Качественный элементарный анализ органических соединений. Качественный анализ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Утверждено на заседании

кафедры химии

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

«КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ»

Ростов-на-Дону, 2004

УДК 543.257(07)

Методические указания к лабораторной работе «Качественный анализ органических соединений». – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2004. – 8 с.

В указаниях даются сведения об особенностях анализа органических соединений, способах обнаружения углерода, водорода, азота, серы и галогенов.

Методические указания предназначены для работы со студентами специальности 1207 дневной и заочной форм обучения.

Составитель: Е.С. Ягубьян

Редактор Н.Е. Гладких

Темплан 2004 г., поз.175

Подписано в печать 20.05.04. Формат 60х84/16

Бумага писчая. Ризограф. Уч.- изд. л. 0,5. Тираж 50 экз. Заказ 163.

__________________________________________________________________

Редакционно – издательский центр

Ростовского государственного строительного университета.

344022, Ростов – на – Дону, ул. Социалистическая, 162

 Ростовский государственный

строительный университет, 2004

Техника безопасности при работе в лаборатории органической химии

1. Перед началом работы необходимо ознакомиться со свойствами применяемых и получаемых веществ, уяснить все операции опыта.

2. Приступать к работе можно только с разрешения преподавателя.

3. Во время нагревания жидкостей или твердых веществ не направляйте отверстие посуды на себя или на соседей; не заглядывайте в посуды сверху, так как в случае возможного выброса нагретого вещества может произойти несчастный случай.

4. С концентрированными и дымящимися кислотами работайте в вытяжном шкафу.

5. Аккуратно вносите в пробирку концентрированные кислоты и щелочи, остерегайтесь пролить их на руки, одежду, стол. Если кислота или щелочь попала на кожу или одежду, быстро большим количеством воды смойте их и обратитесь за помощью к преподавателю.

6. Если на кожу попадает разъедающее органическое вещество, то промывание водой в большинстве случаев бесполезно. Следует промывать подходящим растворителем (спиртом, ацетоном). Применять растворитель нужно по возможности быстро и в большом количестве.

7. Излишек взятого реактива не всыпать и не вливать обратно в склянку, из которой он был взят.

Качественный анализ позволяет установить, какие элементы входят в состав исследуемого вещества. В состав органических соединений всегда входят углерод и водород. Многие органические соединения содержат в своем составе кислород и азот, несколько реже встречаются галоиды, сера, фосфор. Перечисленные элементы образуют группу элементов – органогенов, чаще всего встречающихся в молекулах органических веществ. Однако в органических соединениях может содержаться практически любой элемент периодической системы. Так, например, в лецитинах и фосфатидах (составных частях клеточного ядра и нервной ткани) – фосфор; в гемоглобине – железо; в хлорофилле – магний; в синей крови некоторых моллюсков – комплексно связанная медь.

Качественный элементный анализ состоит в качественном определении элементов, входящих в состав органического соединения. Для этого сначала разрушают органическое соединение, затем превращают определяемые элементы в простые неорганические соединения, которые могут быть изучены известными аналитическими методами.

Элементы, входящие в состав органических соединений, при качественном анализе, как правило, претерпевают следующие превращения:

С СО 2 ; Н Н 2 О; N – NН 3 ; СI – СI - ; S SО 4 2- ; Р РО 4 2- .

Первой пробой исследования неизвестного вещества для проверки на принадлежность его к классу органических веществ является прокаливание. Очень многие органические вещества при этом чернеют, обугливаются, выявляя таким образом углерод, входящий в их состав. Иногда обугливание наблюдается при действии водоотнимающих веществ (например, концентрированной серной кислоты и т.д.). Особенно резко такое обугливание проявляется при нагревании. Коптящее пламя свечи, горелки – примеры обугливания органических соединений, доказывающие наличие углерода.

При всей своей простоте проба на обугливание является только вспомогательным, ориентировочным приемом и имеет ограниченное применение: ряд веществ нельзя обугливать обычным путем. Некоторые вещества, например, спирт и эфир, уже при слабом нагревании испаряются раньше, чем успеют обуглиться; другие, например мочевина, нафталин, фталевый ангидрид, возгоняются раньше обугливания.

Универсальным способом открытия углерода в любом органическом соединении не только в твердом, но также в жидком и газообразном агрегатном состояниях, является сжигание вещества с оксидом меди (П). При этом углерод окисляется с образованием углекислого газа СО 2 , который обнаруживается по помутнению известковой или баритовой воды.

Исследование органического вещества начинается с его выделения и очистки.

1. Осаждение

Осаждение – выделение одного из соединений газовой или жидкой смеси веществ в осадок, кристаллический или аморфный. Метод основан на изменении условий сольватации.Сильно понизить влияние сольватации и выделить твердое вещество в чистом виде можно несколькими методами.

Один из них состоит в том, что конечный (часто говорят – целевой) продукт переводится в солеобразное соединение (простую или комплексную соль), если только он способен к кислотно-основному взаимодействию или же комплексообразованию. Так, например, амины могут быть переведены в замещенные соли аммония:

(CH 3) 2 NH + HCl -> [(CH 3) 2 NH 2 ] + Cl – ,

а карбоновые, сульфоновые, фосфоновые и другие кислоты – в соли действием соответствующих щелочей:

CH 3 COOH + NaOH -> CH 3 COO – Na + + H 2 O;

2CH 3 SO 2 OH + Ba(OH) 2 -> Ba 2+ (CH 3 SO 2 O) 2 – + H 2 O;

CH 3 P(OH) 2 O + 2AgOH -> Ag(CH 3 PO 3) 2– + 2H 2 O.

