Н.К. Китаева, Ю.Д. Соколова, И.Г. Максимова

Факультет естественных наук

Н.К. Китаева, Ю.Д. Соколова, И.Г. Максимова

Лабораторный практикум

По курсу «Органическая химия»

Обнинск 2008

УДК

Китаева Н.К., Соколова Ю.Д., Максимова И.Г. Лабораторный практикум по курсу «Органическая химия». – Обнинск: ИАТЭ, 2008. – хх с.

 

В лабораторном практикуме во введении изложены правила техники безопасности при работе в химической лаборатории, сведения о посуде, оборудовании и приборах, используемых при проведении лабораторных работ. Приведены методы выделения, очистки и определения основных констант органических веществ.

Лабораторный практикум содержит описание 6 лабораторных работ, составленных в соответствии с программой курса органической химии для инженерно-технических специальностей вузов. Каждая лабораторная работа содержит необходимый теоретический материал, в котором изложены важнейшие методы и приемы работы с органическими веществами, а также разбираются методы количественного и качественного анализа.

Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности «Атомные электрические станции и установки» (специализации «Физико-химические процессы на АЭС» и «Водоподготовка»).

Илл., библ. назв.

 

Рецензенты: д.х.н. В.Р. Дуфлот,

к.х.н.

 

 

Темплан 2008, поз.

 

 

Ó Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, 2008 г.

Ó Н.К. Китаева, Ю.Д. Соколова, И.Г. Максимова, 2008 г.

 

 

Общие требования по технике безопасности

1.1. Настоящие требования обязательны для исполнения студентами в лаборатории Органической химии (далее лаборатория).

1.2. К работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

1.3. Работать в лаборатории разрешается только в халатах с длинными рукавами. Длинные волосы должны быть аккуратно подобраны. Студенты, присутствующие на практической работе без халата, непосредственно к проведению эксперимента не допускаются, но присутствуют на занятии.

1.4. В лаборатории запрещается принимать пищу и напитки.

1.5. Запрещается работать в лаборатории в отсутствие преподавателя или лаборанта, а также выполнять в лаборатории экспериментальные работы, не связанные с выполнением учебного практикума.

1.6. Во время работы в лаборатории необходимо соблюдать чистоту, тишину и порядок. При всех работах с химикатами соблюдать максимальную осторожность, помня, что неаккуратность, невнимательность, недостаточ­ное знакомство с приборами и свойствами веществ могут повлечь за собой несчастный случай.

1.7. Все процедуры при выполнении работы (отмеривание реактивов, их переливание, нагревание и т. д.) должны производиться только на своем рабочем месте или под тягой.

1.8. При работе со спиртом и другими легко воспламеняющимися веществами возможно неожиданное воспламенение паров. Количество этих веществ в практикуме ограничено.

1.9. Запрещается подключать неизвестные приборы к лабораторным розеткам.

1.10. Запрещается переносить включенные приборы.

1.11. Все вопросы по выполнению эксперимента, возникающие в процессе работы, следует немедленно выяснить у преподавателя.

Требования безопасности перед началом работы

2.1. Студент должен быть информирован о содержании предстоящей работы и знать ее методические особенности по учебному практикуму.

2.2. Лабораторный журнал должен быть заранее оформлен.

2.3. Работа в лабораториях должна производится с исправными приборами, неповрежденной посудой, известными реактивами и материалами.

2.4 Химическая посуда должна быть чистой, т. к. грязь может изменить ход реакции.

2.5. Работа с газообразными и летучими веществами, вредными для здоровья, должна производится только под тягой.

Требования безопасности во время работы

3.1. Запрещается проводить опыты, не назначенные преподавателем, вносить и выносить из лаборатории любые вещества и приборы без разрешения преподавателя.

3.2. Химические реакции надлежит выполнять с такими количествами и концентрациями веществ, в таких приборах и посуде, как указано в описаниях работ. Необходимо внимательно прочесть надпись на этикетке, прежде чем взять вещество для опыта.

3.3. Никакие вещества в лаборатории нельзя пробовать на вкус, а также брать руками. Нюхать какие бы то ни было вещества в лаборатории необходимо с осторожностью, не вдыхая полной грудью, а направляя к себе пары или газ движением руки.

