Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Materiały pomocnicze do zajęć z przedmiotu
 CHEMIA ORGANICZNA
dla studentów Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
kierunek: Inżynieria mechaniczna i materiałowa
Autorki opracowania:
dr inż. Edyta Stochmal (rozdziały 3.3 i 4.7, częściowo 3.4)
dr hab. inż. Magdalena Hasik, prof. AGH
(uzupełnienia w rozdziale 3.3, częściowo rozdział 3.4
oraz wszystkie pozostałe rozdziały)
Kraków 2013
SPIS TREÅšCI
Str.
1. Wykaz zajęć z przedmiotu  Chemia organiczna .......................................... 3
2. Harmonogram zajęć z przedmiotu  Chemia organiczna
w roku akademickim 2012/2013 ..................................................................... 4
3. Materiały pomocnicze do zajęć tablicowych .................................................. 5
3.1 Klasyfikacja związków organicznych & & & & & & & & & .& & & .. 5
3.2 Strukturalne wzory szkieletowe związków organicznych & & & & & . 7
3.3 Wskazówki dotyczące nazewnictwa wybranych grup związków
organicznych ......................................................................................... 8
3.4 Nazewnictwo związków organicznych - zadania ................................. 23
4. Materiały pomocnicze do zajęć praktycznych .................................................. 29
4.1 Zasady bezpiecznej pracy w laboratorium chemii organicznej ........... 29
4.2 Destylacja .............................................................................................. 31
4.3 Oznaczanie temperatury topnienia związków organicznych ................ 40
4.4 Krystalizacja .......................................................................................... 46
4.5 Ekstrakcja .............................................................................................. 52
4.6 Sulfonowanie p-ksylenu ........................................................................ 60
4.7 Szkło i sprzęt laboratoryjny używane na zajęciach ............................... 66
 Wykaz zajęć
1. Wykaz zajęć z przedmiotu  Chemia organiczna
Zajęcia 1: Nazewnictwo związków organicznych cz. 1
Zajęcia 2: Nazewnictwo związków organicznych cz. 2
Zajęcia 3: Destylacja cz. 1 - oznaczanie temperatury wrzenia związków
organicznych
Zajęcia 4: Destylacja cz. 2  rozdział mieszanin związków organicznych metodami
destylacji prostej i destylacji frakcyjnej
Zajęcia 5: Oznaczanie temperatury topnienia związków organicznych
Zajęcia 6: Krystalizacja
Zajęcia 7: Ekstrakcja cz. 1 - wyodrębnianie kwasu benzoesowego z jego roztworu
w toluenie
Zajęcia 8: Ekstrakcja cz. 2 - wyodrębnianie kofeiny z kawy lub herbaty
Zajęcia 9: Reakcje związków organicznych - substytucja elektrofilowa w związkach
aromatycznych: sulfonowanie p-ksylenu
Zajęcia 10: dodatkowe (kolokwia, odrabianie zaległych ćwiczeń)
Uwaga: Zajęcia 1 i 2, dotyczące nazewnictwa związków organicznych, są zajęciami
tablicowymi. Pozostałe zajęcia to zajęcia praktyczne;
 Harmonogram zajęć
2. Harmonogram zajęć z przedmiotu  Chemia organiczna
w roku akademickim 2012/2013
Lp Grupa 29 (poniedziałki, 12.45-15.00 i 15.15-17.30) Grupa 30 (środy, 16.00-18.15)
data Wszystkie zajęcia w sali 14 data Sala 13 Sala 14
4.03.2013 Nazewnictwo 1 6.03.2013 Nazewnictwo 1 Nazewnictwo 1
1
11.03.2013 Nazewnictwo 2 13.03.2013 Nazewnictwo 2 Nazewnictwo 2
2
18.03.2013 Destylacja 1 20.03.2013 Temperatura topnienia Destylacja 1
3
25.03.2013 Destylacja 2 27.03.2013 Krystalizacja Destylacja 2
4
8.04.2013 Temperatura topnienia 10.04.2013 Destylacja 1 Temperatura topnienia
5
15.04.2013 Krystalizacja 17.04.2013 Destylacja 2 Krystalizacja
6
22.04.2013 Ekstrakcja 1 24.04.2013 Ekstrakcja 1 Ekstrakcja 1
7
6.05.2013 Ekstrakcja 2 8.05.2013 Ekstrakcja 2 Ekstrakcja 2
8
13.05.2013 Sulfonowanie p-ksylenu 15.05.2013 Sulfonowanie p-ksylenu Sulfonowanie p-ksylenu
9
20.05.2013 Zajęcia dodatkowe 22.05.2013 Zajęcia dodatkowe Zajęcia dodatkowe
10
4
 Klasyfikacja związków organicznych
3. Materiały pomocnicze do zajęć tablicowych
3.1 KLASYFIKACJA ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH
Związki organiczne można podzielić na węglowodory i ich pochodne. Węglowodory
są najprostszymi związkami organicznymi, zawierającymi w cząsteczkach wyłącznie atomy
węgla i wodoru. W zależności od rodzaju wiązań węgiel-węgiel występujących w ich
cząsteczkach, węglowodory dzielą się na nasycone (zawierają tylko wiązania pojedyncze
węgiel-węgiel), nienasycone (zawierają wiązania wielokrotne węgiel-węgiel) i aromatyczne
(zawierają pierścienie aromatyczne). Wśród węglowodorów nasyconych i nienasyconych
z kolei można wyróżnić węglowodory łańcuchowe i pierścieniowe.
Jeśli w cząsteczce węglowodoru jeden albo więcej atomów wodoru zostanie
zastąpionych innymi atomami lub grupami atomów, nazywanych podstawnikami, to
powstanie pochodna węglowodoru. Pochodne węglowodorów najczęściej klasyfikuje się na
podstawie grup funkcyjnych, tj. podstawników decydujących o właściwościach chemicznych
związku organicznego, występujących w ich cząsteczkach. Najważniejsze klasy pochodnych
węglowodorów, charakterystyczne dla nich grupy funkcyjne oraz przykładowe związki
należące do tych klas przedstawiono w Tabeli 1.
Tabela 1. Klasyfikacja pochodnych węglowodorów (podział według grup funkcyjnych).
Klasa związków Charakterystyczna grupa Przykładowe związki
funkcyjna
H
Halogenopochodne Atom fluorowca,
C
H I
jodometan
węglowodorów tj. F, Cl, Br, I
H
H
Alkohole, fenole Grupa hydroksylowa, tj. OH
H C OH
OH
H
metanol
fenol
H
H
Etery Ugrupowanie eterowe,
eter
H C
O
C H
tj. C-O-C
dimetylowy
H
H
Ketony, aldehydy Grupa karbonylowa, tj. C=O O H
H
H
H C C H
C
H C O
H H
H
metanal
keton
dimetylowy
H C O
kwas
Kwasy karboksylowe Grupa karboksylowa, tj. COOH
OH metanowy
5
 Klasyfikacja związków organicznych
O
H
H
Estry Grupa estrowa, tj. O-C=O
octan
H C C H
O C
metylu
H
H
O O
Bezwodniki kwasowe Grupa O=C-O-C=O
CH3 O C CH3
C
bezwodnik etanowy
O
H
Amidy Grupa amidowa, tj. H2N-C=O
etanoamid
H C C
N H
(acetamid)
H
H
Halogenki kwasowe Grupa X-C=O,
O
H
chlorek
H C C Cl
gdzie X=F, Cl, Br, I
etanoilu
H
H
Nitryle Grupa nitrylowa, CN
etanonitryl
H C C N
(acetonitryl)
H
Aminy Grupa aminowa, tj.