Соли как ионные соединения растворяются только в полярных растворителях (H 2 O, ROH, RCOOH и т.д.).Чем лучше такие растворители вступают в донорно-акцепторные взаимодействия с катионами и анионами соли, тем больше энергия, выделяющаяся при сольватации, и выше растворимость. В неполярных растворителях, таких, как углеводороды, петролейный эфир (легкий бензин), CHCl 3 , CCl 4 и т.п., соли не растворяются и кристаллизуются (высаливаются) при добавлении этих или подобных растворителей в раствор солеобразных соединений. Из солей соответствующие основания или кислоты могут быть легко выделены в чистом виде.

Альдегиды и кетоны неароматической природы, присоединяя гидросульфит натрия, кристаллизуются из водных растворов в виде малорастворимых соединений.

Например, ацетон (CH 3) 2 CO из водных растворов кристаллизуется гидросульфитом натрия NaHSO 3 в виде малорастворимого гидросульфитного производного:

Альдегиды легко конденсируются с гидроксиламином с выделением молекулы воды:

Образующиеся при этом продукты называют оксимами .Они представляют собой жидкости или твердые вещества.Оксимы имеют слабокислотный характер, проявляющийся в том, что водород гидроксильной группы может замещаться металлом, и в то же время – слабоосновный характер, т.к.оксимы соединяются с кислотами, образуя соли типа солей аммония.

При кипячении с разбавленными кислотами происходит гидролиз, при этом освобождается альдегид и образуется соль гидроксиламина:

Таким образом, гидроксиламин является важным реактивом, дающим возможность выделять альдегиды в форме оксимов из смесей с другими веществами, с которыми гидроксиламин не реагирует.Оксимы могут использоваться также для очистки альдегидов.

Подобно гидроксиламину с альдегидами реагирует гидразин H 2 N–NH 2 ; но т.к.в молекуле гидразина две группы NH 2 ,она может реагировать с двумя молекулами альдегида.Вследствие этого обычно применяют фенилгидразин С 6 Н 5 –NH–NH 2 , т.е. продукт замещения одного водородного атома в молекуле гидразина фенильной группой C 6 H 5:

Продукты взаимодействия альдегидов с фенилгидразином называют фенилгидразонами .Фенилгидразоны бывают жидкими и твердыми, хорошо кристаллизуются. При кипячении с разбавленными кислотами подобно оксимам подвергаются гидролизу, в результате которого образуется свободный альдегид и соль фенилгидразина:

Таким образом, фенилгидразин, подобно гидроксиламину, может служить для выделения и очистки альдегидов.

Иногда для этой цели применяется другое производное гидразина, в котором водородный атом замещен не фенильной группой, а группой H 2 N–CO. Такое производное гидразина называется семикарбазидом NH 2 –NH–CO–NH 2 . Продукты конденсации альдегидов с семикарбазидом называют семикарбазонами :

Кетоны также легко конденсируются с гидроксиламином, образуя кетоксимы:

С фенилгидразином кетоны дают фенилгидразоны:

а с семикарбазидом – семикарбазоны:

Поэтому гидроксиламин, фенилгидразин и семикарбазид применяются для выделения кетонов из смесей и для их очистки в той же мере, как и для выделения и очистки альдегидов.Отделить альдегиды от кетонов этим способом, конечно, нельзя.

Алкины с концевой тройной связью взаимодействуют с аммиачным раствором Ag 2 O и выделяются в виде алкинидов серебра, например:

2(OH) – + HC=CH -> Ag–C=C–Ag + 4NH 3 + 2H 2 O.

Исходные альдегиды, кетоны, алкины могут быть легко выделены из малорастворимых продуктов замещения в чистом виде.

2. Кристаллизация

Кристаллизационные методы разделения смесей и глубокой очистки веществ основаны на различии состава фаз, образующихся при частичной кристаллизации расплава, раствора, газовой фазы. Важная характеристика этих методов – равновесный, или термодинамический, коэффициент разделения, равный отношению концентраций компонентов в равновесных фазах – твердой и жидкой (или газовой):

где x и y – мольные доли компонента в твердой и жидкой (или газовой) фазах соответственно. Если x << 1, т.е. разделяемый компонент является примесью, k 0 = x / y . В реальных условиях равновесие обычно не достигается; степень разделения при однократной кристаллизации называется эффективным коэффициентом разделения k , который всегда меньше k 0 .

Существует несколько методов кристаллизации.

При разделении смесей методом направленной кристаллизации контейнер с исходным раствором медленно передвигается из зоны нагрева в зону охлаждения.На границе зон происходит кристаллизация, фронт которой перемещается со скоростью движения контейнера.

Для разделения компонентов с близкими свойствами применяется зонная плавка очищаемых от примесей слитков в удлиненном контейнере, медленно движущемся вдоль одного или нескольких нагревателей.Участок слитка в зоне нагрева плавится, а на выходе из нее вновь кристаллизуется.Этот метод обеспечивает высокую степень очистки, но малопроизводителен, поэтому применяется, главным образом, для очистки полупроводниковых материалов (Ge, Si и др.).

Противоточная колонная кристаллизация производится в колонне, в верхней части которой имеется зона охлаждения, где образуются кристаллы, а в нижней – зона нагрева, где кристаллы плавятся.Кристаллы в колонне перемещаются под действием силы тяжести или с помощью, например, шнека в направлении, противоположном движению жидкости.Метод характеризуется большой производительностью и высоким выходом очищенных продуктов.Он применяется в производстве чистого нафталина, бензойной кислоты, капролактама, фракций жирных кислот и др.

Для разделения смесей, сушки и очистки веществ в системе твердое тело–газ используются сублимация (возгонка) идесублимация .

Сублимация характеризуется большим различием условий равновесия для разных веществ, что обеспечивает возможность разделения многокомпонентных систем, в частности, при получении веществ высокой степени чистоты.