3.4. Обо всех неполадках в работе оборудования, водопровода, электросети и т. д. студенты обязаны сообщить преподавателю. Устранять неисправ­ности самостоятельно запрещается.

3.5. При получении травм (порезы, ожоги и т. п.), а также при плохом самочувствии необходимо немедленно сообщить преподавателю.

3.6. Необходимо соблюдать большую осторожность при работе с кислотами, щелочами, солями тяжелых металлов, а также такими веществами, как бром­ная вода, фенол и др. Следует остерегаться попадания указанных реактивов на кожу (ожоги), одежду (разъедание ткани) и внутрь организма (отравления).

3.7. Нагревая жидкость в пробирке или колбе, сосуд надо держать держателем и следить за тем, чтобы отверстие было направлено в сторону от себя и соседей по работе.

3.8. Нельзя наклоняться над сосудом, в котором кипит или наливается какая-нибудь жидкость (особенно едкая), так как брызги могут попасть в глаза.

3.9. Горячему стеклу надо дать хорошенько остыть, прежде чем брать его руками. Помните, что горячее стекло по виду ничем не отличается от холодного.

3.10. Сосуды с веществами или растворами необходимо брать одной рукой за горлышко, а другой снизу поддерживать за дно.

3.11. При переливании жидкостей необходимо пользоваться воронкой, поставленной в кольцо штатива над сосудом приемником.

3.12. Набирать в пипетку растворы химических веществ обязательно резиновой грушей.

3.13. Неиспользованные реактивы никогда не помещайте обратно в тот сосуд, из которого они были взяты. Нельзя опускать в сосуды с реактивами никаких других веществ или предметов, кроме чистого шпателя, который прилагается к банке и служит для набирания из нее сухого реагента.

 

Лабораторная работа № 1

Перегонка

 

Теоретическая часть

Перегонка является удобным методом очистки и выделения органических соединений. Перегонка– это процесс разделения смеси жидкостей на компоненты, основанный на разнице температур их кипения. Этот метод заключается в нагревании жидкости до кипения с последующей конденсацией паров в холодильнике. При нагревании компоненты смеси выкипают в порядке повышения их температур кипения. Пока выкипает данная жидкость, температура паров над ней остается постоянной и равной температуре кипения. Когда вся жидкость из смеси выделяется, температура возрастает до температуры кипения следующей жидкости. Зависимость температуры от массы (объема) отогнанной жидкости называется кривой перегонки. По кривой перегонки можно установить состав исходной смеси (массу или объем каждого компонента, выкипающего при соответствующей температуре)

По условиям проведения работы различают три способа перегонки жидкостей:

1) при атмосферном давлении (простая и фракционная перегонка);

2) при уменьшенном давлении (перегонка в вакууме);

3) с водяным паром.

Простая перегонка при атмосферном давлении применяется при разделении жидкостей, сильно отличающихся друг от друга по температуре кипения (разница температур кипения должна достигать 80-100°С). При этом виде перегонки дистиллят собирают в один приемник. Простейший прибор для перегонки показан на рис. 11.

Рис. 11. Установка для простой перегонки: 1 – колба Вюрца; 2 – термометр; 3 – нисходящий холодильник Либиха; 4 – аллонж; 5 – приемная колба

 

Размеры колбы Вюрца должны быть такими, чтобы перегоняемая жидкость заполняла не более 2/3 ее объема. При соединении перегонной колбы с холодильником необходимо, чтобы конец ее газоотводной трубки выходил из пробки в холодильник на 2-3 см. Шарик термометра должен быть опущен на 0.5 см ниже отверстия газоотводной трубки. Для равномерного кипения смеси в колбу Вюрца помещают кипятильники (кусочки битого фарфора или стеклянные капилляры, запаянные с одного конца). Если температура кипения перегоняемой жидкости менее 120-150 °С, применяют проточное водяное охлаждение. Если перегоняемая жидкость имеет более высокую температуру кипения, можно использовать непроточную воду (холодильник заполняется водой, а затем перекрывается ее подача) или воздушный холодильник. Перегонную колбу в зависимости от температуры кипения перегоняемого вещества можно нагревать на водяной, масляной, песчаной или воздушной бане. Скорость перегонки регулируют изменением температуры нагревания бани, причем скорость поступления дистиллята в приемную колбу не должна превышать 1-2 капель в секунду. Для обеспечения необходимой скорости перегонки температура в бане должна быть на ~30°С выше температуры перегонки. Пока отгоняется первый компонент смеси, температура перегонки остается постоянной. Резкое повышение температуры свидетельствует о том, что началась перегонка следующего, более высокотемпературного компонента.

