Лабораторна робота №1 Якісний елементний аналіз органічних сполук

Найбільш розповсюдженими елементами в органічних сполуках, крім карбону, є гідроген, оксисен, нітроген, сульфур, фосфор та галогени. Звичайні методи якісного аналізу не можуть бути застосовані для аналізу органічних сполук. Для виявлення карбону, нітрогену, сульфуру та інших елементів органічну сполуку руйнують, при цьому більшість елементів переходить до неорганічних сполук. Наприклад, карбон входить до складу оксиду карбону (IV), гідроген – до складу води, нітроген – до складу ціаніду натрію, сульфур – до складу сульфіду натрію, галогени – до складу галогені дів натрію. Далі елементи відкривають звичайними методами аналітичної хімії.

Дослід 1. Визначення карбону пробою на обвуглювання. ( Тяга! )

Реактиви: цукор, папір, бензен, 1%-й розчин сульфатної кислоти, концентрована сульфатна кислота.

Обладнання: фарфорова чашка, фарфоровий трикутник, скальпель, хімічний стакан ( 50 мл ), ступка з товкачиком.

Обвуглювання – найпростіша спроба для визначення карбону в органічних сполуках. Деякі органічні сполуки обвуглюються ( чорніють ) при прожарюванні, в інших випадках обвуглювання спостерігається при дії речовин, що відщеплюють воду, наприклад концентрованої сульфатної кислоти.

а) Розтирають в ступці 25 г швидкорозчинного цукру, додають 3 мл води і переносять в хімічний стакан. Потім при перемішуванні скляною паличкою додають 12,5 мл концентрованої сульфатної кислоти. Коли починається обвуглювання паличку виймають. Суміш здимається, чорний пористий «пиріг» піднімається вгору.

б) На білому чи фільтрувальному папері роблять надпис 1%-ним розчином сульфатної кислоти. При висиханні розчину надпис не видно. При обережному нагріванні паперу над полум’ям пальника ділянки паперу, що були змочені кислотою, обвуглюються – з’являється надпис.

в) В фарфорову чашку наливають 3 мл бензену і підпалюють його. Бензен горить коптячим полум’ям, частина карбону виділяється у вигляді сажі. Завершіть рівняння реакції:

C₆H₆ + 4,5 O₂ =

Дослід 2. Визначення карбону і гідрогену окисненням речовини оксидом купруму (ІІ).

Реактиви: цукор (попередньо висушений), оксид купруму (ІІ) – порошок, вапнякова (або баритова ) вода, безводний сульфат купруму (ІІ) – свіжопрожарений.

Обладнання: вигнуті газовідвідні трубки з пробками для пробірок, вата.

Окиснення органічної речовини оксидом купруму (ІІ) призводить до утворення оксиду карбону (IV) і води за рівнянням:

C₁₂H₂₂O_{11 +} 24CuO = 12CO₂ + 11H₂O + 24Cu

В суху пробірку з газовідвідною трубкою поміщають 0,2-0,3 г розтертого в порошок сухого цукру і 1-2 г оксиду купруму (ІІ). Вміст пробірки ретельно перемішують, зверху суміш засипають шаром оксиду купруму (ІІ) – приблизно 1 г. У верхню частину пробірки (під пробку) поміщають маленький жмуток вати, на який насипають невелику кількість безводного сульфату купруму (ІІ). Пробірку закривають пробкою з газовідвідною трубкою і закріпляють її горизонтально в лабораторному штативі. Вільний кінець газовідвідної трубки опускають в пробірку з вапняковою (баритовою) водою таким чином, щоб трубка майже торкалася поверхні розчину. Спочатку прогрівають всю пробірку, потім сильно нагрівають ту частину, де знаходиться реакційна суміш.

Відмітьте, що відбувається з вапняковою водою. Чому сульфат купруму (ІІ) змінює забарвлення?