3. Экстракция

Экстракция – метод разделения, основанный на избирательном извлечении одного или нескольких компонентов анализируемой смеси при помощи органических растворителей – экстрагентов.Как правило, под экстракцией понимают процесс распределения растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами, хотя в общем случае одна из фаз может быть твердой (экстракция из твердых веществ) или газообразной.Поэтому более точное название метода – жидкостно-жидкостная экстракция, или просто жидкостная экстракция .Обычно в аналитической химии применяют экстракцию веществ из водного раствора при помощи органических растворителей.

Распределение вещества X между водной и органической фазами в условиях равновесия подчиняется закону равновесия распределения. Константа этого равновесия, выражаемая как отношение между концентрациями веществ в двух фазах:

K = [X] орг /[X] водн,

при данной температуре есть величина постоянная, зависящая только от природы вещества и обоих растворителей.Эту величину называют константой распределения .Приближенно ее можно оценить по отношению растворимостей вещества в каждом из растворителей.

Фазу, в которую после жидкостной экстракции перешел экстрагируемый компонент, называют экстрактом ; фазу, обедненную этим компонентом, – рафинатом .

В промышленности наиболее распространена противоточная многоступенчатая экстракция.Необходимое число ступеней разделения составляет обычно 5–10, а для трудно разделяемых соединений – до 50–60.Процесс включает ряд типовых и специальных операций.К первым относится собственно экстракция, промывка экстракта (для уменьшения содержания в нем примесей и удаления механически захваченного исходного раствора) и реэкстракция , т.е.обратный перевод экстрагированного соединения в водную фазу с целью его дальнейшей переработки в водном растворе или повторной экстракционной очистки.Специальные операции связаны, например, с изменением степени окисления разделяемых компонентов.

Одноступенчатую жидкостную экстракцию, эффективную лишь при очень высоком значении константы распределения K , применяют преимущественно для аналитических целей.

Аппараты для жидкостной экстракции – экстракторы – могут быть с непрерывным (колонны) или ступенчатым (смесители-отстойники) контактом фаз.

Поскольку в ходе экстракции необходимо интенсивно перемешивать две несмешивающиеся жидкости, применяют преимущественно следующие виды колонн: пульсационные (с возвратно-поступательным движением жидкости), вибрационные (с вибрирующим пакетом тарелок), роторно-дисковые (с вращающимся на общем валу пакетом дисков) и т.д.

Каждая ступень смесителя-отстойника имеет смесительную и отстойную камеры.Смешение может быть механическим (мешалки) или пульсационным; многоступенчатость достигается соединением необходимого числа секций в каскад.Секции могут собираться в общем корпусе (ящичные экстракторы).Смесители-отстойники имеют преимущество перед колоннами в процессах с малым числом ступеней или с очень большими потоками жидкостей.Для переработки больших потоков перспективны центробежные аппараты.

Преимуществами жидкостной экстракции являются низкие энергетические затраты (отсутствуют фазовые переходы, требующие подвода энергии извне); возможность получения особо чистых веществ; возможность полной автоматизации процесса.

Жидкостная экстракция применяется, например, для выделения легких ароматических углеводородов из нефтяного сырья.

Экстракция вещества растворителем из твердой фазы часто используется в органической химии для извлечения природных соединений из биологических объектов: хлорофилла из зеленого листа, кофеина из кофейной или чайной массы, алкалоидов из растительного сырья и др.

4. Перегонка и ректификация

Перегонка и ректификация – важнейшие методы разделения и очистки жидких смесей, основанные на различии в составах жидкости и образующегося из нее пара.

Распределение компонентов смеси между жидкостью и паром определяется значением относительной летучести α:

αik = (y i / x i ) : (y k / x k ),

где x i и x k ,y i и y k – мольные доли компонентов i и k соответственно в жидкости и образующемся из нее паре.

Для раствора, состоящего из двух компонентов,

где x и y – мольные доли летучего компонента в жидкости и паре соответственно.

Перегонка (дистилляция) осуществляется путем частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара.В результате перегонки отогнанная фракция – дистиллят – обогащается более летучим (низкокипящим) компонентом, а неотогнанная жидкость – кубовый остаток – менее летучим (высококипящим).Перегонку называют простой, если из исходной смеси отгоняется одна фракция, и фракционной (дробной), если отгоняется несколько фракций.При необходимости снижения температуры процесса применяют дистилляцию с водяным паром или инертным газом, барботирующими через слой жидкости.

Различают обычную и молекулярную дистилляцию.Обычную дистилляцию проводят при таких давлениях, когда длина свободного пробега молекул во много раз меньше, чем расстояние между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара.Молекулярную дистилляцию проводят при очень низком давлении (10 –3 – 10 –4 мм рт. ст.), когда расстояние между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара соизмеримо с длиной свободного пробега молекул.

Обычную дистилляцию применяют для очистки жидкостей от малолетучих примесей и для разделения смесей компонентов, существенно отличающихся по величине относительной летучести.Молекулярную дистилляцию применяют для разделения и очистки смесей малолетучих и термически нестойких веществ, например при выделении витаминов из рыбьего жира, растительных масел.

Если относительная летучесть α невелика (близкокипящие компоненты), то разделение смесей проводят методом ректификации.Ректификация – разделение жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, отличающиеся температурами кипения. Для ректификации обычно используются колонные аппараты, в которых часть конденсата (флегма) возвращается на орошение в верхнюю часть колонны.При этом осуществляется многократный контакт между потоками жидкой и паровой фаз.Движущая сила ректификации – разность между фактическими и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы.Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, а жидкость – труднолетучими (высококипящими).Поскольку жидкость и пар движутся навстречу друг другу (противоток), при достаточной высоте колонны в ее верхней части может быть получен почти чистый легколетучий компонент.