CH3 N H
metyloamina
NH2 (aminy I rzędowe),
H
NH (aminy II rzędowe)
CH3 N H
dimetyloamina
CH3
N (aminy III rzędowe)
CH3 N CH3
trimetyloamina
CH3
H
Iminy Grupa iminowa, tj. C=N
metyloimina
H C N H
H
H O
ZwiÄ…zki nitrowe Grupa nitrowa, tj. NO2
nitrometan
H C N O
H
6
 Strukturalne wzory szkieletowe
3.2 STRUKTURALNE WZORY SZKIELETOWE ZWI
ZKÓW
ORGANICZNYCH
Cząsteczki organiczne można przedstawiać za pomocą różnych wzorów
strukturalnych. Najbardziej uproszcznymi wzorami strukturalnymi związków organicznych są
tzw. wzory szkieletowe, które tworzy się (i odczytuje) zgodnie z następującymi zasadami:
1. Wiązania występujące w cząsteczce związku organicznego przedstawia się za pomocą
linii: wiązanie pojedyncze to linia pojedyncza, wiązanie podwójne-linia podwójna,
wiązanie potrójne-linia potrójna;
2. Atomów węgla i wodoru na ogół nie pokazuje się we wzorze. Uznaje się natomiast, że
na przecięciu i na końcu każdej linii znajduje się atom węgla połączony z odpowednią
liczbą atomów wodoru tak, aby jego wartościowośc wynosiła 4;
3. Atomy inne niż węgla i wodoru (tzw. heteroatomy) pokazuje się we wzorach.
Przykłady tworzenia szkieletowych wzorów strukturalnych związków organicznych
przedstawiono w Tabeli 2.
Tabela 2. Szkieletowe wzory strukturalne związków organicznych.
Związek Szkieletowy wzór strukturalny
CH3
CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH3
CH2CH3
CH3
CH3-CH-CH2-CH=CH-CH3
CH3-CH=CH-C C-CH2-CH3
CH3-CH-CH2-CH-CH3
CH3 OH
OH
CH3-CH-CH2-C-CH3
Cl Cl
O
O
H
CH3-CH-CH2-C-H
CH3 O
O
7
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
3.3 WSKAZÓWKI DOTYCZ
CE NAZEWNICTWA
WYBRANYCH GRUP ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH
1. Alkany (węglowodory nasycone łańcuchowe, zawierają jedynie wiązania pojedyncze C-C)
Nazwy alkanów mają końcówkę  an. Ich ogólny wzór to CnH2n+2 (n-dowolna liczba
całkowita).
Nazwy pierwszych dziesięciu alkanów normalnych (o strukturze prostołańcuchowej):
Liczba atomów Nazwa Wzór CnH2n+2
węgla (n)
1 metan CH4 CH4
2 etan C2H6 CH3CH3
3 propan C3H8 CH3CH2CH3
4 butan C4H10 CH3CH2CH2CH3
5 pentan C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3
6 heksan C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3
7 heptan C7H16 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3
8 oktan C8H18 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3
9 nonan C9H20 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3
10 dekan C10H22 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3
Nazwy niektórych grup alkilowych (podstawników powstających z alkanów):
CH3
|
 CH3 metyl (Me) CH3CHCH3
CH3 C
izopropyl (i-Pr)
 CH2CH3 etyl (Et)
CH3
 CH2CH2CH3 propyl (Pr)
tert-butyl (t-Bu)
 CH2 CH2CH2CH3 butyl (n-Bu)
8
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Alkany rozgałęzione
CH3 CH2CH3
CH3
CH3CH2CHCHCH2CHCH2CH3
CH3CH2CCH2CHCH3
CH3CH2 CH3
CH3CH2
4-etylo-2,4-dimetyloheksan 3,6-dietylo-4-metylooktan
Ogólne zasady nazewnictwa alkanów rozgałęzionych:
1. Należy znalez
ć najdłuższy łańcuch węglowy  łańcuch główny, który będzie stanowił
podstawę nazwy. W przypadku, gdy w cząsteczce można wyróżnić kilka łańcuchów o tej
samej długości, podstawę nazwy powinien stanowić ten, który związany jest z większą
liczbą podstawników.
2. Ponumerować atomy węgla w łańcuchu głównym, rozpoczynając od końca najbliższego
rozgałęzienia. W przypadku usytuowania pierwszych rozgałęzień w równych
odległościach od obydwu końców kierować się pozycją kolejnego rozgałęzienia.
3. Podać położenie i nazwę podstawników, wymieniając je w kolejności alfabetycznej.
4. Dla identycznych podstawników podać krotność ich występowania za pomocą
odpowiednich przedrostków: di-, tri-, tetra- itd.
5. Podstawnikom alkilowym nadać odpowiednie nazwy reszt węglowodorowych:
etylo-, metylo- itp.
6. Podstawnik złożony nazywany jest zgodnie z powyższymi regułami, rozpoczynając
numerowanie od punktu dołączenia do łańcucha głównego (por. podane przykłady).
NazwÄ™ tego podstawnika umieszcza siÄ™ w nawiasie poprzedzonym zapisem numeru
określającego jego położenie w łańcuchu głównym (por. podane przykłady).
CH3 CH2 CH3
CH3 CH
CH3 C CH2 CH3 CH2 CH
CH
CH3
CH3
CH3
1-metyloetyl
2,2-dimetylopropyl 2-etylo-1-metylobutyl
CH2
CH3
CH3
CH2 CH
CH3
CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH
CH CH3
CH CH2 CH2 CH3
CH2 CH3
CH3 CH
CH3 CH3 C CH3
CH3
4-(1-metyloetylo)heptan
7-etylo-2,3-dimetylo-5-(2,2-dimetylopropylo)nonan
9
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
2. Cykloalkany (węglowodory nasycone pierścieniowe, zawierają wyłącznie wiązania
pojedyncze C-C)
Do nazwy macierzystego węglowodoru o budowie łańcuchowej dodaje się przedrostek cyklo-.
Podstawniki wymienia się w kolejności alfabetycznej ze wskazaniem ich położenia podając
numer węgla, przy którym są położone.
CH3
CH2CH3
1-etylo-3-metylocykloheksan
3. Alkeny, alkadieny, alkatrieny (węglowodory łańcuchowe nienasycone, zawierają
wiązania podwójne C=C)
(Reguły podobne jak dla alkanów, ale łańcuch główny musi zawierać wiązanie podwójne)
Nazwy alkenów mają przyrostek  en poprzedzony numerem atomu węgla wskazującego
położenie wiązania podwójnego i są pochodnymi nazw alkanów. Ich ogólny wzór to CnH2n.
CH3
CHCH2CH2CH3
CH3CH
CH2 CHCHCH3
heks-2-en
3-metylobut-1-en
Przy numerowaniu łańcucha głównego pierwszeństwo ma położenie wiązania podwójnego.
Atomy węgla przy podwójnym wiązaniu otrzymują możliwie najniższe numery, a pozycję
wiązania podwójnego wskazuje się umieszczając w nazwie numer atomu węgla o niższym
indeksie.
Nazwy związków z dwoma podwójnymi wiązaniami (alkadienów) mają końcówkę  dien, z
trzema (alkatrienów)  trien z określeniem położenia, przy czym do podstawy nazwy
pochodzącej od nazwy węglowodoru dodaje się łączącą literę  a .
CH2=C-CH2-C=CH-CH3 CH2=C=C=CH2
CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH-CH3
CH3
CH2CH3
hepta-1,5-dien
buta-1,2,3-trien
4-etylo-2-metyloheksa-1,4-dien
4. Cykloalkeny (węglowodory nienasycone pierścieniowe, zawierają wiązanie podwójne
C=C)
(Reguły podobne jak dla cykloalkanów)
Numerowanie rozpoczyna się tak, by wiązanie podwójne było miedzy węglem C1 i C2 i aby
pierwszy podstawnik miał jak najniższy numer.