Рис.6.Прилад для одночасного визначення карбону і гідрогену

в органічній речовині:

1 – суха пробірка із сумішшю сахарози і оксиду купруму (ІІ);

2 – вата; 3 – безводний сульфат купруму; 4 – пробірка з вапня-

-ковою водою

Дослід 3. Відкривання нітрогену сплавленням речовини з металевим натрієм. ( Тяга! Захисні окуляри! )

Реактиви: сечовина, металевий натрій, 5%-й розчин сульфату феруму (ІІ), 1%-й розчин хлориду феруму (ІІІ), 10%-й розчин хлоридної кислоти, етиловий спирт.

Обладнання: фільтрувальний папір, лійки, скальпель, пінцет.

Принцип методу полягає в тому, що при сплавленні з металевим натрієм органічна речовина розкладається, а нітроген, що містився в ній, утворює з карбоном і натрієм ціанід натрію. Цю сполуку виявляють шляхом перетворення її в берлінську блакить:

FeSO_{4 +} 2NaOH = Fe (OH)₂ + Na₂SO₄ } Утворення гідроксидів

феруму

FeCl₃ + 3NaOH = Fe (OH)₃ + 3NaCl

Fe (OH)₂ + 2NaCN = Fe (CN)₂ + 2NaOH } Утворення гексаціаноферату

Fe (CN)₂ + 4Na CN = Na₄[Fe (CN)₆] натрію

Fe (OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O } Утворення берлінської

блакиті

3Na₄[Fe (CN)₆] + 4FeCl₃ = Fe₄[Fe (CN)₆]₃ = 12NaCl

В суху пробірку поміщають декілька кристалів сечовини ( H₂N-CO-NH₂ ) і шматочок (з сірникову головку) металевого натрію. Нижню частину пробірки нагрівають до появи спалаху. ( Захисні окуляри! ). Пробірку нагрівають на сильному вогні і зразу ж опускають в хімічний стан з 10-15 мл дистильованої води, легенько постукуючи по дну стакана. При цьому пробірка тріскається і вода попадає в пробірку (Обережно! Можливий повторний спалах!). Розчин, що утворився в стакані фільтрують через паперовий фільтр в чисту пробірку. До фільтрату додають 2-3 краплі 5%-го розчину FeSO₄ і 1 краплю 1%-го розчину FeCl₃. Випадають осади гідроксидів феруму. Вміст пробірки перемішують і підкисляють розчином хлоридної кислоти. Осад суміші гідроксидів феруму розчиняється і з’являється синє-зелене забарвлення.

Чому утворення берлінської блакиті відбувається в кислому середовищі?

Дослід 4. Відкривання сульфуру сплавленням органічної речовини з металевим натрієм. ( Тяга! Захисні окуляри! )

Реактиви: тіосечовина, металевий натрій, 2%-й розчин ацетату свинцю, 2%-й розчин нітропрусиду натрію (свіже виготовлений), 10%-й розчин хлоридної кислоти.

Обладнання: фільтрувальний папір, лійки, скальпель, пінцет.

Сульфур відкривают в органічній сполуці подібно нітрогену. Спочатку руйнують органічну сполуку сплавленням з металевим натрієм. При цьому сульфур утворює з металевим натрієм сульфід натрію ( Na₂S ). Далі відкривають сульфід-йон ( S^2- ) звичайними якісними реакціями.

Після фільтрування водного розчину його поділяють на дві частини.

а) До першої частини розчину додають 0,5 мл 2%-го розчину нітропрусиду натрію. З’являється інтенсивне червоно-фіолетове забарвлення внаслідок утворення нової комплексної солі:

Na₂S + Na₂[Fe (CN)₅NO] = Na₄[Fe (CN)₅NOS]

б) До другої частини розчину додають 2-3 мл 10%-ної хлоридної кислоти. Пробірку з реакційною сумішшю накривають клаптиком фільтрувального паперу попередньо змоченого розчином ацетату свинцю. Вміст пробірки обережно нагрівають на газовому пальнику. Через деякий час на фільтрувальному папері з’являється чорна пляма сульфіду свинцю:

Na₂S + 2HCl = 2NaCl + H₂S

H₂S + (CH₃COO)₂Pb = PbS + 2CH₃COOH

Дослід 5. Відкривання галогенів внаслідок руйнування речовини спалюванням. ( Тяга! )

Реактиви: хлороформ, 1%-й розчин аргентум нітрату.

