Лабораторная работа №7. Определение состава органических соединений

Цель: определение качественного элементного состава органических соединений.

В состав органических веществ, кроме углерода, чаще всего входят еще водород, кислород и азот. Наряду с ними в молекулу органического вещества могут входить и другие элементы, например сера, галогены, фосфор и др.

Для определения элементов, входящих в состав органических веществ, их необходимо предварительно перевести в неорганические соединения, для дальнейшего исследования которых применяют методы обычного качественного анализа. Например, специальными методами углерод переводят в диоксид углерода, водород – в воду, азот – в цианистый натрий, серу – в сульфид натрия и т. д.

Рассмотрим определение углерода, водорода, азота, серы и галогенов. Для определения кислорода обычно не пользуются качественными реакциями. О его присутствии чаще всего судят по данным количественного анализа.

Опыт 1. Определение углерода пробой на обугливание

Реактивы и материалы: глюкоза кристаллическая (или сахар); казеин сухой; серная кислота, 0,1 н раствор. Оборудование: фильтровальная бумага; скальпель (или крышка тигля).

Специальное указание: опыт проводят в вытяжном шкафу!

Присутствие углерода во многих органических веществах можно обнаружить по обугливанию вещества при осторожном его прокаливании.

1. На кончик скальпеля (или крышку тигля) помещают несколько кристаллов глюкозы (или сахара) и осторожно нагревают в пламени горелки. Глюкоза расплавляется, темнеет и загорается. На скальпеле остается обуглившаяся масса черного цвета – углерод.

Следовательно, глюкоза является органическим веществом.

2. На кончик скальпеля (или крышку тигля) помещают крупинку казеина и осторожно нагревают в пламени горелки. Казеин вспучивается, обугливается и загорается. Па кончике скальпеля остается обуглившаяся черная масса – углерод.

Следовательно, белки являются органическими веществами. При сгорании натурального белка ощущается характерный запах жженых волос или перьев.

3. Иногда обугливание наблюдается также при действии на органические вещества (сахар, крахмал, клетчатку, спирты и т. д.) водоотнимающих веществ, например концентрированной серной кислоты.

Особенно ясно обугливание проявляется при нагревании. Так, при над нагревании обугливающее действие оказывает даже разбавленная серная кислота.

На кусочек фильтровальной бумаги (клетчатка) помещают каплю раствора серной кислоты. При высыхании на бумаге не остается следа. Осторожно подогревают бумагу над пламенем горелки. Участок фильтровальной бумаги, смоченной серной кислотой, обугливается раньше, чем чистая бумага. Следовательно, и клетчатка относится к органическим веществам.

Проба на обугливание является только вспомогательным способом определения углерода в исследуемом веществе, так как она достоверна только при наличии обугливания. Если обугливания не происходит, то это не дает еще основания делать вывод об отсутствии в исследуемом веществе углерода, так как ряд веществ нельзя

обугливать обычным путем.

Некоторые органические вещества, например спирт и эфир, при нагревании испаряются раньше, чем успевают обуглиться; другие, например мочевина, фталевый ангидрид, возгоняются.

Поэтому наиболее общим методом открытия углерода и одновременно с ним водорода является сжигание органического вещества в смеси с окислителем, в качестве которого применяют мелкий порошок оксида меди.

Опыт 2. Определение углерода и водорода сожжением вещества с оксидом меди (II)

Реактивы и материалы: глюкоза (или глицерин, крахмал, сахар); оксид меди (порошок); баритовая вода, насыщенный водный раствор; сульфат меди (II) безводный. Оборудование: газоотводная трубка с пробкой; стеклянная палочка; микролопатка.

Всухую пробирку 1 (рис. 8) насыпают черный порошок оксида меди (слой высотой около 5 мм). Добавляют половину микролопатки глюкозы и тщательно перемешивают, встряхивая пробирку. В верхнюю часть пробирки помещают небольшой комочек ваты, на который насыпают немного белого порошка безводного сульфата меди (II). Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой. При этом конец трубки должен почти упираться в вату с CuSО₄.