Фракционной (дробной) перегонкой разделяют смеси жидкостей, которые отличаются температурой кипения на 50-80°С и не образуют азеотропные смеси. Перегонку осуществляют в приборе (рис. 12), в состав которого входит дефлегматор.

Рис. 12. Установка для фракционной перегонки: 1 – перегонная колба; 2 – дефлегматор; 3 – термометр; 4 – холодильник; 5 – аллонж; 6 – приемная колба

 

В дефлегматоре часть паров конденсируется вследствие охлаждения воздухом. Конденсирующиеся пары, обогащенные высококипящими компонентами смеси, стекают в перегонную колбу. Пары, проходящие через дефлегматор, обогащены летучими фракциями смеси, которые конденсируются в холодильнике и стекают в приемную колбу.

Некоторые органические вещества нельзя перегонять при ат­мосферном давлении, так как они частично или полностью раз­лагаются при температуре кипения. Для очистки таких соедине­ний используют перегонку при пониженном давлении (вакуумную перегонку),так как уменьшение атмосферного давления пони­жает температуру кипения жидкости. Приблизительные расчеты показывают, что снижение давления на 1,3 кПа вызывает пони­жение температуры кипения на 0,5 °С по сравнению с темпера­турой кипения при нормальном давлении. Установка для пере­гонки при пониженном давлении изображена на рис. 13. В верхнюю часть колбы Кляйзена вставляют капилляр с резиновым шлангом и зажимом. Когда система находится под вакуумом, через капил­ляр пропускают воздух. При этом образуется поток очень мелких пузырьков, который соответствует спокойному кипению жидкости («кипятильнички» под вакуумом не работают). Скорость пропускания пузырьков воздуха регулируют зажимом. Колбу Кляйзена соединяют с холодильникам Либиха. Аллонж имеет отвод для соединения системы с манометром и через предохранительную склянку с водоструйным или масляным вакуумным насосом. Если необходимо собрать несколько фракций, то применяют специ­альные более сложные аллонжи-«пауки», которые позволяют при­соединить одновременно несколько приемных колб. Не сбрасывая вакуум, поворотом «паука» можно сменить приемную колбу. Пе­регонную колбу Кляйзена нагревают на бане. Категорически зап­рещается нагревать такую колбу на асбестовой сетке или откры­том пламени, так как это может привести к местному перегреву и разрушению колбы. При работе под вакуумом следует соблюдать ряд правил техники безопасности. Колбу Кляйзена заполняют после того, как прибор проверен на герметичность. Нагревание Жидко­сти начинают после достижения необходимого вакуума. Перегон­ку проводят в защитных очках, Во избежание взрыва нельзя пере­гонять вещество досуха. После окончания перегонки систему следует охладить, а затем медленно впустить воздух.

Рис.13. Прибор для перегонки при пониженном давлении: 1 – колба Кляйзена или круглодонная колба с насадкой Кляйзенa; 2 – капилляр, соединенный с резиновым шлангом с зажи­мом; 3 – термометр; 4 – холодильник; 5 – аллонж; 6 – прием­ная колба; 7 – предохранительная склянка; 8 – манометр

Перегонку с водяным паром используют при очистке веществ, загрязненных большим количеством смолистых примесей, а так­же для соединений, которые кипят при высокой температуре и поэтому не исключена возможность их разложения. Эти вещества должны быть мало растворимы в воде и обладать значительной упругостью пара при температуре кипения воды. Таким методом можно перегнать высококипящий компонент, как жидкий, так и твердый, при атмосферном давлении и температуре около 100 °С. Перегонкой с водяным паром разделяют смеси веществ, из кото­рых только одно способно отгоняться с паром. Прибор для пере­гонки с водяным паром изображен на рис. 14. Парообразователь заполняют водой и соединяют его через тройник с перегонной колбой, содержащей перегоняемую смесь, в которую погружают пароотводящую трубку. Через стеклянную трубку перегонная кол­ба соединяется с холодильником. При помощи газовой горелки или электрической плитки нагревают парообразователь, одно­временно с ним через асбестовую сетку подогревают и перегон­ную колбу. Как только начнется выделение пара в систему, зак­рывают зажим, надетый на резиновую трубку тройника.