Обладнання: фільтрувальний папір, стакан (150 мл ), пінцет.

Хімічний стакан ополіскують дистильованою водою. Смушку фільтрувального паперу змочують хлороформом і підпалюють. (Тяга! ); тримають над нею перевернутий догори дном вологий стакан. Після того, як папір згорить стакан перевертають і доливають в нього 2-3 мл дистильованої

води. Після цього додають декілька крапель розчину аргентум нітрату. Утворюється білий осад аргентум хлориду:

HCl + AgNO₃ = HNO₃ + AgCl

Дослід 6. Проба Бейльштейна^* на галогени.

Реактиви: хлороформ, бромбензен, йодоформ і т.п.

Обладнання: мідний дріт довжиною до 10 см.

При прожарюванні органічної речовини з оксидом купруму (ІІ) відбувається його окиснення. Карбон при цьому перетворюється в оксид карбону (IV), гідроген – у воду, а галогени утворюють з купрумом леткі галогеніди, які забарвлюють полум’я в яскраво-зелений колір.

Мідний дріт на одну третину намотують на скляну паличку, утворюючи спіраль. Тримаючи дріт за рівний кінець прожарюють спіральну частину на полум’ї пальника. Після охолодження на спіраль набирають невелику кількість речовини, що досліджується і вносять в полум’я добре відрегульованого пальника. При наявності в речовині галогенів полум’я набуває зеленого забарвлення.

АЛКАНИ. ГАЛОГЕНПОХІДНІ АЛКАНІВ

Дослід 7. Одержання метану та його властивості.

Реактиви: безводний ацетат натрію і прожарене натронне вапно ( 1 : 2 ), дуже розведений розчин KMnO₄, 5%-й розчин карбоната натрія, бромна вода, бром.

Обладнання: газовідвідна трубка, до якої приєднана каучукова трубка з скляним наконечником, фарфорова чашка, кристалізатор, вигнута газовідвідна трубка.

_______________________________________

* Бейльштейн Ф.Ф. – російський академік; реакція запропонована в 1872 р.

а) Одержання і горіння метану. В суху пробірку насипають суміш для одержання метану ( висота шару приблизно 4 см ).Розміщують суміш таким чином, щоб метан, що утворився міг вільно виходити з пробірки. Закривають пробірку пробкою з газовідвідною трубкою і закріпляють її в штативі з невеликим нахилом в бік пробки. Прогрівають спочатку всю пробірку, потім сильно нагрівають ту її частину, де знаходиться реакційна суміш, починаючи знизу і повільно просуваючи пальник далі, щоб могли прореагувати нові порції суміші. Спочатку із пробірки витіснюється повітря, потім починається виділення метану. Метан підпалюють біля кінця газовідвідної трубки, він горить блакитним полум’ям.

Напишіть рівняння реакцій одержання метану з ацетату натрію і гідроксиду натрію і горіння метану.

Рис.7.Прилад для одержання метану

б) Відношення метану до бромної води і до водного розчину перманганату калію.

Вводять газовідвідну трубку в пробірку, що містить 3-4 мл бромної води і пропускають протягом 1 хвилини метан. Чи зникає забарвлення бромної води? Потім пропускають метан через розчин перманганату калію. Що Ви спостерігаєте? Зробіть висновок щодо відношення метану до бромної води і розчину перманганату калію при кімнатній температурі.