Ректификация может осуществляться при атмосферном или повышенном давлении, а также в условиях вакуума.При пониженном давлении снижается температура кипения и повышается относительная летучесть компонентов, что уменьшает высоту ректификационной колонны и позволяет разделять смеси термически нестойких веществ.

По конструкции ректификационные аппараты подразделяются на насадочные , тарельчатые и роторно-пленочные .

Ректификация широко применяется в промышленности для получения бензина, керосина (ректификация нефти), кислорода и азота (низкотемпературная ректификация воздуха), для выделения и глубокой очистки индивидуальных веществ (этанол, бензол и др.).

Поскольку органические вещества, в основном, термически неустойчивы, для их глубокой очистки используются, как правило,насадочные ректификационные колонны , работающие в вакууме.Иногда для получения особо чистых органических веществ используют роторно-пленочные колонны, обладающие весьма низким гидравлическим сопротивлением и малым временем пребывания в них продукта.Как правило, ректификацию в этом случае проводят в вакууме.

Ректификацию широко применяют в лабораторной практике для глубокой очистки веществ.Отметим, что перегонка и ректификация служат в то же время для определения температуры кипения исследуемого вещества, а, следовательно, дают возможность убедиться в степени чистоты последнего (постоянство температуры кипения).Для этой цели используют также специальные устройства – эбулиометры.

5.Хроматография

Хроматография – это метод разделения, анализа и физико-химического исследования веществ. Он основан на различии в скоростях движения концентрационных зон исследуемых компонентов, которые перемещаются в потоке подвижной фазы (элюента) вдоль слоя неподвижной, причем исследуемые соединения распределены между обеими фазами.

В основе всех многообразных методов хроматографии, начало которым положил М.С.Цвет в 1903 г., лежит адсорбция из газовой или жидкой фазы на твердой или жидкой поверхности раздела фаз.

В органической химии широко используются с целью разделения, очистки и идентификации веществ следующие типы хроматографии: колоночная (адсорбционная); бумажная (распределительная), тонкослойная (на специальной пластинке), газовая, жидкостная и газожидкостная.

В этих разновидностях хроматографии в контакт вступают две фазы – одна неподвижная, адсорбирующая и десорбирующая определяемое вещество, а другая – подвижная, выступающая в виде носителя этого вещества.

Обычно неподвижная фаза представляет собой сорбент с развитой поверхностью; подвижная фаза – газ (газовая хроматография) или жидкость (жидкостная хроматография) .Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль этого слоя.В газожидкостной хроматографии подвижной фазой служит газ, а неподвижной – жидкость, нанесенная обычно на твердый носитель.

Гель-проникающая хроматография – вариант жидкостной, где неподвижной фазой служит гель. (Метод позволяет разделять высокомолекулярные соединения и биополимеры в большом диапазоне молекулярных масс.) Различие в равновесном или кинетическом распределении компонентов между подвижной и неподвижной фазами – необходимое условие их хроматографического разделения.

В зависимости от цели проведения хроматографического процесса различают аналитическую и препаративную хроматографию.Аналитическая предназначена для определения качественного и количественного состава исследуемой смеси.

Хроматографию осуществляют обычно с помощью специальных приборов – хроматографов , основными частями которых являются хроматографическая колонка и детектор.В момент ввода пробы анализируемая смесь расположена в начале хроматографической колонки.Под действием потока подвижной фазы компоненты смеси начинают перемещаться вдоль колонки с различными скоростями, причем хорошо сорбируемые компоненты передвигаются вдоль слоя сорбента медленнее.Детектор на выходе из колонки автоматически непрерывно определяет концентрации разделенных соединений в подвижной фазе.Сигнал детектора, как правило, регистрируется самописцем.Полученная диаграмма называется хроматограммой .

Препаративная хроматография включает разработку и применение хроматографических методов и аппаратуры для получения особо чистых веществ, содержащих не более 0,1 % примесей.

Особенностью препаративной хроматографии является использование хроматографических колонн с большим внутренним диаметром и специальных устройств для выделения и сбора компонентов.В лабораториях на колонках диаметром 8–15 мм выделяют 0,1–10 граммов вещества, на полупромышленных установках с колоннами диаметром 10–20 см – несколько килограммов.Созданы уникальные промышленные приборы с колоннами диаметром 0,5 м для получения нескольких тонн вещества ежегодно.

Потери вещества в препаративных колоннах малы, что позволяет широко использовать препаративную хроматографию для разделения небольших количеств сложных синтетических и природных смесей.Газовая препаративная хроматография используется для получения особо чистых углеводородов, спиртов, карбоновых кислот и других органических соединений, в том числе хлорсодержащих; жидкостная – для получения лекарственных средств, полимеров с узким молекулярно-массовым распределением, аминокислот, белков и т.д.

В некоторых работах утверждается, что себестоимость продуктов высокой степени чистоты, полученных хроматографически, ниже, чем очищенных дистилляцией.Следовательно, целесообразно применять хроматографию для тонкой очистки веществ, предварительно разделенных ректификацией.

2.Элементный качественный анализ

Качественный элементный анализ - это совокупность методов, позволяющих установить, из каких элементов состоит органическое соединение. Для определения элементного состава органическое вещество предварительно путем окисления или минерализации (сплавлением со щелочными металлами) превращают в неорганические соединения, которые затем исследуют обычными аналитическими методами.

Громадным достижением А. Л. Лавуазье как химика-аналитика было создание элементного анализа органических веществ (так называемого СН-анализа).К этому времени уже существовали многочисленные методики гравиметрического анализа неорганических веществ (металлов, минералов и т.п.), но анализировать таким образом органические вещества еще не умели. Аналитическая химия того времени явно «хромала на одну ногу»; к сожалению, относительное отставание анализа органических соединений и особенно отставание теории такого анализа чувствуется даже сегодня.

