Sprawozdanie

Jakub Knurek

środa, 8:00 (gr. I)

Temat: Jakościowa analiza elementarna związków organicznych.

Wstęp teoretyczny

Chemia organiczna zajmuje się związkami węgla. Dotyczy ona zarówno otrzymywania związków wskutek wyodrębnienia z materiału roślinnego lub zwierzęcego (czyli materiału organicznego; stąd drugi człon nazwy), jak i tych, które nauka pozwala uzyskać w wyniku syntezy chemicznej. Istnieją dwa bogate źródła substancji organicznych, a mianowicie ropa naftowa i węgiel kamienny. Są to paliwa kopalne, które przetrwały przez tysiąclecia w płaszczu Ziemi. Proste związki organiczne są używane jako cegiełki do budowy bardziej skompikowanych związków. W skład związków organicznych mogą wchodzić także atomy innych pierwiastków. Prócz węgla i wodoru możemy zaobserwować także tlen, azot, siarkę, halogenki, a niekiedy także fosfor i niektóre metale. Liczba związków zawierających atomy węgla jest obecnie wielokrotnie większa od liczby związków, które atomów węgla nie zawierają. Znane są cząsteczki organiczne, których budowa opiera się na setkach atomów, a nawet w stosunkowo małych cząsteczkach rozmieszczenie atomów może być skomplikowane. Wszystko to spowodowane jest przez specyficzne zdolności, charakterystyczne dla tego pierwiastka, jak możliwość łączenia w długie łańcuchy oraz układy pierścieniowe. Dodatkowo naukowcy odkryli zmienność strukturalną cząsteczek – izomerię. Występują więc różne związki o takim samym składzie sumarycznym, ale różnym wzorze strukturalnym.

Obecnie, co roku odkrywa się zastraszającą masę przeróżnych związków. Same dywagacje nad możliwością istnienia danego związku organicznego wręcz prowokuje do podjęcia badań. Podwaliny pod obecne osiągnięcia położyły teoria strukturalna oraz mechanika kwantowa. Pozwoliły one poznać zależności działające wewnątrz atomów i między nimi. Takie nazwiska jak Bohr, Einstein, Schrodinger, czy Planck stanowią kanon nowożytnej fizyki oraz chemii.

W badaniach związków organicznych stosuje się metody spektroskopowe. Polegają one na analizie widm promieniowania o określonej długości fali padającego na daną próbkę związku, który podlega badaniu. Wyróżniamy trzy metody spektroskopii: NMR (magnetyczny rezonans jądrowy), IR (spektroskopię w podczerwieni) oraz UV-vis (spektroskopię w ultrafiolecie i świetle widzialnym). Dzięki obserwacji przeskoków elektronów w obrębie cząsteczki (czyli w zależności od wzbudzenia danej cząsteczki), możemy dojść do wniosku o obecnych w niej strukturach oraz rodzajowi wiązań, danej cząsteczki.

Możemy także wyróżnić spektometrię mas, która polega przekształceniu cząsteczek w kationorodniki i rozdzieleniu ich w polu magnetycznym zależnie odd stosunku masy do ładunku. Metodą dedukcji możemy dojść do wniosku o typie budowy cząsteczki oraz obecnych w niej jej stukturach. Schematycznie można przedstawić określanie struktury badanego związku w następujących krokach: określenie czystości związku, analiza jakościowa pierwiastków, wyznaczenie wzoru empirycznego, wyznaczenie wzoru sumarycznego, wyznaczenie wzoru strukturalnego.

Ćwiczenie pierwsze – Oznaczanie temperatury topnienia

W krystalicznym ciele stałym jony i cząsteczki pełniące rolę jednostek strukturalnych, są uporządkowane w sposób bardzo regularny i symetryczny, a ich niewielki zbiór tworzy geometryczny szablon powtarzany w całym krysztale. Proces topnienia polega na zmianie tego uporządkowanego rozmieszczenia cząsteczek w sieci krystalicznej na układ bardziej spontaniczny, charakterystyczny przy stanie ciekłym. Temperatura topnienia jest specyficzną cechą – dla związków chemicznie czystych wykazuje przedział nie większy niż 1 stopień Celsjusza. Im bardziej zanieczyszczona substancja, tym wolniej się topi, ponieważ zanieczyszczenia wpływają na ten proces. Do oznaczenia temperatury topnienia użyty został aparat Thielego. Jest to urządzenie szklane, pełniące funkcję łaźni cieczowej, pozwalające na otrzymanie miarodajnych wyników. W aparacie tym ciecz ogrzewana jest w bocznym ramieniu, skąd ciepło przenoszone jest do umieszczonej w naczyniu głównym kapilary. Znajduje się tam także termometr, z którego odczytujemy wysokość temperatury.