CH3
1-metylocyklopenten
10
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
5. Alkiny (węglowodory łańcuchowe nienasycone, zawierają wiązanie potrójne Ca"C) i enyny
(węglowodory łańcuchowe nienasycone, zawierają wiązanie podwójne C=C i potrójne Ca"C)
(Reguły podobne jak dla alkanów i alkenów, łańcuch główny musi zawierać wiązanie
potrójne w przypadku alkinów i obydwa wiązania wielokrotne w przypadku enynów)
Nazwy alkinów mają przyrostek  in lub  yn poprzedzony numerem atomu węgla
wskazującego położenie wiązania potrójnego i są pochodnymi nazw alkanów. Ich ogólny
wzór to CnH2n-2.
CH3CHCH2CH2C CH
CH3C CCH3
CH3
but-2-yn
5-metyloheks-1-yn
W przypadku związków zawierających wiązanie podwójne i potrójne (tzw. enynów)
numerowanie łańcucha rozpoczyna się od końca bliższego pierwszego wiązania
wielokrotnego, bez różnicy, czy jest to wiązanie podwójne, czy potrójne. Gdy jednak obydwa
wiązania znajdują się w tej samej odległości od każdego z końców cząsteczki, numerację
atomów węgla w łańcuchu należy zacząć od tego końca, bliżej którego znajduje się wiązanie
podwójne.
CHCH2CHCH2C CH
CH3CH CH3-CH=CH-CH2-C C-CH3
CH3
hepta-2-en-5-yn
4-metylookt-6-en-1-yn
6. Halogenki alkilowe, R-X (X = F, Cl, Br, I) (halogenopochodne alkanów)
(Reguły podobne jak dla węglowodorów alifatycznych)
CH3 CH2CH2Cl
Br
CH3
ClCH2CH2CHCHCH2CHCH2CH3
CH3CHCH2CH2CHCH3
CH3CH2
2-bromo-5-metyloheksan
1,8-dichloro-3,6-dietylo-4-metylooktan
Fluorowiec traktowany jest jako podstawnik. Numerowanie łańcucha głównego rozpoczyna
się od końca bliższego pierwszego podstawnika, obojętne czy jest to alkil, czy fluorowiec.
Jeżeli w cząsteczce obecne jest wiązanie podwójne lub potrójne, to musi ono znalez
ć się
w łańcuchy głównym.
Halogenki alkilowe można również nazywać traktując atom fluorowca jako grupę funkcyjną;
wówczas zamiast np. chlorometanu będzie chlorek metylu, chloroetanu  chlorek etylu,
2-bromobutanu  bromek izopropylu, itp.
11
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
7. Związki aromatyczne (węglowodory aromatyczne, halogenki arylowe, pochodne benzenu
i związków aromatycznych o skondensowanych pierścieniach benzenowych)
Najważniejszym jednopierścieniowym węglowodorem aromatycznym jest benzen:
benzen
Nazwy pochodnych benzenu tworzy się w zależności od rodzaju i liczby podstawników
w pierścieniu; wiele z nich ma też nazwy zwyczajowe.
Jednopodstawione pochodne benzenu
Do podstawowej nazwy - benzen dodaje siÄ™ nazwÄ™ podstawnika.
CH3
OH NH2
Br
aminobenzen
hydroksybenzen (fenol)
bromobenzen
(anilina)
metylobenzen
(toluen)
Nazwy zwyczajowe stosowane w przypadku takich grup, jak: CH3, OH, COOH, NH2 to
odpowiednio: toluen, fenol, kwas benzoesowy, anilina (wzory niektórych z tych związków
zostały pokazane).
Dipodstawione pochodne benzenu
Położenia podstawników oznacza się dwojako: za pomocą liczb lub przedrostków: orto (o),
meta (m), para (p).
I
CH3
Cl
Cl
Cl
Br
1,2-dichlorobenzen
1-chloro-3-metylobenzen
1-bromo-4-jodobenzen
o-dichlorobenzen
m-chlorometylobenzen p-bromojodobenzen
lub
3-chlorotoluen
m-chlorotoluen
12
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Pochodne benzenu podstawione więcej niż dwoma podstawnikami
NO2
O2N Cl
2-chloro-1,4-dinitrobenzen
Podstawniki wymienia siÄ™ w porzÄ…dku alfabetycznym, poprzedzajÄ…c ich nazwy liczbami
wskazującymi pozycje podstawienia. Ważne jest, aby indeksy liczbowe węgli, przy których
są podstawniki, były jak najniższe. W niektórych przypadkach jednopodstawiona pochodna
benzenu może służyć jako nazwa podstawowa (por. przykład 3-chlorotoluenu przedstawiony
wcześniej). W wielopodstawionych pochodnych benzenu, gdzie istnieje konieczność
podawania położenia podstawników, atom węgla, przy którym znajduje się charakterystyczna
grupa zwiÄ…zku stanowiÄ…cego podstawÄ™ nazwy, oznacza siÄ™ numerem 1, np.:
NH2
Br
Br
Br
2,4,6-tribromoanilina
Nazwy podstawników zawierających pierścienie benzenowe
Podstawniki powstające z benzenu to fenyl i fenyleny. Njważniejszym podstawnikiem
powstajÄ…cym z metylobenzenu (toluenu) jest benzyl.
CH2
fenyl benzyl
o-fenylen m-fenylen p-fenylen
Węglowodory zawierające w cząsteczkach skondensowane pierścienie benzenowe 
naftalen, antracen i ich pochodne:
1 8 9
1
8
7 2
2
7
3
6
3
6
5 10 4
5
4
naftalen antracen
13
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
CH3
CH3
CH3
Br
OH
1,2-dimetylonaftalen
10-hydroksyantracen
6-bromo-2-metylonaftalen
Numeracja atomów węgla w cząsteczkach zawierających skondensowane pierścienie
benzenowe, takich jak naftalen i antracen, jest ściśle określona i stała. Numerację tę należy
stosować tworząc nazwy pochodnych tych węglowodorów.
8. Alkohole (R-OH), diole, triole (charakterystyczna grupa  OH -jedna lub więcej-
przyłączona jest do nasyconego atomu węgla w łańcuchu alkilowym)
CH3
CH3CHCH2CH3 CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH3
CH3CH2CHCH2OH CH3 OH
OH
5-metylopentan-3-ol
butan-2-ol
2-metylobutan-1-ol
Tworząc nazwę alkoholu za podstawową strukturę wybiera się najdłuższy łańcuch węglowy
z grupÄ… hydroksylowÄ…. Do nazwy macierzystej dodaje siÄ™ przyrostek  ol poprzedzony
numerem atomu węgla, do którego przyłączona jest grupa  OH. Określając położenie tej
grupy istotne jest, aby indeks atomu węgla był jak najniższy.
W przypadku niektórych prostych alkoholi stosuje się nazwy zwyczajowe. Do słowa alkohol
dodaje się nazwę grupy alkilowej lub arylowej połączonej z grupą hydroksylową, np.: alkohol
metylowy, alkohol etylowy, alkohol izopropylowy, alkohol benzylowy.
CH2OH
CH3CHCH3
OH
alkohol izopropylowy
alkohol benzylowy
Nazwy związków z dwiema grupami hydroksylowymi (dioli) mają końcówkę  diol, z trzema
(trioli)  triol z określeniem położenia, przy czym do podstawy nazwy pochodzącej od nazwy
węglowodoru dodaje się łączącą literę  o .
CH3 OH
CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2
OH OH
OH OH OH OH
pentano-1,3-diol
2-metylopropano-1,3-diol propano-1,2,3-triol
14
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
9. Fenole, ArOH (charakterystyczna grupa  OH przyłączona jest do pierścienia
aromatycznego)
OH
OH
Cl
NH2
o-chlorohydroksybenzen
(o-chlorofenol)
p-aminohydroksybenzen
(p-aminofenol)
Nazwy systematyczne fenoli tworzy siÄ™ dodajÄ…c przedrostek hydroksy- do nazwy
węglowodoru. Często używane są, w przypadku tej grupy związków, nazwy zwyczajowe.
