Sprawozdanie

Jakub Knurek

środa, 8:00 (gr. I) [zajęcia odrabiane u dr Grąza]

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. Spalanie

Wykonanie: Do probówki wsypałem 15 mg badanej substancji. Związek się spalił, a na dnie pozostał czarny osad, który zniknął podczas wyprażania, wyczułem mieszaninę zapachów, barwa płomienia była typowa, nie zauważyłem kopcenia, ani popiołu w powtałym osadzie.

Wniosek: Badany związek ma charakter organiczny.

2. 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. Widoczne były bąbelki gazu wynurzające się z roztworu wody wapiennej. Sądzę, że był to dwutlenek węgla, ponieważ nastąpiło mętnienie wody wapiennej (reakcja charakterystyczna). Tymczasem na ściankach probówki zaczęły powstawać krople wody.

Wniosek: Badany związek zawiera węgiel oraz wodór.

Reakcje:

C + H + O -(prażyć, CuO)→ CO2 + H2O

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

3. 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. Przesącz dwukrotnie okazał się brunatny, więc powtarzałem powyższe działania. Za trzecim razem po przesączeniu roztwór był bezbarwny. Poddałem go dalszej analizie.

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. Pojawił się ciemnoczerwony odcień.

Wniosek: Badany związek zawiera w swoim składzie siarkę.

Reakcja:

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

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). Pojawił się czarny osad.

Wniosek: Badany związek zawiera w swoim składzie siarkę.

Reakcja:

Pb + S → PbS

ba. Wykrywanie azotu (Próba Lassaigne'a)

W środowisku silnie alkalicznym jony cyjankowe 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 wotorotlenków, związki 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

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

Wniosek: W badanym związku występuje azot.

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

Wniosek: W badanym związku występuje azot.

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.

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. Drucik ten wprowadziłem do roztworu przesączu (doświadczenie caa) i następnie wprowadziłem nad palnik. Pojawił się seledynowy płomień, który potwierdził doświadczenia ba. i bb. Następnie na miedziany drucik nabrałem odrobinę kwasu trichlorooctowego (doświadczenie cab). Po wprowadzeniu nad palnik pojawił się seledynowy płomień.

Wniosek: dośw. caa - Próba jest niemiarodajna, ponieważ w badanej próbce występował azot.

W dośw. cab w badanym związku występują fluorowce.

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 białego AgCl, po 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 chwili dodałem także roztwór azotanu srebra. Pojawił się serowaty osad.

Wniosek: Badany związek zawiera w swoim składzie fluorowce.

Reakcje:

Cl2, Br2, I2 + CaO → CaCl2, CaBr2, CaI2

CaCl2 + 2 AgNO3 → 2 AgCl + Ca(NO3)2

CaBr2 + 2 AgNO3 → 2 AgBr + Ca(NO3)2

CaI2 + 2 AgNO3 → 2 AgI + Ca(NO3)2