Занявшись проблемами органического анализа, А. Л. Лавуазье, прежде всего, показал, что в состав всех органических веществ входят кислород и водород, очень многие содержат азот, а в составе некоторых есть сера, фосфор или другие элементы.Теперь надо было создать универсальные методики количественного определения этих элементов, прежде всего методики точного определения углерода и водорода.Для достижения этой цели А. Л. Лавуазье предложил сжигать навески исследуемого вещества и определять количество выделяющегося углекислого газа (рис. 1). При этом он основывался на двух своих наблюдениях: 1) углекислый газ образуется при сгорании любого органического вещества; 2) в исходных веществах углекислый газ не содержится, он образуется из углерода, входящего в состав любого органического вещества. Первыми объектами анализа стали легколетучие органические вещества - индивидуальные соединения типа этанола.

Рис. 1. Первый прибор А. Л. Лавуазье для анализа органических

веществ методом сжигания

Чтобы гарантировать чистоту эксперимента, высокую температуру обеспечивало не какое-либо топливо, а солнечные лучи, сфокусированные на навеске громадной линзой.Навеска сгорала в герметично закрытой установке (под стеклянным колоколом) в известном количестве кислорода, выделяющийся углекислый газ поглощали и взвешивали.Массу воды определяли косвенным методом.

Для элементного анализа малолетучих соединений А. Л. Лавуазье позднее предложил более сложные методики. В этих методиках одним из источников кислорода, необходимого для окисления пробы, стали оксиды металлов, с которыми заранее смешивали сжигаемую пробу (например, оксид свинца(IV)). Такой подход позднее использовали во многих методиках элементного анализа органических веществ, обычно он давал хорошие результаты. Однако методики СН-анализа по Лавуазье были слишком длительными, к тому же не позволяли достаточно точно определять содержание водорода: прямое взвешивание образовавшейся воды не проводилось.

Методика СН-анализа в 1814 г. была усовершенствована великим шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом.Теперь навеску сжигали не под стеклянным колпаком, а в нагреваемой извне горизонтальной трубке, через которую пропускали воздух или кислород.К навеске добавляли соли, облегчающие процесс сгорания.Выделяющуюся воду поглощали твердым хлоридом кальция и взвешивали.Французский исследователь Ж. Дюма дополнил эту методику волюмометрическим определением выделяющегося азота (СНN-анализ).Методика Лавуазье-Берцелиуса была еще раз усовершенствована Ю. Либихом, который добился количественного и селективного поглощения углекислого газа в изобретенном им шариковом поглотителе (рис. 2.).

Рис. 2. Аппарат Ю. Либиха для сжигания органических веществ

Это позволило резко сократить сложность и трудоемкость СН-анализа, а самое главное - повысить его точность.Таким образом, Ю. Либих через полвека после А. Л. Лавуазье закончил начатую великим французским ученым разработку гравиметрического анализа органических веществ.Применяя свои методики, Ю. Либих к 1840-м гг.выяснил точный состав множества органических соединений (например, алкалоидов) и доказал (вместе с Ф. Велером) факт существования изомеров.Эти методики в течение многих лет оставались фактически неизменными, их точность и универсальность обеспечили быстрое развитие органической химии во второй половине XIX в. Дальнейшие усовершенствования в области элементного анализа органических веществ (микроанализ) появились лишь в начале XX в. Соответствующие исследования Ф. Прегля были удостоены Нобелевской премии (1923).

Интересно, что результаты количественного анализа какого-либо индивидуального вещества и А. Л. Лавуазье, и Ю.Либих стремились подтвердить встречным синтезом того же вещества, обращая внимание на количественные соотношения реагентов при синтезе. А. Л. Лавуазье отмечал, что у химии есть вообще два способа определить состав какого-либо вещества: синтез и анализ, и не следует считать себя удовлетворенным, пока не удастся использовать для проверки оба эти способа. Это замечание особенно важно для исследователей сложных органических веществ.Их достоверная идентификация, выявление структуры соединений сегодня, как и во времена Лавуазье, требуют правильного сочетания аналитических и синтетических методов.

Обнаружение углерода и водорода.

Метод основан на реакции окисления органического вещества порошком меди (II) оксида.

В результате окисления углерод, входящий в состав анализируемого вещества, образует углерода (IV) оксид, а водород - воду. Качественно углерод определяют по образованию белого осадка бария карбоната при взаимодействи и углерода (IV) оксида с баритовой водой. Водород обнаруживают по образованию кристаллогидрата Си804-5Н20 синего цвета.

Методика выполнения.

В пробирку 1 (рис. 2.1) помещают порошок меди (II) оксида на высоту 10 мм, добавляют равное количество органического вещества и тщательно перемешивают. В верхнюю часть пробирки 1 помещают не большой комочек ваты, на который тонким слоем насыпают белый порошок без водного меди (II) сульфата. Пробирку 1 закрывают пробкой с газоотводной трубкой 2 так, чтобы один ее конец почти касался ваты, а второй - погружают в пробирку 3 с 1 мл баритовой воды. Осторожно нагревают в пламени горелки сначала верхний слой смеси вещества с меди (II) оксидом, затем - нижний

Рис. 3 Открытие углерода и водорода

При наличии углерода наблюдают помутнение баритовой воды, обусловленное образованием осадка бария карбоната. После появления осадка пробирку 3 удаляют, а пробирку 1 продолжают нагревать до тех пор, пока пары воды не достигнут без водного меди (II) сульфата. В присутствии воды наблюдают изменение окраски кристаллов меди (II) сульфата вследствие образования кристаллогидрата CuSO4*5H2O

Обнаружение галогенов. Проба Бейлыитейна.