Благодаря этому пар быстро поступает в перегонную колбу че­рез пароотводящую трубку, а затем вместе с отгоняемым веще­ством – в холодильник. Спустя некоторое время в приемной кол­бе скапливается эмульсия. Перегонку ведут до тех пор, пока проба дистиллята при охлаждении будет разделяться на две фазы. Когда начнет отгоняться чистая вода, перегонку заканчивают, открыв зажим на тройнике и прекратив нагревание парообразователя. Дистиллят разделяют в делительной воронке. Жидкое органиче­ское вещество высушивают при помощи прокаленного осушителя в соответствии с его химической природой, а твердое вещество – между листами фильтровальной бумаги или в вакуум-эксикаторе.

Рис. 14. Прибор для перегонки с водяным паром: 1 – парообразователь; 2 – тройник с зажимом; 3 – перегонная колба; 4– холодильник; 5 – аллонж; 6 – приемная колба

 

 

Экспериментальная часть

 

Цель работы: определить состав смеси воды с ацетоном по кривой перегонки.

 

Реактивы: смесь воды с ацетоном (состав задает преподаватель) – 100-200 г.

Приборы и посуда: перегонная колба – круглодонная колба емкостью 250 см ³ или 500 см ³; холодильник Либиха; конические колбы с пробками емкостью 100 или 250 см³; мерный цилиндр емкостью 100 см ³; термометр до 150°С.

 

Порядок работы:

1) провести простую перегонку смеси воды с ацетоном;

2) записывать зависимость объем отгона от температуры (кривая перегонки).

 

Методика работы: Получить у преподавателя исходную смесь (100-200 г). Определить объем и массу смеси – взвесить сухую колбу с пробкой, перенести в колбу смесь и взвесить закрытую колбу со смесью. Взвешивание производить на технических весах с точностью до 0.1 г.

В перегонную колбу поместить несколько кипятильников (или запаянных капилляров), влить всю смесь и собрать установку для простой перегонки (рис. 11), подставив к нижнему концу холодильника приемник – мерный цилиндр. Нагревание колбы во время перегонки регулировать таким образом, чтобы дистиллят поступал в приемник со скоростью 30-40 капель в минуту. Фиксировать объем отгоняемой жидкости с помощью мерного цилиндра и температуру отгона по термометру. Перегонку прекратить, когда в перегонной колбе останется небольшое количество вещества (3 - 4 см³). Закончить перегонку, выключив нагреватель. Объем компонента, кипящего последним, определить по разности между объемом исходной смеси и отогнанным объемом.

Нельзя перегонять вещество досуха!

Результаты измерений внести в табл. 1.

 

Таблица 1. Кривая перегонки

№ измерения	Температура, ° С	Объем отогнанной жидкости, см3
	Т1	V1
	Т2	V2
…	…	…

Задание. Рассчитать объемную долю ацетона в смеси.

 

Отчет. В отчете должна присутствовать кривая перегонки (зависимость объема отгона от температуры), формулы для расчета объемной доли ацетона в смеси и в выводе – объемная доля ацетона в смеси.

 

Контрольные вопросы

1. Почему объем жидкости в перегонной колбе не должен быть намного меньше половины рабочего объема колбы?

2. Почему при достижении температуры кипения не испаряется мгновенно вся жидкость?

3. Какая ошибка вносится в измеренную температуру кипения, если шарик термометра не полностью омывается парами?

4. Почему при возобновлении прерванной накануне перегонки на следующий день необходимо сменить кипятильники?

5. Перечислите известные Вам критерии чистоты органического вещества.