Wykonanie: Kapilarę wypełniłem ok. 20 mg naftalenu. Umieściłem ją w gumowym pierścieniu wraz z termometrem (w taki sposób, by ich końcówki się stykały) i tak przygotowany zestaw włożyłem do aparatu Thielego. Zacząłem ogrzewanie ramienia bocznego aparatu. Po osiągnięciu 65 stopni ogrzewałem powoli, w tempie jednego stopnia na minutę. Naftalen zaczął się topić w temperaturze 74 stopni, a skończył w temperaturze 78 stopni. Zaś temperatura topnienia czystego naftalenu wynosi 80,2 stopnie Celsjusza.

Rys.1; Aparat Thielego

Wniosek: związek nie jest czysty, ponieważ jego przedział temperatury topnienia jest większy niż 1 stopień Celsjusz. Zanieczyszczenia sprawiły, że temperatura topnienia związku jest niższa niż temperatura topnienia czystego naftalenu.

Ćwiczenie drugie – Analiza jakościowa

1. Próba na obecności węgla i wodoru

Węgiel i wodór wykrywamy oznaczając je w produktach utleniania danego związku.

Wykonanie: Do probówki wprowadziłem octan sodu i CuO, każdego ok. 20 mg. Probówkę zamknąłem korkiem z rurką wygiętą pod kątem ostrym. Koniec rurki zanurzyłem w kolbie stożkowej, do której wlałem wcześniej przygotowany roztwór wodorotlenu wapnia. Następnie tak sporządzony zestaw ogrzewałem.

Obserwacje: (1) Widoczne były bąbelki gazu wynurzające się z roztworu wody wapiennej.

2. Nastąpiło mętnienie wody wapiennej (reakcja charakterystyczna).

3. Na ściankach probówki zaczęły powstawać krople cieczy.

Wniosek: (1) Zaobserwowanym gazem był dwutlenenek węgla (zaszła charakterystyczna dla tego związku reakcja(2)), co świadczy o obecności węgla w badanej substancji. Na ściankach probówki powstały krople cieczy, wody (3), co oznacza, że w badanej próbie znajduje się wodór.

Reakcje:

C + H + O -(prażyć, CuO)→ CO2 + H2O

[węgiel + wodór + tlen → dwutlenek węgla + woda]

(2) CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

[dwutlenek węgla + wodorotlenek wapnia → węglan wapnia + woda]

2. Stapianie z metalicznym sodem,

Aby wykryć inne pierwiastki należy zwiększyć reaktywność związku, dlatego wymagane jest połączenie jonowe. Otrzymujemy je właśnie poprzez stopienie badanej substancji metalicznym sodem. W roztworze wodnym wykonanym po sprażeniu pojawią się cyjanki, siarczki, halogenki sodu. Te zaś można wykryć metodami stosowanymi podczas analizy nieorganicznej.

Wykonanie: Do suchej probówki ze związkiem dodałem małą kostkę świeżo odkrojonego sodu i ogrzałem nad płomieniem palnika do stopienia sodu. Następnie zbiłem probówkę do parowniczki, w której znajdowało się 15 ml wody destylowanej. Przesączyłem powstałą substancję.

Obserwacje: Po przesączeniu powstał bezbarwny roztwór, który poddałem dalszej analizie.

Wniosek: W wyniku stopienia metalicznego sodu z sulfanilamidem powstał bezbarwny przesącz, który świadczy o zmianie budowy związku (powstały jony).

aa. Wykrywanie siarki (nitroprusydek sodu)

W środowisku zasadowym jony siarczkowe tworzą z nitroprusydkiem sodu czerwonawofioletowy związek kompleksowy.

Wykonanie: Do probówki zawierającej 1 ml przesączu dodałem kilka kropli 0,1% roztworu nitroprusydku sodu.

Obserwacje: Pojawiło się ciemnoczerwone zabarwienie roztworu.

Wniosek: Roztwór zabarwił się w wyniku powstania związku kompleksowego, co potwierdza obecność siarki w badanym związku.

Reakcja:

Na2S + Na[Fe(CN)5NO] → Na4[Fe(CN)5NOS]

[siarczek sodu + nitroprusydek sodu (pięciocyjanonitrozylo żelazian(III) sodu) → związek kompleksowy]

ab. Wykrywanie siarki (octan ołowiu)

W środowisku kwaśnym jony siarczkowe tworzą z octanem ołowiu czarny osad siarczku ołowiu(II).