Метод обнаружения атомов хлора, брома и йода в органических соединениях основан на способности меди (II) оксида при высокой температуре разлагать галогенсодержащие органические соединения с образованием меди (II) галогенидов.

Анализируемую пробу наносят на конец предварительно прокаленной медной проволоки и нагревают в несветящемся пламени горелки.При наличии в пробе галогенов образующиеся меди (II) галогениды восстанавливаются до меди (I) галогенидов, которые, испаряясь, окрашивают пламя в сине-зеленый (СиС1, СиВг) или зеленый (ОД) цвет.Фторорганические соединения не окрашивают пламя меди (I) фторид нелетуч.Реакция неизбирательна в связи с тем, что определению мешают нитрилы, мочевина, тиомочевина, отдельные производные пиридина, карбоно-вые кислоты, ацетилацетон и др.При наличии щелочных и щелочноземельных металлов пламя рассматривают через синий светофильтр.

Обнаружение азота , серы и галогенов . «Проба Лассеня»

Метод основан на сплавлении органического вещества с металлическим натрием. При сплавлении азот переходит в натрия цианид, сера - в натрия сульфид, хлор, бром, йод - в соответствующие натрия галогениды.

Методика сплавления .

А. Твердые вещества.

Несколько крупинок исследуемого вещества (5-10 мг) помещают в сухую (внимание!) тугоплавкую пробирку и прибавляют не большой кусочек (величиной с рисовое зернышко) металлического натрия. Смесь осторожно нагревают в пламени горелки, равномерно прогревая пробирку, до образования однородного сплава. Необходимо следить, чтобы натрий плавился вместе с веществом. При сплавлении происходит разложение вещества. Сплавление часто сопровождается небольшой вспышкой натрия и почернением содержимого пробирки от образующихся частичек угля. Пробирку охлаждают до комнатной температуры и прибавляют 5-6 капель этилового спирта для устранения остатков металлического натрия. Убедившись, что остаток натрия прореагировал (прекращается шипение при добавлении капли спирта), в пробирку приливают 1-1,5 мл воды и нагревают раствор до кипения. Водно-спиртовый раствор фильтруют и используют для обнаружения серы, азота и галогенов.

Б. Жидкие вещества.

Тугоплавкую пробирку вертикально закрепляют на асбестовой сетке.В пробирку помещают металлический натрий и нагревают до расплавления.При появлении паров натрия по каплям вводят исследуемое вещество.Нагревание усиливают после обугливания вещества.После охлаждения содержимого пробирки до комнатной температуры его подвергают вышеприведенному анализу.

В. Легколетучие и возгоняющиеся вещества.

Смесь натрия с испытуемым веществом покрывают слоем натронной извести толщиной около 1 см, а затем подвергают вышеприведенному анализу.

Обнаружение азота. Азот качественно обнаруживают по образованию берлинской лазури (синее окрашивание).

Методика определения. В пробирку помещают 5 капель фильтрата, полученного после сплавления вещества с натрием, и добавляют 1 каплю спиртового раствора фенолфталеина. Появление малиново-красного окрашивания указывает на щелочную среду (если окраска не появилась, в пробирку добавляют 1-2 капли 5 %-ного водного раствора натрия гидроксида).При последующем добавлении 1-2 капель 10%-ного водного раствора железа (II) сульфата, обычно содержащего примесь железа (III) сульфата, образуется грязно-зеленый осадок.Пипеткой наносят 1 каплю мутной жидкости из пробирки на кусочек фильтровальной бумаги.Как только капля впиталась бумагой, на нее наносят 1 каплю 5 %-ного раствора хлороводородной кислоты.При наличии азота появляется синее пятно берлинской лазури.

Обнаружение серы.

Серу качественно обнаруживают по образованию темно-коричневого осадка свинца (II) сульфида, а также красно-фиолетового комплекса с раствором натрия нитропруссида.

Методика определения. Противоположные углы кусочка фильтровальной бумаги размером 3x3 см смачивают фильтратом, полученным при сплавлении вещества с металлическим натрием (рис. 4).

Рис. 4. Проведение пробы на сеу на квадратном листочке бумаги.

На одно из мокрых пятен, отступая 3-4 мм от его границы, наносят каплю 1 %-ного раствора свинца (II) ацетата.

На границе соприкосновения появляется темно-коричневое окрашивание, обусловленное образованием свинца (II) сульфида.

На границу другого пятна наносят каплю раствора натрия нитропруссида.На границе «вытеков» появляется интенсивное красно-фиолетовое окрашивание, постепенно изменяющее цвет.

Обнаружение серы и азота при совместном присутствии.

В ряде органических соединений, содержащих азот и серу, открытию азота мешает присутствие серы.В этом случае используют несколько видоизмененную методику определения азота и серы, основанную на том, что при нанесении на фильтровальную бумагу водного раствора, содержащего натрия сульфид и натрия цианид, последний распределяется по периферии мокрого пятна.Данная методика требует определенных навыков работы, что затрудняет ее применение.

Методика определения. В центр фильтровальной бумаги размером 3x3 см по каплям наносят фильтрат до образования бесцветного мокрого пятна диаметром около 2 см.

Рис. 5.Обнаружение серы и азота при совместном присутствии.1 - капля раствора железа (II) сульфата;2 - капля раствора свинца ацетата; 3 - капля раствора натрия нитропруссида

В центр пятна (рис. 5) наносят 1 каплю 5 %-ного раствора железа (II) сульфата.После того как капля впитается, в центр наносят 1 каплю 5 %-ного раствора хлороводородной кислоты.При наличии азота появляется синее пятно берлинской лазури.Затем по периферии мокрого пятна наносят 1 каплю 1%-ного раствора свинца (II) ацетата, а на противоположной стороне пятна - 1 каплю раствора натрия нитропруссида.Если присутствует сера, в первом случае на месте соприкосновения «вытеков» появится темно-коричневое пятно, во втором случае - пятно красно-фиолето-вового цвета.Уравнения реакций приведены выше.