в) Вибух суміші метану і повітря. Метан, що виділяється з газовідвідної трубки, можна зібрати методом витиснення води (рис.8). Витиснюють воду з пробірки на 1/10 її об’єму, потім решту об’єму заповнюють повітрям виймаючи пробірку з кристалізатора з водою. Тримаючи пробірку отвором донизу її обгортають вологим полотенцем і підносять отвором до полум’я газового пальника. Відбувається вибух внаслідок швидкого згоряння метану.

Поясніть співвідношення газу і повітря.

Рис.8. Прилад для збирання газу методом витиснення води

Дослід 8. Реакції з рідкими насиченими вуглеводнями.

Реактиви: рідкі насичені вуглеводні, 5%-й розчин Na₂CO₃, 1%-й розчин KMnO₄, концентрована сульфатна кислота, концентрована нітратна кислота, 5%-й розчин брому в чотирихлористому вуглеці, 25%-й розчин амоніаку, синій лакмусовий папір.

Обладнання: фарфорова чашка.

а) Відношення алканів до водного розчину перманганату калію. В пробірку наливають 1 мл одного з насичених вуглеводнів, 1 мл 5%-го розчину соди, потім по краплинам при струшуванні додають розчин KMnO_4. Чи змінюється забарвлення перманганату калію?

Зробіть висновок щодо відношення алканів до водного розчину KMnO₄.

б) Відношення алканів до концентрованої сульфатної кислоти. В суху пробірку наливають 1 мл насиченого вуглеводню і 1 мл концентрованої сульфатної кислоти. Вміст пробірки струшують протягом 2-3 хвилин.

Чи відбуваються які-небудь зміни? Чи розігрівається суміш? Зробіть висновки на підставі досліду.

в) Відношення алканів до концентрованої нітратної кислоти. В суху пробірку наливають 1 мл насиченого вуглеводню і 1 мл концентрованої нітратної кислоти. Суміш струшують протягом 2-3 хвилини.

Зробіть висновок щодо відношення алканів до концентрованої нітратної кислоти при кімнатній температурі.

г) Бромування алканів ( Тяга! ). В суху пробірку наливають 1 мл насиченого вуглеводню і додають декілька крапель 5%-го розчину брому в CCl₄. Вміст пробірки струшують при кімнатній температурі. ( Чи зникає забарвлення брому? ). Потім суміш нагрівають на водяній бані. Забарвлення брому поступово зникає, одночасно утворюється газоподібний бромоводень. Його визначають, по-перше, по зміненню кольору вологого синього лакмусового папірця, внесеного у верхню частину пробірки; по-друге, по утворенню туману, який виникає при внесенні скляної палички, змоченої в 25%-му розчині амоніаку, в пари, що виділяються з пробірки.

Напишіть рівняння реакції і розгляньте її механізм на прикладі бромування 2-метилпентану ( одержання монобромпохідного ).

д) Горіння рідких алканів. В фарфорову чашку наливають 1 мл рідкого насиченого вуглеводня і підпалюють його.

Поясніть, чому на відміну від метану рідкі вуглеводні горять коптячим полум’ям. Обрахуйте процентний вміст карбону і гідрогену в метані, в октані.Напишіть рівняння реакції горіння метану і октану.

Дослід 9. Одержання хлоретану.

Реактиви: суміш етилового спирту і концентрованої сульфатної кислоти у співвідношенні 2:1 (за об’ємом), натрію хлорид.

Обладнання: прямі газовідвідні трубки з відтягнутим кінцем.

В пробірку наливають 3 мл суміші етилового спирту і концентрованої сульфатної кислоти, додають 0,2 г розтертого в порошок натрію хлориду. Пробірку закривають пробкою з прямою газовідвідною трубкою, яка має відтягнутий кінець, і дуже обережно нагрівають (рідина вспінюється). Підпалюють хлоретан, що виділяється біля отвору газовідвідної трубки; він горить характерним полум’ям із зеленою каймою. Хлоретан при звичайній температурі – газоподібна речовина (т.кип. +12,4^оС). Утворення хлоретану відбувається за схемою:

C₂H₅OH + H₂SO₄ + NaCl = C₂H₅Cl + NaHSO₄ + H₂O

Дослід 10. Лужний гідроліз галогеналканів.