Нижний конец трубки опускают в пробирку 2, предварительно налив в нее 5-6 капель баритовой (или известковой) воды. Пробирку 1 нагревают на пламени

горелки.

Через несколько секунд из газоотводной трубки начинают выходить пузырьки газа, и баритовая вода мутнеет вследствие выделения белого осадка углекислого бария. Пробирку 2 удаляют. Продолжают нагревать пробирку 1, пока пары воды не достигнут белого порошка обезвоженного медного купороса, находящегося на ватной пробке, и не вызовут изменения его окраски вследствие образования кристаллогидрата CuSO₄*5H₂O .

Химизм процесса:

C₆H₁₂O₆ + 12CuO → 6CO₂ + 6H₂O + 12Cu

CO₂ + Ba(OH)₂ → BaCO₃ + H₂O

CuSO₄ + 5H₂O → CuSO₄*5H₂O

Метод основан на том, что при прокаливании органического вещества в смеси с окислителем (СuО) происходит окисление углерода органического вещества в диоксид углерода, а водорода – в воду. Оксид меди при этом восстанавливается до металлической меди.

Выделение диоксида углерода доказывается появлением белого осадка углекислого бария. Воду в продуктах сжигания обнаруживают по образованию синих кристаллов медного купороса.

Опыт 3. Определение азота сплавлением вещества с металлическим натрием

Реактивы и материалы: мочевина кристаллическая; натрий металлический, сульфат железа (II) FeSО₄, 0,1 н. раствор; хлорид железа (III) FeCl₃, 0,1 н. раствор; соляная кислота, 2 н. раствор; этиловый спирт, 90%-ный. Оборудование: стекла предметные; пипетки.

В сухую пробирку помещают 5-10 мг мочевины (несколько кристаллов) и вносят небольшой кусочек металлического натрия. Смесь осторожно нагревают в пламени микрогорелки до сплавления мочевины с натрием. При этом иногда наблюдается небольшая вспышка.

После охлаждения пробирки со сплавом в нее добавляют 3 капли этилового спирта для устранения остатков металлического натрия, который реагирует со спиртом, но не так бурно, как с водой. При этом образуется алкоголят натрия и выделяется водород:

2С₂Н₅ОН + 2Na → 2С₂Н₅ОNa + H₂

Затем в пробирку добавляют 5 капель дистиллированной воды и нагревают на пламени горелки для растворения образовавшегося цианистого натрия. С помощью пипетки переносят раствор цианистого натрия на предметное стекло, добавляют 1 каплю железного купороса и 1 каплю хлорида железа (III), которые в присутствии щелочи, образовавшейся при реакции алкоголята натрия с водой, дают грязно-зеленый осадок гидроксида железа (II) Fe(ОН)₂ и желтый осадок гидроксида железа (III) Fe(ОН)₃:

С₂Н₅ОNa + НОН → С₂Н₅ОН + NaOH

FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂ + Na₂SO₄

FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃ + 3NaCl

Если в растворе имеется избыток цианистого натрия, то образуется гексациано(II)феррат натрия Na₄[Fe(CN)₆]. Наносят пипеткой на фильтровальную бумагу (30*30 мм) одну каплю мутной жидкости. После того как капля впитается, на это же место наносят одну каплю соляной кислоты.

Химизм процесса:

Na + [С] + [N] → NaCN

2NaCN + FeSO₄ → Fe(CN)₂ + Na₂SO₄

Fe(CN)₂ + 4NaCN → Na₄[Fe(CN)₆]

гексацианоферрат(II)натрия

Образовавшийся комплекс с солями железа (III) может дать синий осадок – берлинскую лазурь. Однако присутствующая в растворе щелочь связывает ионы Fe³⁺ в гидроксид железа (III). Поэтому берлинская лазурь может образоваться только после растворения гидроксида в кислоте:

Fe(OH)₃ + 3НС1 → FeCl₃ + ЗH₂O

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

берлинская лазурь

При проведении опыта необходимо обратить внимание на то, чтобы натрий плавился вместе с органическим веществом. Если натрий плавится отдельно от вещества, то даже при наличии в веществе азота цианистый натрий не образуется и опыт будет неудачным.