Ион фтора обнаруживают по обесцвечиванию или желтому окрашиванию ализаринциркониевой индикаторной бумаги после подкисления пробы Лассеня уксусной кислотой.

Обнаружение галогенов с помощыю нитрата серебра. Галогены обнаруживают в виде галогенид-ионов по образованию хлопьевидных осадков серебра галогенидов различного цвета: серебра хлорид - белый, темнеющий на свету осадок; серебра бромид - бледно-желтый; серебра йодид - осадок интенсивно-желтого цвета.

Методика определения. К 5-6 каплям фильтрата, полученного после сплавления органического вещества с натрием, добавляют 2-3 капли разбавленной азотной кислоты.Если вещество содержит серу и азот, раствор кипятят в течение 1-2 мин для удаления сероводорода и синильной кислоты, которые мешают определению галогенов.Затем прибавляют 1-2 капли 1 \%-ного раствора серебра нитрата.Появление белого осадка свидетельствует о присутствии хлора, бледно-желтого - брома, желтого - йода.

Если необходимо уточнить, присутствует бром или йод, надо осуществить следующие реакции:

1. К 3-5 каплям фильтрата, полученного после сплавления вещества с натрием, добавляют 1-2 капли разбавленной серной кислоты, 1 каплю 5 %-ного раствора натрия нитрита или 1%-ного раствора железа (III) хлорида и 1 мл хлороформа.

При взбалтывании в присутствии йода хлороформный слой окрашивается в фиолетовый цвет.

2. К 3-5 каплям фильтрата, полученного после сплавления вещества с натрием, добавляют 2-3 капли разведенной хлороводородной кислоты, 1-2 капли 5 \%-ного раствора хлорамина и 1 мл хлороформа.

В присутствии брома хлороформный слой окрашивается в желто-бурый цвет.

В. Открытие галогенов по методу Степанова. Основано на переводе ковалентносвязанного галогена в составе органического соединения в ионное состояние действием металлического натрия в спиртовом растворе.

Обнаружение фосфора. Один из методов обнаружения фосфора основан на окислении органического вещества магния оксидом.Органически связанный фосфор переходит в фосфат-ион, который затем обнаруживают реакцией с молибденовой жидкостью.

Методика определения. Несколько крупинок вещества (5-10 мг) смешивают с двойным количеством магния оксида и озоляют в фарфоровом тигле сначала при умеренном, а затем при сильном нагревании.После охлаждения золу растворяют в концентрированной азотной кислоте, 0,5 мл полученного раствора переносят в пробирку, добавляют 0,5 мл молибденовой жидкости и нагревают.

Появление желтого осадка аммония фосфоромолибдата указывает на присутствие в составе органического вещества фосфора

3. Качественный анализ по функциональным группам

Основан на селективных реакциях функциональных групп (Смотрите презентацию по теме).

При этом используются селективные реакции осаждения, комплексообразования, разложения с выделением характерных продуктов реакции и другие. Примеры таких реакций представлены в презентации.

Интересным является то, что можно использовать образование органических соединений, известных, как органические аналитические реагенты, для группового обнаружения и идентификации. Например, аналоги диметилглиоксима взаимодействуют с никелем и палладием, а нитрозо-нафтолы и нитрозофенолы с кобальтом, железом и палладием. Эти реакции можно использовать для обнаружения и идентификации (Смотрите презентацию по теме).

4. Идентификация.

Определение степени чистоты органических веществ

Наиболее распространенным методом определения степени чистоты вещества является измерение температуры кипения при перегонке и ректификации, чаще всего используемых для очистки органических веществ.Для этого жидкость помещают в перегонную колбу (круглодонная колба с припаянной к шейке отводной трубкой), которую закрывают пробкой с вставленным в нее термометром и соединяют с холодильником.Шарик термометра должен находиться немного выше отверстия боковой трубки, через которую выходит пар.Шарик термометра, будучи погруженным в пар кипящей жидкости, принимает температуру этого пара, которую можно прочесть на шкале термометра.Если температура кипения жидкости выше 50 °С, необходимо верхнюю часть колбы закрыть теплоизоляцией.Одновременно необходимо с помощью барометра-анероида зафиксировать атмосферное давление и, в случае необходимости, сделать поправку.Если перегоняют химически чистый продукт, температура кипения остается постоянной в течение всего времени перегонки.Если же перегоняют загрязненное вещество, температура во время перегонки повышается по мере того, как удаляется более низкокипящая примесь.

Другим часто применяемым способом определения степени чистоты вещества является определение температуры плавления .Для этой цели небольшое количество исследуемого вещества помещают в запаянную с одного конца капиллярную трубочку, которую прикрепляют к термометру так, чтобы вещество находилось на одном уровне с шариком термометра.Термометр с прикрепленной к нему трубочкой с веществом погружают в какую-нибудь высококипящую жидкость, например глицерин, и медленно нагревают на слабом огне, наблюдая за веществом и за повышением температуры.Если вещество чистое, момент плавления легко заметить, т.к.вещество плавится резко и содержимое трубочки сразу становится прозрачным.В этот момент отмечают показание термометра.Загрязненные вещества обычно плавятся при более низкой температуре и в широком диапазоне.

