduz a formação deste composto(Wikipedia 2014a):
Al2 Cl6 /Cu2 Cl2
C6H6 + HCOCl →
C7H6O + HCl
C6H5CHO + 3O → C6H5COOH + H2O

(1)
(2)
Carbonatação do Bromobenzeno:
Outro processo, não tão usado, é através do Bromobenzeno (C6H5Br), o qual pode ser
convertido em ácido benzoico por carbonatação do intermediário brometo de fenilmagnésio
(C6H5MgBr) pelas seguintes reações(Wikipedia 2014a):
C6H5MgBr + CO2 → C6H5CO2MgBr
C6H5CO2MgBr + HCl → C6H5CO2H + MgBrCl
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(3)
(4)
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
Hidrólise de Benzonitrilo e Benzamida:
A benzonitrilo e a benzamida podem ser hidrolisadas a ácido benzoico ou a sua
base conjugada em condições ácidas ou básicas(Wikipedia 2014b; Wikipedia 2014c). No
entanto, não conseguimos encontrar nenhuma informação sobre a reação de formação do
ácido benzoico através da hidrólise. Então, fazendo uso da Química Orgânica, propomos
como possíveis reações de formação de ácido benzoico a partir da hidrólise de benzonitrilo
e benzamida as seguintes(Santos 2013):