 

 

Лабораторная работа № 2

 

Экстракция

Экстракция – это способ разделения твердых или жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов смеси в различных растворителях.

 

Теоретическая часть

Когда необходимо извлечь органическое вещество из твердой смеси, содержащей другие вещества, которые нерастворимы ни в органических растворителях, ни в воде, то предварительно измельченную смесь нагревают с соответствующим растворителем в колбе с обратным холодильником и фильтруют через воронку для горячего фильтрования. Для более полной экстракции твердых веществ часто пользуются ме­тодом непрерывной экстракции в аппарате Сокслета (рис. 16).

 

Рис. 16. Прибор Сокслета для экстрагирования твердых веществ: 1 – экстрагируемое вещество; 2 – пористая гильза; 3 – трубка сифона; 4 – растворитель

 

Эффективность экстрагирования твердого вещества жидкостью определяется, прежде всего, растворимостью и скоростью перехода из одной фазы в другую. Растворимость можно изменить, подбирая нужный растворитель. Для увеличения скорости перехода вещества из твердой фазы в жидкую необходимо увеличить поверхность соприкосновения фаз, что достигается тонким измельчением вещества перед экстракцией, перемешиванием, подачей свежего растворителя на границу фаз или при помощи противотока. Экстрагирование твердого вещества проводят в специальном экстракторе непрерывного действия – приборе Сокслета (рис.16). К колбе, содержащей растворитель и кипятильники, присоединяют специальную насадку с обратным холодильником. Внутрь насадки помещают гильзу, свернутую из фильтровальной бумаги и наполненную твердым веществом. Гильза должна быть плотно закрыта с обоих концов, чтобы избежать механического вымывания вещества. Растворитель в колбе нагревают до кипения. Пары проходят через широкую трубку насадки и конденсируются в ней, растворитель наполняет её до уровня боковой сифонной трубки и жидкость сливается в колбу. Экстрагирование происходит непрерывно.

 

Экспериментальная часть

Цель работы:

1) экстрагировать из чая кофеин (триметилксантин);

2) определить степень экстрагирования кофеина.

 

Реактивы: чай – 2-5 г; спирт – 100-150 см ³.

Приборы и посуда: фарфоровая ступка с пестиком; круглодонная колба со шлифом емкостью 250 см ³; прибор Сокслета; обратный холодильник; мерный цилиндр емкостью 250 см ³; фильтровальная бумага.

Порядок работы:

1) выделить из чая кофеин методом экстракции;

2) определить степень экстрагирования кофеина;

Методика работы. Изготовить из фильтровальной бумаги и взвесить на аналитических весах бумажную гильзу. В фарфоровой ступке растереть в пыль 2-5 г сухого чая. Полученную чайную пыль поместить в бумажную гильзу, взвесить на аналитических весах и поместить в аппарат Сокслета. В нижнюю колбу прибора внести 100-150 см ³ этилового спирта. Провести два цикла экстрагирования (т.е. жидкость из сифонной трубки должна слиться дважды). Достать из аппарата Сокслета гильзу с чаем, высушить на воздухе и взвесить на аналитических весах.

 

Задание. Определить массу чая после экстракции и рассчитать степень экстрагирования кофеина (b, %) по формуле:

,

где m ₀ и m ₁ – масса чая до и после экстракции, соответственно.

 

 

II. Экстракция жидкостей

 

Теоретическая часть

 

Используемый для экстракции растворитель должен отвечать следующим требованиям:

а) намного лучше растворять экстрагируемое вещество, чем растворитель, из которого оно извлекается;

б) легко отделяться при получении вещества;

в) иметь невысокую температуру кипения;

г) химически не взаимодействовать с компонентами смеси, из которой ведут экстракцию.

При подборе растворителя необходимо учесть, что плотность его должна отличаться от плотности экстрагируемого вещества.

Если извлекаемое вещество хорошо растворяется в воде, можно применять метод высаливания, при котором к раствору добавляют твердые соли, обладающие высокой растворимостью в воде (хлорид или сульфат натрия, сульфат аммония и др.). При этом меняется плотность раствора, уменьшается растворимость вещества, и экстракция облегчается.