10. Etery (charakterystyczne wiÄ…zanie  C O C w czÄ…steczce)
CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3-O-CH2-CH2-CH3 CH3-O-CH3
eter metylowo-propylowy eter dimetylowy
eter butylowo-etylowy
lub metoksypropan lub metoksymetan
lub etoksybutan
Etery proste, nie zawierające żadnych innych grup funkcyjnych  po słowie eter wymienia się
w kolejności alfabetycznej nazwy grup węglowodorowych połączonych z atomem tlenu.
Można też etery proste nazywać podstawnikowo, w sposób opisany dla eterów złożonych
(por. podane przykłady). Etery symetryczne, w których z atomem tlenu połączone są takie
same grupy węglowodorowe, nazywa się podając po słowie eter nazwę grupy
węglowodorowej z przedrostkiem  di.
Etery o bardziej złożonej budowie  nazwę tworzy się jako pochodną macierzystego
węglowodoru i dodaje nazwę grupy węglowodorowej przyłączonej do atomu tlenu
z końcówką  oksy. Grupę węglowodorową związaną z atomem tlenu traktuje się więc w tym
przypadku jak podstawnik w cząsteczce węglowodoru stanowiącego podstawę nazwy.
CH3
CH3-CH-CH2-CH2-CH-CH2-CH3
CH3 O CH2CH2Cl
OCH2CH2CH3
CH3
OCH2CH3
1-chloro-2-metoksyetan
2-metylo-5-propoksyheptan
1-etoksy-2-metylobenzen
Grupy alkilowe połączone z atomem tlenu nazywa się grupami alkoksylowymi. Przykłady
podstawników alkoksylowych oraz ich nazwy podano w Tabeli 3.
15
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Tabela 3. Przykładowe podstawniki alkoksylowe i ich nazwy.
Podstawnik Nazwa
CH3O- metoksy
CH3CH2O- etoksy
CH3CH2CH2CH2O- butoksy
CH3CH2CH2CH2CH2O- pentoksy
CH3
2-metylopropoksy
CH3-CH-CH2O
11. Aldehydy (charakterystyczna grupa aldehydowa, tj.  CHO w czÄ…steczce)
O
O
CH3CH2CHCH2CH
CH3CH2CH
CH3
propanal
3-metylopentanal
NazwÄ™ aldehydu tworzy siÄ™ dodajÄ…c do nazwy macierzystego alkanu przyrostek  al.
Najdłuższy łańcuch z grupą  CHO stanowi strukturę podstawową, a atom węgla tej grupy
(gdy aldehyd zawiera podstawniki w czÄ…steczce) oznacza siÄ™ jako C1. W przypoadku
niepodstawionych aldehydów numeracja atomów węgla w cząsteczce nie jest konieczna.
Niektóre proste aldehydy mają nazwy zwyczajowe, np.: formaldehyd, benzaldehyd.
CHO
O
HCH
formaldehyd
benzaldehyd
16
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
12. Ketony (charakterystyczna grupa karbonylowa, tj. >C=O w czÄ…steczce)
O
O
CH3CHCCH3
CH3CH2CH2CCH3
CH3
pentan-2-on
3-metylobutan-2-on
NazwÄ™ ketonu tworzy siÄ™ od nazwy macierzystego alkanu dodajÄ…c przyrostek  on,
poprzedzony numerem atomu węgla z grupą karbonylową. Najdłuższy łańcuch z grupą
ketonową uznaje się za strukturę podstawową, a numerowanie atomów węgla rozpoczyna się
od końca bliższego karbonylowego atomu węgla.
W przypadku niektórych prostszych związków z tej grupy nazwy tworzy się wymieniając
w kolejności alfabetycznej nazwy grup połączonych z grupą karbonylową, poprzedzając je
słowem  keton .
O O
CH3CCH3
CH3CH2CCH3
propanon
butan-2-on
(keton dimetylowy,
(keton etylowo-metylowy)
aceton)
13. Kwasy karboksylowe (charakterystyczna grupa karboksylowa, tj.  COOH w czÄ…steczce)
CH3
CH3-CH2-COOH
CH3CHCH2COOH
kwas propanowy
lub kwas etanokarboksylowy
kwas 3-metylobutanowy
kwas 2-metylopropanokarboksylowy
Nazwy systematyczne kwasów karboksylowych tworzy się dwojako:
1o sposób
Do nazwy macierzystego alkanu z końcówką  owy dodaje się słowo kwas, a atom węgla
w grupie karboksylowej jest oznaczany jako C1.
2o sposób
Nazwa łańcucha głównego nie obejmuje grupy karboksylowej, a atom węgla, do którego
przyczepiona jest grupa karboksylowa, jest oznaczany jako C1. Do nazwy macierzystego
alkanu dodaje się wówczas słowo kwas i końcówkę -karboksylowy.
17
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
W przypadku tej grupy związków stosowane są często nazwy zwyczajowe, np.: kwas
mrówkowy, octowy, propionowy, benzoesowy.
COOH
HCOOH CH3COOH
kwas mrówkowy
kwas octowy
kwas benzoesowy
14. Pochodne kwasów karboksylowych (halogenki kwasowe, bezwodniki kwasowe, estry,
amidy)
O
O O
R C X
R C O
C R
Bezwodnik
Halogenek
O
kwasowy
kwasowy
R C OH
Kwas
O
O
R C O R'
R C NH2
Ester
Amid
O
Pochodne kwasów karboksylowych zawierają charakterystyczną grupę acylową
R C
Nazwę tej grupy tworzy się od nazwy macierzystego alkanu dodając końcówkę  oil lub
stosujÄ…c nazwy zwyczajowe.
Przykłady grup acylowych:
O O
O
O
O
C
CH3CH2CH2 C
CH3CH2 C
CH3 C
H C
Propanoil
Butanoil
Etanoil
Metanoil
Benzoil
Propionyl
Butyryl
Acetyl
Formyl
Halogenki kwasowe
Nazwy halogenków kwasowych tworzy się podając nazwę odpowiedniego halogenku i grupy
acylowej (systematyczną lub zwyczajową). Gdy halogenek kwasu łańcuchowego zawiera
w cząsteczce podstawniki, podaje się ich położenie, oznaczając atom węgla grupy acylowej
numerem 1.
O
O
CH3-CH-CH2-C-Cl
CH3 C
Cl C Br
CH3 O
Chlorek etanoilu
Bromek benzoilu
Chlorek 3-metylobutanoilu
Chlorek acetylu
18
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Związki te można również nazywać w oparciu o nazwę kwasu macierzystego poprzedzając ją
nazwÄ… odpowiedniego halogenku.
O
CH3
O
C Cl
CH3-C-CH2-CH2-CH2--C-Br
CH3CH2 C
Br
CH3
O
Bromek kwasu
Chlorek kwasu Bromek kwasu
propanowego
5,5-dimetyloheksanowego
benzoesowego
Bezwodniki kwasowe
W przypadku bezwodników symetrycznych (otrzymywanych z takiego samego kwasu
karboksylowego) nazwy tworzy się, zastępując słowo kwas słowem bezwodnik lub dodając
słowo bezwodnik do nazwy macierzystego kwasu.
O
O O
O
CH3 C
CH3CH2 C
O C CH3 O C CH2CH3
Bezwodnik octowy
Bezwodnik kwasu propanowego
Bezwodniki niesymetryczne (otrzymywane z różnych kwasów karboksylowych) nazywa się
podobnie, przy czym nazwy kwasów podaje się w porządku alfabetycznym.