Wykonanie: Do probówki zawierającej 1 ml przesączu dodałem kilka kropli rozcieńczonego kwasu octowego dla zakwaszenia środowiska. Następnie dodałem roztwór octanu ołowiu(II).

Obserwacje: Pojawił się czarny osad.

Wniosek: Powstały osad to siarczek ołowiu, a zatem dany związek zawiera w swoim składzie siarkę.

Reakcja:

Pb + S → PbS

[jon ołowiu + jon siarczkowy → siarczek ołowiu(II)]

ba. Wykrywanie azotu (Próba Lassaigne'a)

W środowisku silnie alkalicznym jony cyhankowe tworzą z siarczanem żelaza(II) cyjanożelazian(II) sodu:

FeSO4 + 6 NaCN → Na4[Fe(CN)6] + Na2SO4

Podczas ogrzewania jony roztworu soli żelaza(II) powstają w wyniku utleniającego działania powietrza. Powstają więc, wytrącone w postaci wotorotlenki żelaza(II) i (III). Po zakwaszeniu rozcieńczonym kwasem siarkowym powstaje zielonkawy, później przechodzący w niebieski roztwór cyjanożelazianu(II) żelaza(III), tzw. błękit pruski.

3 Na4[Fe(CN)6] + 2 Fe2(SO4)3 → Fe4[Fe(CN)6] + 6 Na2SO4

Ograniczenia próby: Próba jest niepewna dla związków lotnych, amin i ich pochodnych, związków azowych oraz diazowych i pochodznych pirolu.

Wykonanie: Do probówki z 5 ml przesączu dodałem 0,2 g siarczanu żelaza i ogrzewałem nad palnikiem. Ochłodziłem próbę pod kranem i wlałem kilka ml rozcieńczonego kwasu siarkowego(VI) po kropli dla zakwaszenia środowiska.

Obserwacje: Roztwór przybrał barwę morską, a po pewnym czasie sciemniał i stał się ciemnoniebieski.

Wniosek: W badanym związku występuje azot.

Reakcje:

FeSO4 + 6 NaCN → Na4[Fe(CN)6] + Na2SO4

[siarczan(VI) żelaza(II) + cyjanek sodu → cyjanożelazian(II) sodu + siarczan(VI) sodu]

3 Na4[Fe(CN)6] + 2 Fe2(SO4)3 → Fe4[Fe(CN)6] + 6 Na2SO4

[cyjanożelazian(II) sodu + siarczan(VI) żelaza(III) → cyjanożelazian(II) żelaza(III) + siarczan(VI) sodu]

bb. Wykrywanie azotu (w formie amoniaku)

Wiele substancji zawierających azot w swym składzie (w grupie aminowej lub amidowej) wydziela amoniak podczas ogrzewania w obecności katalizatora (NaOH lub KOH). Reakcja hyrolizy zasadowej mocznika:

NH2-CO-NH2 + H2O → CO2 + 2 NH3

Wynik można zaobserwować poprzez zmianę barwy zwilżonego papierka lakmusowego.

Wykonanie: W probówce z ok. 0,1 g mocznika dodałem 4 ml rozcieńczonego KOH. Powstały roztwór ogrzewałem, wstrząsając. U wylotu probówki umieściłem papierek uniwersalny.

Obserwacje: Po ogrzaniu i wstrząsaniu poczułem wyraźny, charakterystyczny zapach amoniaku, a papierek uniwersalny zabarwił się na zielonkawo.

Wniosek: Zmiana barwy papierka uniwersalnego i wyraźny zapach amoniaku potwierdza występowanie azotu w roztworze.

Reakcja:

NH2-CO-NH2 + H2O → CO2 + 2 NH3

[mocznik + woda → dwutlenek węgla + amoniak]

ca. Wykrywanie fluorowców (Próba Beilsteina)

Fluorowce (halogenki: Cl, Br, I) występujące w połączeniach organicznych tworzą podczas ogrzewania z CuO, które barwią płomień na kolor seledynowy. Próbę przeprowadza się na wyprażonym drucie miedzianym w płomieniu palnika Bunsena.

Ograniczenia próby: Wynik pozytywny można uznać wyłącznie przy braku obecności azotu, ponieważ dodatni wynik tej próby dają także związki posiadające grupę -CN lub -CNS, a także hydroksylina, pochodne pirydyny, czy mocznik.

Wykonanie: Miedziany drucik wyprażyłem w płomieniu palnika. Na miedziany drucik nabrałem odrobinę kwasu trichlorooctowego i wprowadziłem drucik pod palnik.