Иногда при экстракции из водных растворов получаются стойкие эмульсии. Для их разрушения раствор насыщают неорганической солью и оставляют на некоторое время для расслаивания.

Большинство простых экстракций выполняют в делительной воронке (рис. 17).

Водный раствор вещества смешивают в делительной воронке с растворителем (1/5-1/3 общего объема раствора). Делительная воронка должна быть заполнена не более чем на 2/3. Воронку закрывают пробкой и осторожно взбалтывают ее содержимое, поддерживая кран и пробку. Затем ее переворачивают краном вверх (рис. 17, б) и, осторожно открывая кран, выпускают образовавшиеся пары растворителя, после чего продолжают встряхивание. При этом необходимо помнить, что длительное или интенсивное встряхивание может привести к образованию стойкой эмульсии, которую будет трудно разрушить. После этой процедуры воронку закрепляют в штативе и оставляют на некоторое время до образования четкой границы между двумя растворителями. Нижний слой сливают через кран, а верхний – через верхнее отверстие делительной воронки. Оба слоя следует хранить до окончания работы. В тех случаях, когда надо уточнить, какой слой является водным, от каждой из фаз отбирают по несколько капель и добавляют в пробирку с водой. Для полноты извлечения вещества экстракцию часто проводят несколько раз. Порции экстрагента объединяют, сушат подходящим осушителем, а затем отгоняют растворитель.

Экстракция может быть однократной, когда экстрагент добавляется в один прием, и дробной – добавление экстрагента проводится порциями в несколько приемов.

Рис. 17. Экстрагирование жидкостей с помощью делительной воронки:

а – распределение вещества между двумя несмешивающимися растворителями: 1 – верхнее отверстие с пробкой; 2 – растворитель; 3 – экстрагируемое вещество в другом растворителе; 4 – кран;

б – положение делительной воронки при стравливании избыточного давления.

 

 

Экспериментальная часть

Цель работы:

1) очистить керосин от непредельных углеводородов методами однократной и дробной экстракции;

2) определить степень экстрагирования непредельных углеводородов;

3) качественно оценить степень очистки керосина.

Реактивы: керосин технический – 40 см ³; концентрированная серная кислота – 12 см ³; 2% раствор гидрокарбоната натрия; раствор перманганата калия.

Приборы и посуда: грушевидная колба со шлифом емкостью 100 см ³; гидрозатвор; мерные цилиндры емкостью 25 и 10 см ³; делительная воронка емкостью 100 см ³; стакан емкостью 50 см ³; конические колбы (или бюксы) с притертыми пробками емкостью 50 см ³ (2 шт.); пробирки (3 шт.).

Порядок работы:

1) очистить керосин от непредельных углеводородов методом однократной экстракции и определить степень экстрагирования;

2) очистить керосин от непредельных углеводородов методом дробной экстракции и определить степень экстрагирования;

3) провести качественную реакцию на непредельные углеводороды неочищенного керосина, керосина, очищенного методом однократной и дробной экстракции.

 

Методика работы: Однократная экстракция

20 см ³ керосина налить в предварительно взвешенную с пробкой коническую колбу. Закрытую пробкой колбу с керосином взвесить на аналитических весах и определить массу керосина. Керосин перелить в колбу 1 (рис. 18) и добавить 6 см ³ концентрированной серной кислоты. Плотно закрыть колбу 1 гидрозатвором 2 и осторожно перемешивать в течение 10 мин. Затем смесь перелить в делительную воронку, дать отстояться в течение 3-5 мин и удалить нижний (кислотный) слой через кран воронки. Керосин из делительной воронки слить в предварительно взвешенный с пробкой сухой бюкс. Закрытый бюкс с керосином взвесит на аналитических весах.

 

Рис. 18. Прибор для выделения непредельных углеводородов из керосина: 1 – круглодонная колба; 2 – гидрозатвор

 

Дробная экстракция

20 см ³ керосина налить в предварительно взвешенную с пробкой колбу. Закрытую пробкой колбу с керосином взвесить на аналитических весах и определить массу керосина. Керосин перелить в колбу 1 (рис. 18) и добавить 2 см ³ концентрированной серной кислоты. Плотно закрыть колбу 1 гидрозатвором 2 и осторожно перемешивать в течение 10 мин. Перелить смесь в делительную воронку, дать отстояться в течение 3-5 мин и удалить нижний (кислотный) слой через кран воронки в заранее взвешенный с пробкой бюкс.