O O
C
O C CH3
Bezwodnik benzoesowo-octowy
Estry
W nazwie estru określa się część kwasową i węglowodorową, najczęściej alkilową
(wprowadzoną w miejsce atomu wodoru w grupie karboksylowej). Część kwasowa ma
końcówkę  an lub  ian zamiast końcówki  owy występującej w nazwie kwasu
macierzystego, część alkilowa (lub inna węgllowodorowa) natomiast podawana jest
w dopełniaczu.
O
O
O
C CH3
O
CH3CH2C O CH2CH3
CH3C O
Benzoesan metylu
Propanian etylu
Octan fenylu
19
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
W przypadku estrów kwasów łańcuchowych zawierających podstawniki w części kwasowej
podaje się ich położenie w nazwie, oznaczając atom węgla grupy acylowej numerem 1. Gdy
podstawniki znajdują się w części alkilowej (lub ogólnie: węglowodorowej) numeruje się
atomy węgla tej części tak, że atom węgla łączący się z atomem tlenu ma numer 1.
CH3 CH3
CH3-C-CH2-CH2--C-OCH3
CH3-CH-CH2--C-OCH2-CH-CH3
CH3
CH3
O
O
4,4-dimetylopentanian metylu 3-metylobutanian 2-metylopropylu
Amidy
Nazwy amidów tworzy się, dodając do nazwy macierzystego alkanu końcówkę  oamid
lub zamieniając końcówkę  yl (-oil) w nazwie grupy acylowej na przyrostek  amid.
O
O
O
C
NH2
CH3 C CH3CH2CH2 C
NH2 NH2
Acetamid
Butanoamid Benzamid
Związki te można także określać, poprzedzając nazwę macierzystego kwasu karboksylowego
słowem amid.
O
CH3CH2 C NH2
Amid kwasu propanowego
W przypadku amidów podstawionych przy atomie azotu najpierw określa się podstawniki,
a następnie podaje nazwę amidu macierzystego. Nazwę podstawników poprzedza się
lokantem  N , co oznacza bezpośrednie podstawienie przy atomie azotu. Nazwy amidów
kwasów łańcuchowych zawierających podstawniki w części kwasowej tworzy się oznaczając
atom węgla grupy acylowej numerem 1.
O
H
O
O
H
CH3 C
N
CH3-CH-CH2-C
N
N(CH3)2
H C
CH3
Br
N,N-dimetyloformamid (DMF) N-metylo-3-bromobutanoamid
N-fenyloacetamid
14. NitrozwiÄ…zki (charakterystyczna grupa  NO2 w czÄ…steczce)
CH3CH2CH2NO2
1-nitropropan
20
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Do nazwy macierzystego węglowodoru dodaje się przedrostek nitro-. Grupę nitrową traktuje
się jako podstawnik, a jej pozycję podaje się wymieniając numer atomu węgla,
z którym jest ona związana.
15. Aminy
Aminy alifatyczne
Aminy pierwszorzędowe (charakterystyczna grupa  NH2 w cząsteczce)
CH2CH2NH2
etyloamina
Nazwy tworzy siÄ™ przez dodanie przyrostka  amina do nazwy podstawnika alkilowego.
Aminę można potraktować również jako pochodną węglowodoru, zwłaszcza
w przypadku amin zawierających inne grupy funkcyjne. Wówczas grupę -NH2 można
wymienić jako podstawnik aminowy oraz określić jego pozycję w związku macierzystym.
NH2
CH3CH2CH2CHCH3
NH2 CH3CH2CHCOOH
2-aminopentan
kwas 2-aminobutanowy
Aminy drugorzędowe i trzeciorzędowe (charakterystyczne grupy w cząsteczce,
odpowiednio:  NH lub  N )
%
W przypadku symetrycznych amin do nazwy dodaje siÄ™ przedrostek di- lub tri-, np.:
difenyloamina, trietyloamina.
CH2CH3
N
CH2CH3
CH3CH2
trietyloamina
trietyloamin
Aminy niesymetryczne drugorzędowe i trzeciorzędowe nazywa się jako N-podstawione
aminy pierwszorzędowe. Nazwę największej grupy alkilowej wybiera się za nazwę
macierzystą, a pozostałe grupy traktuje jako N-podstawniki (dołączone do atomu azotu),
wymieniając je w kolejności alfabetycznej.
CH3CH
CH3CH2CH2NHCH3
CHCH2CH2CH3
N
N-metylopropyloamina
CH3
N-etylo-N-metylobutyloamina
21
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Aminy aromatyczne
CH3 CHCH3
NHCH3
NH2
N
Br
N-metyloanilina
anilina
2-bromo-N-etylo-N-metyloanilina
Aminy aromatyczne traktuje się jako pochodne aniliny (aminobenzenu), a pozostałe grupy
jako N-podstawniki.
16. Związki zawierające w cząsteczkach różne grupy funkcyjne
Jeżeli w cząsteczce związku organicznego znajduje się kilka różnych grup funkcyjnych, to
nazwę systematyczną tworzy się w oparciu o zasady obowiązujące dla grupy związków o
grupie funkcyjnej mającej pierwszeństwo, a inne grupy funkcyjne traktuje się jak
podstawniki.
Wybrane grupy funkcyjne, występujące w cząsteczkach związków organicznych ułożone
według pierwszeństwa przedstawiono w Tabeli 4. Tabela zawiera również nazwy tych grup,
traktowanych jako podstawniki.
Przykłady:
OH
NH2
CH3CHCOOH
CH3CH2CHCOOH
kwas 2-hydroksypropanowy
kwas 2-aminobutanowy
(nazwa zwyczajowa: kwas mlekowy)
NH2
OH
OH
CH2CHCOOH
CH3CHCH2CHCOOH
OH
kwas 2,4-dihydroksypentanowy
kwas 2-amino-3-hydroksypropanowy
22
 Zasady nazewnictwa związków organicznych
Tabela 4. Wybrane grupy funkcyjne występujące w związkach organicznych uszeregowane
według ich pierwszeństwa oraz nazwy tych grup traktowanych jako podstawniki.
Grupa funkcyjna Klasa zwiÄ…zku Nazwa podstawnika
-COOH kwasy karboksylowe karboksy
-COOR estry R-oksykarbonylo np. metoksykarbonylo
(R=CH3), etoksykarbonylo (R=C2H5) itd.
-CONH2 amidy karbamoilo
-CHO aldehydy formylo
>C=O ketony okso
-OH alkohole, fenole hydroksy
-NH2 aminy amino
-OR etery R-oksy, np. metoksy (R=CH3), etoksy
(R=C2H5) itd.
23
 Nazewnictwo - zadania
3.4 NAZEWNICTWO ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH
Zadania
1. Węglowodory
1. Narysuj wzory podstawników węglowodorowych o podanych nazwach. W przypadku
nazw zwyczajowych podaj nazwy systematyczne.
k) metylen
a) metyl
l) benzyliden
b) etyl
c) 1-metyloetyl m) 1-izopropylo-2-etylopentyl
d) 2,2-dimetylopropyl
n) 2-metylocyklopentyl
e) butyl
o) izobutyl
f) fenyl
p) m-fenylen
g) 2,3,3-trimetylobutyl
q) 1,1-dimetyloetyl
h) benzyl
r) 3-etylofenyl
i) o-fenylen
s) winyl
j) cykloheksyl
t) t-butyl
2. Do jakich grup węglowodorów należą te, których wzory pokazano poniżej? Podaj nazwy
systematyczne przedstawionych związków.