Obserwacje: Po wprowadzeniu nad palnik pojawił się seledynowy płomień.

Wniosek: Seledynowa barwa płomienia potwierzda występowanie fluorowców w badanym związku.

cb. Wykrywanie fluorowców (próba z tlenkiem wapnia)

Jest jednym z najpewniejszych sposobów sprawdzania obecności fluorowców. Sprawdza się bez względu na obecność siarki, czy azotu. Można ją także stosować przy związkach lotnych. Polega na przeprowadzeniu fluorowców w badanym związku w dobrze rozpuszczalne halogenki wapnia, które w środowisku kwasu azotowego tworzą z nadmiarem azotanu srebra serowate osady odpowiednich halogenków srebra, różniące się rozpuszczalnością i kolorem (od dobrze rozpuszczalnego, białego AgCl, przez po nierozpuszczalny, żółty AgI).

Wykonanie: Do probówki dodałem 0,05 g kwasu trichlorooctowego. Następnie przykryłem związek kilkucentymetrową warstwą czystego tlenku wapnia. Tak powstałą mieszaninę rozżarzałem w płomieniu palnika. Po kilkudziesięciu sekundach rozbiłem probówkę do parowniczki, w której znajdowało się 10 ml wody destylowanej. Rozpuszczoną w parowniczce zawartość probówki odsączyłem od zanieczyszczeń. Potem zakwasiłem powstały przesącz rozcieńczonym kwasem azotowym. Po odczekaniu kilkdziesięciu sekund dodałem także roztwór azotanu srebra.

Obserwacje: Pojawił się biały serowaty osad.

Wniosek: Badany związek zawiera w swoim składzie fluorowce. Kolor osadu świadczy o tym, że w roztworze znajduje się chlor.

Reakcje:

Cl2 + CaO → CaCl2

[chlor + tlenek wapnia → chlorek wapnia]

CaCl2 + 2 AgNO3 → 2 AgCl + Ca(NO3)2

[chlorek wapnia + azotan(V) srebra(I) → chlorek srebra(I) + azotan(V) wapnia]

Ćwiczenie trzecie – Racjonalny tok postępowania przy analizie związku organicznego w celu stwierdzenia obecności w próbce atomów fluorowca

1. Sprawdzanie czystości badanego związku

2. Analiza jakościowa pierwiastków wchodzących w skład związku

3. Wyznaczenie wzoru empirycznego

4. Wyznaczenie wzoru sumarycznego

5. Wyznaczenie wzoru stukturalnego

Zająć się należy głównie pierwszymi dwoma punktami. Wyznaczanie wzorów to czynności niezbędne do dogłębnego zbadania charakterystyki związku, jednak w naszym przypadku (wykazanie obecności atomów fluorowca) nie są konieczne.

Czystość substancji to dana podstawowa, która pozwala nam określić sens badania próbki. Określamy ją za pomocą wartości procentowej stosunku głównej substancji do masy całości próbki (wraz z zanieczyszczeniami). Wyróżniamy kilka grup związków ze względu na czystość substancji: substancje techniczne (90-99%), substancje czyste (99‑99,9%), czysty do analizy (99,9-99,99%), chemicznie czysty (99,99-99,999%) oraz czysty spektralnie. Im czystsza substancja, tym mniejszy możliwy błąd w analizie. Do określania czystości substancji służą metody analizy chemicznej oraz przy niewielkim zanieczyszczeniu analizy spektralnej.

Po określeniu czystości próbki należy przejść do analizy jakościowej. Ponieważ interesuje nas zawartość fluorowców w danej próbce, skupiamy się właśnie na tym zagadnieniu. Możemy zastosować próbę Beilsteina oraz próbę z tlenkiem wapnia. Jako że w próbie Beilsteina występują pewne ograniczenia, tj. pojawia się pozytywny wynik także w przypadku obecności grup -CN oraz -CNS, odrzucę to doświadczenie i skupię się na opisie próby z tlenkiem wapnia. Dokładny zapis wraz z wynikami znajduje się na poprzedniej stronie, do której odsyłam. Jak możemy zaobserwować, próba ta daje niemal pewność obecności atomów fluorowca w badanej substancji. W wyniku przejścia dobrze rozpuszczalnych halogenków wapnia w trudno rozpuszczalne halogenki srebra obserwujemy powstawanie serowatego osadu, który w zależności od koloru i rozpuszczalności w roztworze wskazuje na konkretny fluorowiec. W ten sposób stwierdzamy obecność w próbce atomów fluorowca.