Перелить керосин из делительной воронки в колбу 1 и добавить 2 см ³ концентрированной серной кислоты. Плотно закрыть колбу 1 гидрозатвором 2 и осторожно перемешивать в течение 10 мин. Перелить смесь в делительную воронку, дать отстояться в течение 3-5 мин и удалить нижний (кислотный) слой через кран воронки в заранее взвешенный с пробкой бюкс.

Затем вновь перелить керосин из делительной воронки в колбу 1 и добавить еще 2 см ³ концентрированной серной кислоты. Плотно закрыть колбу 1 гидрозатвором 2 и осторожно перемешивать в течение 10 мин. Перелить смесь в делительную воронку, дать отстояться в течение 3-5 мин и удалить нижний (кислотный) слой через кран воронки в предварительно взвешенный с пробкой бюкс. Закрытый бюкс с керосином взвесит на аналитических весах.

 

Лабораторная работа № 3

 

Часть 1

Возгонка

Теоретическая часть

 

Помимо кристаллизации твердые органические соединения можно очищать возгонкой. Этот способ основан на свойстве некоторых веществ кристаллизоваться на охлажденной твердой поверхности из паров, минуя жидкое состояние. Вещества, которым свойственно возгоняться, лучше освобождать от примесей именно этим способом, а не перекристаллизацией, поскольку при возгонке, если вещество не склонно к окислению, потери очищаемого вещества меньше, очистка от нелетучих и механических примесей полнее и не наблюдается включение в кристаллическую структуру очищенного препарата молекул растворителя.

 

Возгонка (сублимация) – это процесс перехода кристалличе­ского вещества в парообразное, минуя жидкую стадию. Субли­мация подчиняется общим законам испарения. Обратный про­цесс – переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое, называется десублимацией. Эти процессы протекают в природе. Например, десублимация водяного пара в атмосфере, сублимация льда, образование и изменение ядер комет. Не все вещества способны возгоняться, так как даже небольшое их пе­регревание может привести к быстрому термическому разложе­нию. Поэтому сублимация не может служить универсальным ме­тодом очистки вещества. Этим способом можно хорошо очистить соединения, летучесть которых отличается от летучести загряз­няющих агентов. Возгонка дает хорошие результаты при очистке хинонов, многоядерных углеводородов, органических кислот (бензойная, салициловая и др.).

Возгонку можно проводить в фарфоровой чашке, покрытой конической воронкой (рис. 19, б).

 

Рис. 19. Возгонка веществ на часовых стеклах (а) и в фарфоровой чашке с воронкой (б):1 – фильтр с отверстиями; 2 – воронка с ватным тампоном; 3 – фарфоровая чашка; 4 – часовые стекла

 

В фарфоровую чашку помещают возгоняемое вещество и накрывают ее конической воронкой, которую закрепляют в лапке штатива. Чтобы кристаллы, образующиеся на воронке, не падали в возгоняемое вещество, между фарфоровой чашкой и воронкой прокладывают бумажный фильтр с вырезанными отверстиями. Чашку медленно и осторожно нагревают на пламени горелки таким образом, чтобы пламя не касалось дна чашки. Воронку охлаждают фильтровальной бумагой или тканью, смоченной холодной водой. Налет вещества на стенках воронки появляется через 15–20 мин. По окончании возгонки прибор после его полного охлаждения разбирают. При сублимации небольших количеств вещества можно пользоваться часовыми стеклами (рис. 19, а). Необходимо помнить, что возгоняемый препарат необходимо тонко измельчить, так как сублимация происходит только с поверхности вещества. При более высоких температурах скорость возгонки возрастает, но образующиеся мелкие кристаллы содержат значительные примеси других веществ.

 

Экспериментальная часть

 

Цель работы: очистить бензойную кислоту возгонкой.

 

Реактивы: неочищенная бензойная кислота.

Приборы и посуда: стакан, фарфоровая чашка; спиртовка или плитка; фильтровальная бумага; часовое стекло.