a) CH3 e)
CH3 b) CH2CH3
CH3-CH=CH-CH3 d)
CH3-C
C-C-C CH
CH3-C-CH3
CH3-C=C-CH3
CH3
CH C-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3 c)
CH3
f) g) h)
CH3 CH3 CH2-CH3 CH3
CH3-C-CH3 CH3-C-CH3
CH3-CH2-CH-CH2-CH2-C-CH3
CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3
CH2-CH2-CH3
CH3
i)
CH3
CH2-CH3
j) CH3
k)
CH3-CH-CH-CH-CH2-C-CH3
CH3-CH2-CH2-C C-CH2-C-CH3
CH3
CH3 CH3 CH2-CH2-CH3
CH3
CH3
l)
m) CH -CH2-C-CH2-CH3 n) p)
CH3-CH=CH-C CH
3
CH2=C-C=CH2
CH2 o)
CH2=CH-CH=CH-CH=CH2
CH2-CH3
24
 Nazewnictwo - zadania
H2 H2
r) s) t) CH3 w)
H2 H2
u) CH3
C C
CH3
C C
CH2
H2C CH2CH3
HC CH
CH(CH3)2
CH3
C
C C
H2
CH3 H H
bb)
CH3
y)
z) aa) CH2CH3
CH-CH2-CH-CH3
CH2
CH3
CH3
cc)
dd) ee) ff)
hh) jj) kk)
CH3
ii)
gg)
ll) mm) nn) oo)
pp)
rr) ss) tt) uu)
ww)
yy) zz)
3. Poniższe nazwy nie są prawidłowe. Narysuj wzory strukturalne związków
odpowiadające każdej z tych nazw i podaj nazwy właściwe.
a) 2,2-dimetylo-6-etyloheptan,
d) 5,5,6-trimetylooktan,
b) 3-etylo-4,4-dimetyloheksan,
e) 2-metylopent-3-en,
c) 2-izopropylo-4-metyloheptan,
f) 2-etyloheks-4-en.
4. Określ rzędowość atomów węgla w następujących związkach:
a) (CH3)3CCH2C(CH3)3 d) (CH3)3CCH2CH2CH(CH3)2,
b) (CH3)2CHCH2CH2CH3, e) CH3CH2CH2CH(CH3)CH2C(CH3)2CH2CH3,
c) (CH3)2CHCH(CH2CH3)2, f) CH3CH2CH(CH3)CH2C(CH3)(CH2CH3)CH2CH2CH3,
25
 Nazewnictwo - zadania
g) (CH3)2CHC(CH3)2CH2CH3,
h) CH3CH2CH2C(CH3)(CH(CH3)2)CH(CH3)CH2CH3
i) j) k) l) m)
5. Podaj przykład alkanu, który:
a) ma tylko pierwszorzędowe atomy węgla,
b) ma tylko pierwszorzędowe i trzeciorzędowe atomy węgla,
c) ma jeden czwartorzędowy i jeden drugorzędowy atom węgla,
d) ma dwa trzeciorzędowe atomy węgla, a nie ma w ogóle drugorzędowych.
6. Narysuj wzory strukturalne cykloalkanów o podanym wzorze sumarycznym spełniających
poniższe kryteria:
a) węglowodór C6H12, który ma jeden pierwszorzędowy i jeden trzeciorzędowy atom węgla,
b) węglowodór C6H12, który ma dwa pierwszorzędowe i jeden czwartorzędowy atom węgla,
c) węglowodór C6H12, który ma dwa pierwszorzędowe i dwa drugorzędowe atomy węgla.
2. Inne grupy związków organicznych
7. Do jakich grup związków organicznych należą te, których wzory pokazano poniżej?
Zaznacz i nazwij grupy funkcyjne występujące w przedstawionych związkach oraz podaj
nazwy systematyczne tych związków.
a) b) c) d)
O
CH3-CH2-COOH
Cl
CH2OH CH3-CH2-CH2-C
NH2
e)
CH3C
N
f)
CH3-O-C2H5 g) CH3-CH2-NO2 h) CH2 CH-CH2-CH-CH CH2 i) H
CH3-C
CH2Cl
O
j) k) l) m) O
CH3 O
Cl
CHO
N
C
C
CH3 CH3
H5C2
O C2H5
n) p) r)
CH3 O
CH3-CH-CH3 o) CH3 s)
O
OH
CH3-CH2-C-C
NH2
CH3-C-CH3 H C H
CH3 Cl
NH2
CH3
26
 Nazewnictwo - zadania
O
u) w) y)
t)
CH3
N
OCH2CH2CH3
SO3H
C
CH3
OCH3
H3C
aa) bb) cc)
O CH3 CH3
CH3 O CH3
z)
O CH3-CH-CH-CH2-CH-CH3
CH3-C-CH2-C-CH3 CH3-CH-CH-CH2-C-OH
CH2Br
CH3 CH2CH3
CH3 CH3
dd) Br ee) ff) gg)
CH3 OH O
C
CH3-CH-CH2-CH-CH3
CH2
N(CH3)2 O2N
CH3(CH2)3 C
CH3
CH3
ii) jj)
O O
H
Br
H C N kk)
hh) CH3CH2CH2CHNH2 SO3H
CH3
CH2CH3
mm)
nn)
CH3
O
O
ll)
O
O
C CH2CCH3
O
Br
CH3CH2 C
O C CH2CH2CH3
CH3CH2 C
CH3
oo) pp) rr) ss)
O
CH3
CH2 C
SO3H Br COOH
N
H
CH3 CH2
H
NO2
tt) ww) yy)
NO2 O2N
uu)
Cl
COOH
O2N OH
C O
OH
NO2 H
zz) q) v) x)
O
CH3 Cl Cl
CH3
O
CH3-CH2-CH-C
COOH
OCH2CH2OH
NO2
8. Podaj nazwy przedstawionych związków i określ ich rzędowość:
f) C6H5NHCH3,
a) CH3CH2CH2OH,
g) CH3CH2CH2N(CH3)2,
b) CH3CH(OH)CH2CH3,
h) CH3CH2CH2CH(CH2CH3)NO2,
c) (CH3)2C(OH)CH3,
i) (CH3)3CNH2,
d) CH3CH2CH(NO2)CH(CH3)2,
j) C6H5CH2NHCH3
e) CH3CH2CH(CH3)C(CH3)2CH2OH
k) (CH3)3CNO2
27
 Nazewnictwo - zadania
9. Narysuj wzory związków o podanych nazwach:
a) 5-chloro-4,7-dietylo-3,3,8-trimetylodek-1-en
b) 2-metylobutanal
c) eter fenylowo-metylowy (metoksybenzen)
d) 2-chloroheks-3-yn
e) 2,2-dimetylocyklopentanon
f) bromek formylu
g) 1-fenylopropan-2-on (keton benzylowo-metylowy)
h) 5-(1-chloroetylo)-5-chloro-3,4-dimetylooktan
i) p-metoksyfenol
j) eter butylowo-propylowy (propoksybutan)
k) fenyloetanal
l) kwas o-aminobenzoesowy
m) N-etylo-N-metylopropanoamid
n) 3,5-dibromotoluen
o) kwas 3-chloro-2,2-dimetylopropanowy
p) 2-hydroksybenzenokarboaldehyd (aldehyd o-hydroksybenzoesowy)
q) N-metylo-3-chlorobutanoamid
r) bezwodnik benzoesowy
s) 2,2-dimetylopropan-1-ol
t) 3,5-dibromotoluen
u) 2-metylopropyloamina (izobutyloamina)
v) 1-bromo-2-metylocyklobutan
w) 1,6 dichloro 3,4,4,5,6 pentametylookt-1-yn
x) chlorek butanoilu
y) 2-metoksypropanonitryl
z) 1 bromo 2,2 dimetylo 3 nitrobutan
aa) bezwodnik propanowy
bb) mrówczan butylu
cc) kwas 2 amino 5 bromo 3 nitrobenzoesowy
dd) N,N-dimetylopropyloamina
ee) 2-chloro-1-nitropropan
ff) 3-chloropentan-2-ol
gg) benzoesan fenylu
hh) kwas 3,5 dinitrobenzenosulfonowy
28
 Nazewnictwo - zadania
ii) eter dimetylowy (metoksymetan)
jj) m jodofenol (1-hydroksy-3-jodobenzen)
kk) heksanoamid
ll) kwas o etoksybenzoesowy
mm) 2-(N-metylo-N-propyloamino)butan
nn) bezwodnik mrówkowo-pentanowy
oo) 2,4,6 trinitrofenol (1-hydroksy-2,4,6-trinitrobenzen)
pp) difenyloamina
qq) m nitrotoluen (1-metylo-3-nitrobenzen)
rr) 3-bromo-2-metylo-2-nitropentan
ss) pentan-3-on (keton dietylowy)
tt) propano-1,2,3-triol
uu) prop-2-en-1-ol
vv) butanian etylu
ww) bromek acetylu
xx) kwas 2-aminopropanowy
yy) 3,4-dimetylopentanian-2-metylopropylu
zz) 4-etylo-2-metyloheptan-2-on
aaa) cykloheksanon
bbb) 3-(2-metylopropylo)penta-1,4-dien
ccc) 2,3,3,4 tetrachloroheks-1-en
29
 Zasady pracy w laboratorium chemii organicznej
4. Materiały pomocnicze do zajęć praktycznych
4.1. Zasady pracy w laboratorium chemii organicznej
Podczas pracy w laboratorium chemii organicznej - jak w każdym laboratorium chemicznym -
należy zachować ostrożność. Specyfika zajęć laboratoryjnych z  Chemii organicznej polega
jednak na tym, że wymagają one stosowania substancji organicznych, które często są palne
i niebezpieczne dla zdrowia. Dlatego w laboratorium chemii organicznej należy:
1. Zawsze nosić odzież ochronną, tj. fartuch, rękawice, okulary ochronne,
a długie włosy na czas pracy w laboratorium związywać z tyłu głowy.