Реактиви: брометан, 10%-й розчин гідроксиду натрію, 1%-й розчин AgNO₃, 20%-й розчин нітратної кислоти.

Обладнання: піпетки, зворотні холодильники до пробірок.

В пробірку наливають 0,5 мл брометану і 2-3 рази промивають його водою. Для цього до брометану додають 3-4 мл дистильованої води, струшують суміш і після розшаровування зливають більшу частину води. До залишку в пробірці знову додають воду і промивання повторюють. Після цього додають 2 мл 10%-го розчину гідроксиду натрію, закривають пробірку пробкою з зворотним холодильником і струшують вміст пробірки. Потім при струшуванні доводять суміш до кипіння. (Кип’ятить неможна, бо брометан може випаруватися!). Після охолодження відливають приблизно 1 мл лужного розчину в іншу пробірку, підкислюють його 20%-м розчином нітратної кислоти і додають декілька крапель 1%-го розчину аргентум нітрату. Утворюється осад аргентум броміду.

Напишіть рівняння реакції лужного гідролізу брометану і запропонуйте її механізм.

Дослід 11. Одержання і властивості йодоформу.

Реактиви: етиловий спирт, йод, 10%-й розчин гідроксиду натрію, 1%-й розчин AgNO₃, 5%-й розчин амоніаку, 1%-й розчин перманганату калію, 20%-й розчин нітратної кислоти.

Обладнання: хімічні лійки, предметні скельця, мікроскоп, водяна баня.

При струшуванні розчиняють в пробірці 0,5 г йоду в 1 мл спирту. До спиртового розчину йоду додають 5 мл води (йод при цьому випадає в осад), потім при струшуванні по краплях приливають 10%-й розчин гідроксиду натрію до тих пір, поки не зникне бурий колір йоду і реакційна суміш не набуде світло-жовтого забарвлення. Надлишок лугу неприпустимий, бо луг сприяє гідролізу йодоформу. Для прискорення реакції пробірку обережно нагрівають на водяній бані (70-80^оС). При охолодженні випадає рясний осад йодоформу у вигляді світло-жовтих кристалів зі специфічним запахом. Осад йодоформу відфільтровують і кристалізують із спирту. Для цього осад переносять в суху пробірку, додають приблизно 1 мл спирту і нагрівають на водяній бані до повного розчинення йодоформу. Після охолодження у воді з льодом кристали, що випали відфільтровують і промивають невеликою кількістю дистильованої води. Краплю водної суспензії переносять на предметне скло і розглядають кристали під мікроскопом.

До невеликої кількості йодоформу приливають 2-3 мл 10%-го розчину гідроксиду натрію. Закривають пробірку пробкою з зворотним холодильником і при струшуванні нагрівають суміш на водяній бані. В умовах досліду йодоформ гідролізується з утворенням іонів йоду і форміату натрію ( HCOONa ). Для виявлення іонів йоду частину гідролізату підкислюють нітратною кислотою і додають декілька крапель аргентум нітрату. При наявності йонів йоду випадає осад AgI.

Напишіть рівняння реакцій одержання йодоформу з етилового спирту, йоду і гідроксиду натрію, а також гідролізу йодоформу в лужному середовищі.

Дослід 12. Кольорова реакція на галоформи.

Реактиви: хлороформ, бромоформ, йодоформ, 10%-й розчин резорцину, 10%-й розчин гідроксиду натрію.

В три пробірки наливають по 1 мл 10%-го розчину резорцину і по 5 крапель 10%-го розчину гідроксиду натрію. В першу пробірку додають 5 крапель хлороформу, в другу – стільки ж бромоформу, а в третю – дуже невелику кількість йодоформу. Суміші нагрівають. З’являється забарвлення.