 

Порядок работы:

1) очистка бензойной кислоты возгонкой;

2) определение выхода очищенной бензойной кислоты;

3) определение температуры плавления очищенной бензойной кислоты.

 

Методика работы. (Работу проводить в вытяжном шкафу). Взвесить на аналитических весах ~ 2 г неочищенной бензойной кислоты. Поместить неочищенную бензойную кислоту в стакан, прикрыть стакан фарфоровой чашкой со льдом. Нагреть (слабо) стакан на плитке. Через 10-15 мин. после начала нагревания на стенках стакана появится налет вещества, который необходимо собрать в предварительно взвешенный чистый стакан. В случае если по прошествии 10-15 мин. после начала нагревания налет на стенках воронки не образуется, следует увеличить нагрев стакана. По окончании возгонки отключить плитку, охладить прибор и осторожно при помощи скальпеля перенести оставшиеся кристаллы со стенок стакана и фарфоровой чашки в стакан для сбора кристаллов. Очищенную бензойную кислоту вместе со стаканом взвесить на аналитических весах. Определить массу очищенной бензойной кислоты.

Рассчитать выход очищенной бензойной кислоты по формуле:

,

где m ₀, m ₁ – масса неочищенной и очищенной бензойной кислоты, соответственно, г.

Определяют температуру плавления очищенной бензойной кислоты.

 

Форма записи результатов

 

Масса бензойной кислоты, г	Выход бензойной кислоты, %	Температура плавления, °С
неочищенная	очищенная	по литературным данным	экспериментальное значение

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что называют возгонкой? Какое она имеет практическое значение?

2. Что выражает понятие «температура возгонки»?

3. Почему возгонку следует проводить при температуре, лежащей несколько ниже температуры возгонки?

 

Часть 2

Перекристаллизация

Теоретическая часть

 

Кристаллизация (перекристаллизация) – важный способ очистки органических веществ. Определение температуры плавления позволяет при этом легко оценить чистоту полученного вещества.

Суть метода заключается в том, что загрязненное кристаллическое вещество при нагревании растворяют в подходящем растворителе, фильтруют раствор горячим и дают выкристаллизоваться при охлаждении. Удобнее подбирать такой растворитель, чтобы в осадок выпадало основное вещество, а примеси оставались в растворе. При кристаллизации необходимо выполнение следующих условий:

- растворимость вещества должна сильно зависеть от температуры (вещество должно хорошо растворяться при нагревании и значительно хуже – при охлаждении);

- растворимость очищаемого вещества в данном растворителе должна резко отличаться от растворимости примесей;

- растворитель не должен химически взаимодействовать с очищаемым веществом;

- кристаллизацию желательно проводить в небольшом объеме растворителя, иначе очищаемое вещество не будет полностью выделяться при охлаждении.

Успех кристаллизации определяется выбором подходящего растворителя. Растворитель не должен химически реагировать с кристаллизуемым веществом. Он также должен давать с данным веществом крутую кривую растворимости (рис.20). Поскольку в большинстве случаев растворяющая способность растворителя особенно быстро возрастает вблизи температуры кипения, раствор готовят путем кипячения с обратным холодильником.

Рис. 20. Кривая растворимости (растворитель – вода).

 

Требования к растворителю настолько сложны, что выбор его может быть сделан лишь эмпирически, т. е. на основе некоторых общих правил и собственного экспериментального опыта. Так, в идеальном случае растворимость подлежащего перекристаллизации вещества в данном растворителе при температуре кипения должна быть очень хорошей, а при температуре ком­натной или при 0°С, напротив, возможно меньшей. Примесь должна быть либо нерастворима при нагревании (тогда ее можно отделить фильтрованием горячего раствора), либо обладать хорошей растворимостью, чтобы она осталась в растворе и после охлаждения и выпадения чистого вещества. Температура кипения растворителя должна лежать на 10-15°С ниже предполагаемой температуры плавления перекристаллизуемого вещества; это позволяет избежать выделения вещества в виде масла. Загрязненное вещество обычно имеет большую растворимость, чем чистое, поэтому не надо удивляться существенным различиям растворимости неочищенного и чистого вещества.

Так