2. Niebezpieczne ciecze, takie, jak: lotne, palne, toksyczne rozpuszczalniki organiczne,
stężone kwasy nieorganiczne, przelewać pod sprawnie działającym wyciągiem.
3. Odmierzone pod wyciągiem ciecze przenosić do swojego miejsca pracy
w kolbach zamkniętych odpowiednimi korkami.
4. Ogrzewanie rozpuszczalników organicznych prowadzić zawsze pod chłodnicą zwrotną.
5. Zużyte lub niepotrzebne rozpuszczalniki i substancje organiczne umieszczaćw specjalnie
przeznaczonych na nie naczyniach lub pojemnikach.
6. Jakiekolwiek wątpliwości związane z wykonaniem ćwiczenia wyjaśniać u prowadzącego
zajęcia.
7. Po zakończeniu ćwiczenia umyć szkło, wytrzeć stół laboratoryjny, ustawić wszystko na
właściwym miejscu, wyłączyć przewody elektryczne z sieci i sprawdzić, czy wszystkie
krany wodociągowe i kurki gazowe są dokładnie zamknięte. Umyć ręce.
W laboratorium chemii organicznej nie wolno:
1. Przebywać, uruchamiać sprzętów/aparatury, rozpoczynać eksperymentów bez zgody
prowadzącego zajęcia.
2. Pozostawiać mieszaniny reakcyjnej bez nadzoru.
3. Spożywać pokarmów, pić napojów, palić tytoniu.
4. Badać smaku związków chemicznych, a badając ich zapach należy zachować jak
największą ostrożność  w żadnym wypadku nie wolno wdychać par związku.
5. Pipetować ustami.
6. Dotykać substancji chemicznych rękami  do tego celu używa się specjalnych łopatek lub
łyżeczek.
7. Włączać palników gazowych, jeżeli w ich pobliżu znajdują się substancje palne.
8. Palić palników gazowych bez potrzeby  palniki należy wyłączać bezpośrednio po ich
użyciu.
30
 Destylacja
4.2. DESTYLACJA
Cele ćwiczenia: 1) Zapoznanie się z techniką destylacji jako metodą oznaczania temperatury wrzenia
substancji oraz jako metodą rozdziału składników mieszanin ciekłych;
2) Przeprowadzenie destylacji prostej szeregu związków organicznych i określenie
zależności między temperaturą wrzenia związku a jego budową chemiczną;
3) Przeprowadzenie destylacji prostej i frakcyjnej dwuskładnikowej ciekłej
mieszaniny związków organicznych; porównanie skuteczności rozdziału
mieszanin tymi metodami.
1. Wprowadzenie
Destylacja jest techniką eksperymentalną, która polega na ogrzaniu substancji ciekłej do
temperatury wrzenia, a następnie skropleniu powstałych oparów przez ich ochłodzenie. Skroplone
opary, czyli ciecz otrzymywanÄ… w wyniku procesu destylacji, nazywa siÄ™ destylatem.
Destylacja jest powszechnie stosowana zarówno w laboratoryjnych, jak i przemysłowych
syntezach związków organicznych do oczyszczania surowych (tzn. otrzymanych bezpośrednio po
syntezie) lub prawie końcowych (tzn. wstępnie oczyszczonych innymi metodami) ciekłych produktów
reakcji. Metodą destylacji usuwa się również rozpuszczalniki z roztworów powstałych po syntezach
organicznych lub po procesie ekstrakcji. Prowadzona w rafineriach destylacja frakcyjna ropy naftowej
umożliwia uzyskanie paliw (benzyny, nafta, olej napędowy), a także olejów smarowych i wosków.
Sucha pozostałość po tej destylacji to asfalt.
Destylacja jest ponadto precyzyjnym sposobem wyznaczania temperatury wrzenia związków
chemicznych.
2. Temperatura wrzenia związków chemicznych
Wraz ze wzrostem temperatury cieczy, rośnie też prężność (ciśnienie) oparów znajdujących się
nad jej powierzchnią. Gdy prężność ta osiągnie wartość ciśnienia zewnętrznego ciecz zaczyna wrzeć.
Temperaturę, w której następuje zrównanie prężności oparów nad cieczą i ciśnienia zewnętrznego,
nazywa się temperaturą wrzenia. W temperaturze wrzenia ma miejsce przejście fazowe: substancja
ze stanu ciekłego przechodzi w stan gazowy.
Temperatura wrzenia wyznaczona dla określonego
ciśnienia zewnętrznego jest wielkością charakte-
p
p
rystyczną danego związku chemicznego, tzn. każdy
związek chemiczny pod określonym ciśnieniem ma
ściśle określoną temperaturę wrzenia. Jest to więc
ważny parametr charakteryzujący substancję. Nie jest
patm
patm
to jednak wielkość wystarczająca do identyfikacji
związku chemicznego, gdyż wiele substancji ma tę
samą lub bardzo zbliżoną wartość temperatury wrzenia
(np. benzen i cykloheksan twrz = 80oC, aceton
p2
p2
i dietyloamina twrz = 56oC).
Substancje czyste mają stałą temperaturę wrzenia.
W praktyce w przypadku takich substancji wyznaczona
eksperymentalnie różnica temperatury między począt-
T2 T1
T2 T1
kiem a końcem wrzenia nie powinna być większa niż
Temperatura [oC]
Temperatura [oC]
2-3 stopnie. Mieszaniny zawierające związki o różnych
temperaturach wrzenia charakteryzujÄ… siÄ™ zwykle
Rys. 1. Zależność temperatury wrzenia szerszym zakresem jej wartości.