Для контроля степени чистоты вещества можно измерить плотность .Для определения плотности жидкости или твердых веществ чаще всего пользуются пикнометром .Последний в простейшей форме представляет собой колбочку, снабженную пришлифованной стеклянной пробкой с тонким внутренним капилляром, наличие которого способствует более точному соблюдению постоянства объема при заполнении пикнометра.Объем последнего, включая капилляр, находят путем взвешивания его с водой.

Пикнометрическое определение плотности жидкости сводится к простому взвешиванию ее в пикнометре.Зная массу и объем, легко найти искомую плотность жидкости.В случае твердого вещества сначала взвешивают частично заполненный им пикнометр, что дает массу взятого для исследования образца.После этого дополняют пикнометр водой (или какой-либо другой жидкостью с известной плотностью и не взаимодействующей с исследуемым веществом) и снова взвешивают.Разность обоих взвешиваний позволяет определить объем не заполненной веществом части пикнометра, а затем объем взятого для исследования вещества.Зная массу и объем, легко найти искомую плотность вещества.

Очень часто для оценки степени чистоты органического вещества измеряют показатель преломления . Значение показателя преломления обычно приводят для желтой линии в спектре натрия с длиной волны D = 589,3 нм (линия D ).

Обычно показатель преломления определяют с помощью рефрактометра .Преимуществом этого метода определения степени чистоты органического вещества является то, что для измерения показателя преломления требуется всего несколько капель исследуемого соединения.В настоящем пособии приведены рассмотренные физические свойства важнейших органических веществ.Отметим также, что универсальным методом определения степени чистоты органического вещества являетсяхроматография .Этот метод позволяет не только показать, насколько чистым является данное вещество, но и указать, какие конкретно примеси и в каком количестве в нем содержатся.

"Химия. 10 класс". О.С. Габриелян (гдз)

Качественный анализ органических соединений | Обнаружение углерода, водорода и галогенов

Опыт 1. Обнаружение углерода и водорода в органическом соединении.
Условия выполнения работы:
Собрали прибор как показано на рис. 44 учебника. Насыпали в пробирку щепотку сахара и немного оксида меди (II) СuO. Положили в пробирку, где-то на уровне две трети её небольшой ватный тампон, потом насыпали немного безводного медного купороса CuSO 4 . Закрыли пробирку пробкой с газоотводной трубкой, так, чтобы нижний её конец был опущен в другую пробирку с предварительно налитым туда гидроксидом кальция Са(ОН) 2 . Нагрели пробирку в пламени горелки. Наблюдаем выделение пузырьков газа из трубки, помутнение известковой воды и посинение белого порошка CuSO 4 .
С 12 Н 22 О 11 + 24CuO → 12CO 2 + 11H 2 O + 24Cu
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O
CuSO 4 + 5H 2 O → CuSO 4 . 5H 2 O
Вывод: В исходном веществе присутствует углерод и водород, так как получили углекислый газ и воду в результате окисления, а в окислителе CuO они не содержались.

Опыт 2. Обнаружение галогенов
Условия выполнения работы:
Взяли медную проволоку, загнутую на конце петлёй щипцами, прокалили её в пламени до образования чёрного налёта оксида меди (II) СuO. Затем остывшую проволоку окунули в раствор хлороформа и вновь внесли её в пламя горелки. Наблюдаем окрашивание пламени в голубовато-зелёный цвет, так как соли меди окрашивают пламя.
5CuO + 2CHCl 3 = 3CuCl 2 + 2CO 2 + H 2 O + 2Cu

>> Химия: Практическая работа № 1. Качественный анализ органических соединений

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Практическая работа №1

Реактивы : парафин (C 14 H 30

Оборудование :

Примечание:

2.галоген в органическом веществе можно обнаружить при помощи реакции окрашивания пламени.

Алгоритм проведения работы:

В пробирку приемник налейте известковой воды.

Соедините пробирку со смесью с пробиркой приемником газоотводной трубкой с пробкой.

Нагрейте пробирку со смесью в пламени спиртовки.

Медную проволоку прокалите в пламени спиртовки до появления на ней черного налета.

Остывшую проволоку внести в исследуемое вещество и снова внести в пламя спиртовку.

Заключение:

обратите внимание на: изменения, происходящие с известковой водой, сульфатом меди (2).

В какой цвет окрашивается пламя спиртовки при внесении исследуемого раствора.

Практическая работа №1

«Качественный анализ органических соединений».

Реактивы: парафин (C 14 H 30 ), известковая вода, оксид меди (2), дихлорэтан, сульфат меди (2).

Оборудование : металлический штатив с лапкой, спиртовка, 2 пробирки, пробка с газоотводной трубкой, медная проволока.

Примечание:

обнаружить углерод и водород в органическом веществе можно окислением его оксидом меди (2).

галоген в органическом веществе можно обнаружить при помощи реакции окрашивания пламени.

Алгоритм проведения работы:

1. этап работы: Расплавление парафина с оксидом меди

1. Соберите прибор согласно рис. 44 на стр.284, для этого в пробирку на дно поместите 1-2 г. оксида меди и парафин, нагрейте.

2. этап работы: Качественное определение углерода.

1.В пробирку приемник налейте известковой воды.

2.Соедините пробирку со смесью с пробиркой приемником газоотводной трубкой с пробкой.

3.Нагрейте пробирку со смесью в пламени спиртовки.

3. этап работы: Качественное определение водорода.

1. В верхнюю часть пробирки со смесью поместите кусочек ваты, положив на нее сульфат меди (2).

4. этап работы: Качественное определение хлора.

1.Медную проволоку прокалите в пламени спиртовки до появления на ней черного налета.

2.Остывшую проволоку внести в исследуемое вещество и снова внести в пламя спиртовку.

Заключение:

1. обратите внимание на: изменения, происходящие с известковой водой, сульфатом меди (2).

2. В какой цвет окрашивается пламя спиртовки при внесении исследуемого раствора.