Опыт 4. Определение серы сплавлением вещества с металлическим натрием

Реактивы и материалы: металлический натрий; стрептоцид белый (или сульфаниловая кислота); этиловый спирт; уксуснокислый свинец, 0,1 н. раствор; нитропруссид натрия, 0,5 н. раствор. Оборудование: фильтровальная бумага.

В сухую пробирку помещают испытуемое вещество, например белый стрептоцид или сульфаниловую кислоту (несколько крупинок 5-6 мг), и вносят небольшой кусочек металлического натрия.

Держа пробирку вертикально, нагревают смесь докрасна, чтобы натрий плавился в смеси с веществом. Затем пробирку со сплавом охлаждают и добавляют в нее 3 капли этилового спирта для удаления остатка металлического натрия. После окончания выделения пузырьков газа (водорода) сплав растворяют при нагревании в 5 каплях дистиллированной воды.

Складывают вместе два кусочка фильтровальной бумаги 30*30 мм и наносят с помощью пипетки по 2 капли темной жидкости на противоположные углы бумажки (рис.).

Верхняя фильтровальная бумажка служит фильтром, через который фильтруется раствор сернистого натрия от частичек угля, образовавшегося при обугливании вещества. На нижней фильтровальной бумажке появляются два бесцветных пятна. На одно из них наносят каплю раствора уксуснокислого свинца: мгновенно появляется коричневое окрашивание от образовавшегося сульфида свинца. На другое пятно наносят одну каплю свежеприготовленного раствора нитропруссида натрия Na₂[Fe(CN)₅(NO)], при этом тотчас появляется красно-фиолетовое окрашивание, постепенно изменяющее свой цвет.

Эта цветная реакция на ион S^2- обусловлена образованием комплексной соли состава Na₄[Fe(CN)₅(NO)S].

Химизм процесса:

2Na + [S] → Na₂S

Na₂S + (CH₃COO)₂Pb → PbS + 2CH₃COONa

Na₂S + Na₂[Fe(CN)₅NO] → Na₄[Fe(CN)₅(NO)S].

Опыт 5. Определение хлора по зеленой окраске пламени

Реактивы и материалы: хлороформ (или дихлорэтан); медная

проволока.

Галогены проще всего открываются по Бейльштейну – прокаливанием органического вещества с оксидом меди в пламени горелки.

Медную проволоку длиной 10 см с петлей на конце прокаливают на пламени горелки до исчезновения посторонней окраски пламени (признак отсутствия загрязнения медной петли). Остывшую петлю, покрывшуюся черным налетом оксида меди, опускают в пробирку с 1-2 каплями испытуемого вещества, например хлороформа, и вновь вносят в пламя горелки.

Немедленно появляется характерная ярко-зеленая окраска пламени. При прокаливании кислород оксида меди окисляет углерод и водород органического вещества в диоксид углерода и воду, медь же образует с галогеном летучие соединения, которые и окрашивают пламя горелки в зеленый цвет. Появление зеленого окрашивания указывает на присутствие в органическом соединении галогена.

Химизм процесса:

2СНС1₃ + 5СuО → CuCl₂ + 4СuС1 + 2СO₂ + Н₂O

Чтобы очистить проволоку, ее смачивают соляной кислотой и снова прокаливают. Для открытия галогенов органическое вещество разрушают. При этом галогены переходят в неорганические соли, которые могут быть обнаружены обычными ионными реакциями.

Галогены можно отщепить и перевести в соли галогеноводородных кислот методом А. В. Степанова – действием металлического натрия на спиртовой раствор органического вещества. Этот метод будет рассмотрен нами в дальнейшем.