Hidrólise do Benzonitrilo
C7H5N + 2 H2O + HCl → C6H5COOH + NH4Cl

(5)
Hidrólise da Benzamida
C7H7NO + H2O + HCl → C6H5COOH + NH4Cl
(6)
2.1.1 Principal processo
A forma mais eficiente de produzir ácido benzóico é a oxidação do tolueno com oxigénio
molecular, uma vez que se usa matérias primas relativamente baratas, nomeadamente o
tolueno e catalisadores de cobalto. Por outro lado revela-se opção ambientalmente viável,
para além de que tem bons rendimentos. Embora este processo seja o mais usado, ele não
produz apenas ácido benzóico, mas produz também quantidades apreciáveis de
benzaldeído. (Aspects 2012)
Sabemos que a Engenharia Química sofreu um grande avanço durante a Segunda
Guerra Mundial e foi precisamente durante esse intervalo de tempo que a empresa I.G.
Farbenindustrie desenvolveu o processo supracitado. (Aspects 2012)
Até os dias de hoje, este processo sofreu algumas alterações. Assim, actualmente a
produção deste ácido ocorre a uma temperatura 165ºC e a uma pressão de 0.9 MPa.
Nestas condições, o rendimento é cerca de 90%, tornando o processo economicamente
viável. (Aspects 2012)
A Figura 2 representa a patente desenhada por Abbas Hassan do seu diagrama
processual de produção de ácido benzóico.
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Figura 2 - Diagrama processual do ácido benzóico patenteado por Abbas Hassan.
Como é percetível, as correntes de alimentação são: oxigénio, ou simplesmente ar, e
tolueno, que é introduzido na corrente através de uma bomba. (Land and Rayford 2009)
De seguida, a corrente de oxigénio e tolueno dá entrada num reator de agitação, que
tem 2 grandes funções: por um lado, reduz o tamanho das partículas, e por outro “consegue
dispersar e transportar o oxigénio para dentro da fase líquida, que é constituída por tolueno”.
Durante esta etapa, consegue-se produzir alguma quantidade de ácido benzóico. (Land and
Rayford 2009)
De seguida, esta mistura é enviada para um reator onde, juntamente com
catalisadores de cobalto, se dá a maior parte da conversão dos reagentes em ácido
benzóico. Esta reação tem um bom rendimento, devido às condições de temperatura e
pressão envolvidas, mas também devido aos catalisadores e às pequenas dimensões das
partículas, razão pela qual temos um reator de agitação previamente a este reactor. (Land
and Rayford 2009)
Através da análise do diagrama compreendemos que na parte superior do reator, sai
oxigénio que não reagiu, azoto e outros gases, resultantes quer do ar, quer de possíveis
reações secundárias. (Land and Rayford 2009)
De seguida, uma mistura contendo 20% a 35% de ácido benzóico é aquecido
previamente, através de um permutador de calor, para depois ser conduzida a uma coluna
de fracionamento, onde se dá a destilação fracionada, separando o ácido das outras
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espécies químicas. É de notar que o ácido benzóico tem um ponto de ebulição de 249ºC,
enquanto o tolueno tem um ponto de ebulição de 110,6ºC. (Land and Rayford 2009)
Como tal, o ácido benzóico encontra-se na parte descendente da coluna, enquanto
que o tolueno que não reagiu é enviado para o condensador, para passar do estado gasoso
ao estado líquido; depois é armazenado num acumulador. No entanto, encontra-se aqui um
problema, que é o facto de haver duas fases líquidas imiscíveis, uma orgânica e uma
aquosa. Estas são separadas de modo que seja possível reciclar o tolueno, para mais tarde
reintegrar a corrente de alimentação do processo, diminuindo, assim, os custos de obtenção
dos reagentes. (Land and Rayford 2009)
2.3 Mercado mundial e aplicações
2.3.1 Aplicações
Aplicações:
O ácido benzóico e os seus derivados apresentam inúmeras aplicações nos mais
variados ramos industriais:
1. Indústria alimentar:
a. Conservantes (devido às suas propriedades antimicrobianas);
b. Aromatizantes;
c. Óleo de amêndoa amarga.
2. Indústria farmacêutica:
a. Cosméticos;
b. Medicamentos, em especial antifúngicos;
c. Como componente de alguns dentífricos.
3. Corantes;
4. Resinas;
5. Indústria dos plásticos;
6. Perfumes.
2.3.2 Mercado
A produção de ácido benzóico está relativamente espalhada por todo o mundo.
No entanto, existem certas empresas e regiões onde a sua produção é mais
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significativa, sendo estas consideradas as grandes produtoras. Essas empresas são a
holandesa DSP, as norte-americanas Velsicol Chemical e Emerald Kalama Chemical, e a
chinesa Wuhan. Acrescenta-se que a Velsicol tem fábricas de produção na Estónia e a DSP
em Roterdão. Estas últimas têm, portanto, um espaço de comercialização bastante
importante no Espaço Económico Europeu (EEE). (Partes 2009)
O ácido benzóico é comercializado no estado sólido ou líquido, com grau de maior ou
menor pureza. Os seus derivados, como o benzoato de sódio ou outros produtos à base de
benzoato, por exemplo, têm também uma grande importância comercial. Uma das
aplicações exemplo do ácido benzóico de elevada pureza é para utilização na alimentação
animal. (Partes 2009)
Geograficamente, o mercado mais relevante para o ácido benzóico no estado sólido
abrange o EEE, os EUA e a Ásia, representando estas regiões praticamente toda a
produção mundial. (Partes 2009)
O mercado de comercialização do ácido benzóico sólido pertence maioritariamente ao
território do EEE pelas seguintes razões: os maiores níveis de produção registam-se no
EEE, sendo a importação proveniente da China e EUA insignificativa na última década; a
qualidade de produto produzido no EEE é superior à qualidade do produzido na China, de
acordo com as escolhas dos consumidores; os impostos e custos de transporte constituem
um entrave razoável em relação à comercialização de produtos não europeus. (Partes 2009)
Relativamente à produção industrial deste composto, verifica-se uma produção de cerca
de 560.000 toneladas anuais das quais 75% é destinado à produção de fenol, 10% para a
produção de benzoato de sódio e os restantes 5% para a síntese química de plastificantes.
(OECD, 2001)
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3. Conclusões
Perante a realização deste trabalho foi possível inferir aspetos importantes sobre o
composto orgânico, ácido benzóico.
Primeiramente foram investigados os aspetos básicos deste composto orgânico tal
como a sua proveniência a nível natural, uma vez que este pode ser encontrado em certas
frutas, resina, bálsamos e principalmente em cascas de árvore do tipo benjoeiro. Foram
também analisadas as propriedades físicas e químicas deste composto bem como os riscos
e as precauções a tomar perante o seu manuseamento.
De seguida, foi dado destaque aos processos industriais dos quais pode ser obtido o
ácido em questão, sendo este principalmente obtido a nível industrial através da oxidação
do tolueno com oxigénio molecular. Este processo revela ser o mais rentável e produtivo
uma vez que são usados reagentes relativamente baratos, como o tolueno (matéria-prima) e
catalisadores de cobalto.
Por último foram analisadas as aplicações e os mercados mundiais do ácido benzóico,
podendo concluir-se que este é utilizado em variadas indústrias como por exemplo, em
conservantes na indústria alimentar, em medicamentos antifúngicos e, principalmente, a
nível farmacêutico e em perfumes. Em relação aos mercados mundiais foi possível inferir
que os principais países produtores do composto estão situados no EEE, nos Estados
Unidos da América e na China. Para além disso, este produto tem uma quantidade
produção elevada, excedendo as 500 000 toneladas/ano, destinando-se a vários fins, sendo
o principal a produção de fenol.
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4. Referências bibliográficas
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzonitrila. (09-10-2014)
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Wikipedia. Benzamida. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Benzamida.
(09-10-2014)
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