Temperatura wrzenia substancji zależy od ciśnienia
cieczy od ciśnienia zewnętrznego.
zewnętrznego. Wraz z obniżeniem ciśnienia jej wartość
spada, co ilustruje Rys.1. Wartości temperatury wrzenia
31
 Destylacja
różnych związków organicznych można znalez
ć w poradnikach fizykochemicznych, w katalogach
firm sprzedajÄ…cych odczynniki chemiczne oraz na wielu stronach internetowych. Zwykle sÄ… to
wartości wyznaczone w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Jeśli jednak podana temperatura
wrzenia substancji odnosi się do innego ciśnienia, to jest to wyraz
nie zaznaczone. Tak więc zapis:
twrz = 80oC/20 mm Hg oznacza, że substancja wrze w temperaturze 80oC pod ciśnieniem 20 mm Hg.
W niektórych poradnikach zamieszczone są wykresy, za pomocą których można oszacować wartość
temperatury wrzenia pod określonym ciśnieniem, jeśli znamy jej wartość dla innego ciśnienia.
Jak wspomniano wcześniej, w temperaturze wrzenia substancja ze stanu ciekłego przechodzi
w stan gazowy. W gazach - w przeciwieństwie do cieczy - cząsteczki nie oddziaływują i nie
kontaktują się ze sobą. Przemiana cieczy w gaz wymaga więc dostarczenia takiej ilości energii, która
przewyższy energię oddziaływań międzycząsteczkowych występujących w cieczy. Im silniej
oddziaływują ze sobą cząsteczki związku chemicznego, tym większa energia potrzebna jest do
przemiany ciecz-gaz i tym wyższa temperatura wrzenia cieczy. Oddziaływania międzycząsteczkowe,
a tym samym i temperatura wrzenia, zależą od budowy cząsteczki. Na temperaturę wrzenia związków
organicznych wpływają: polarność cząsteczek, występowanie wiązań wodorowych, a w przypadku
związków należących do tej samej grupy - także masa molowa, rozgałęzienie/brak rozgałęzienia
łańcuchów węglowych.
3. Podstawy teoretyczne destylacji mieszanin
W procesie destylacji mieszanin wykorzystuje się fakt, że para znajdująca się nad wrzącą cieczą
ma zwykle inny skład niż ta ciecz. Składy wrzącej cieczy i oparów będących ze sobą w równowadze
w różnych temperaturach w warunkach stałego ciśnienia (p = const) dla dwuskładnikowej mieszaniny
związków A i B można odczytać z wykresu przedstawionego na Rys. 2. Wykres ten nazywa się
diagramem fazowym ciecz-gaz, a pokazany kształt diagramu jest charakterystyczny dla takich
układów dwuskładnikowych, których składniki mieszają się ze sobą bez ograniczeń zarówno w fazie
ciekłej, jak i gazowej.
Na diagramie fazowym (Rys. 2) oś odciętych
pokazuje skład mieszaniny związków A i B
T T
T T
wyrażony w postaci ułamka molowego składnika B
p=const
p=const
(zawartość składnika A w mieszaninie wynosi
TB0 wym punkcie osi odciętych ułamek molowy
TB0 więc: 1-ułamek molowy składnika B). W początko-
gaz
gaz
składnika B wynosi 0, tzn. układ jest czystym
Tk
Tk
T3 odciętych ułamek W końcowym B wynosi 1,
T3 składnikiem A. molowy składnika punkcie osi
c+g
c+g
T2
T2 a więc układ zawiera wyłącznie czysty składnik B.
T0
T0 Na osi rzędnych zaznaczono temperaturę, przy
T1
T1 czym TA0 i TB0 oznaczajÄ… odpowiednio:
TA0 ciecz
TA0 ciecz
temperaturÄ™ wrzenia zwiÄ…zku A i temperaturÄ™
wrzenia zwiÄ…zku B. W przedstawionym przypadku
TA0 < TB0, czyli składnik A jest bardziej lotny od B.
Dolna krzywa na wykresie nazywa siÄ™ krzywÄ…
0 y1 y2 x1 x2 x3 1
0 y1 y2 x1 x2 x3 1
y3 x0
y3 x0
parowania i przedstawia zależność temperatury
Ułamek molowy składnika B
Ułamek molowy składnika B
wrzenia cieczy od jej składu (oznaczanego literą x).
Górna krzywa, nazywana krzywą skraplania,
Rys. 2. Diagram fazowy ciecz-gaz
pokazuje zależność temperatury skraplania od
układu dwuskładnikowego
składu oparów (oznaczanego literą y).
związków A i B (p=const).
W obszarze poniżej krzywej parowania mieszanina związków A i B jest fazą ciekłą. W obszarze
powyżej krzywej skraplania mieszanina jest gazem, a pomiędzy krzywymi układ jest dwufazowy -
znajdują się w nim ciecz i gaz. Jeśli ciecz o składzie xo (Rys. 2) będziemy ogrzewać bez skraplania
i odbierania oparów, to w temperaturze To zacznie ona wrzeć (w układzie pojawi się pierwsza porcja
pary). W zakresie temperatur od T0 do Tk układ będzie dwufazowy, a w temperaturze Tk cała ciecz
obecna w układzie przekształci się w gaz o składzie identycznym, jak skład wyjściowej cieczy.
32
 Destylacja
Linie poziome poprowadzone równolegle do osi odciętych dla określonych wartości temperatury
(izotermy) w punktach przecięcia z krzywymi parowania i skraplania wyznaczają składy wrzącej
cieczy i oparów, współistniejących ze sobą w równowadze w obszarze dwufazowym w danej
temperaturze. Tak więc w temperaturze T1 ułamek molowy składnika B we wrzącej cieczy wynosi x1,
a w oparach pozostających w równowadze z tą cieczą - y1 (Rys. 2). W temperaturze T2 składy te są
równe odpowiednio: x2 i y2, a w temperaturze T3 - x3 i y3 (Rys. 2).
Należy zauważyć, że zawsze opary zawierają mniej składnika B niż wrząca ciecz będąca z nimi
w równowadze (Rys. 2: y1wzbogacone w bardziej lotny składnik A. Jeśli więc w procesie destylacji będziemy skraplać opary
powstające w czasie wrzenia cieczy, to otrzymany destylat będzie mieszaniną związków A i B,
zawierającą więcej substancji A. W kolbie destylacyjnej pozostanie natomiast ciecz wzbogacona
w mniej lotny składnik B. Taka ciecz wrze w wyższej temperaturze niż ciecz zawierająca więcej
bardziej lotnego składnika A. Dlatego w czasie destylacji - w miarę oddestylowywania lotniejszego
składnika z mieszaniny - konieczne jest stopniowe zwiększanie ogrzewania cieczy znajdującej się
w kolbie destylacyjnej. Stopniowo też - wraz ze wzrostem temperatury wrzenia cieczy w kolbie -
zmienia się skład destylatu: rośnie w nim zawartość mniej lotnego składnika B.
Z przedstawionych rozważań wynika, że destylacja polegająca na prostym skropleniu oparów
powstających podczas wrzenia cieczy dwuskładnikowej nie pozwala uzyskać pełnego rozdziału
substancji zawartych w cieczy. Destylat jest zawsze mieszaniną obu związków; jej skład zmienia się
w miarę postępu procesu destylacji. Wniosek ten jest słuszny również dla mieszanin zawierających
więcej składników.
Istnieją mieszaniny ciekłe, których składników nie można rozdzielić metodą destylacji, gdyż - tak,
jak substancje czyste - wykazują stałą temperaturę wrzenia. Są to mieszaniny azeotropowe. Mogą one
zawierać dwa lub więcej związków. Mieszaniny azeotropowe tworzone przez określone związki mają
ściśle określony skład i temperaturę wrzenia.
Diagramy fazowe ciecz-gaz (p=const) układów dwuskładnikowych, w których występuje punkt
azeotropowy przedstawiono na Rys. 3. Pierwszy typ diagramu (Rys. 3a) pokazuje układ, w którym
występuje zjawisko tzw. azeotropii dodatniej, tzn. temperatura wrzenia azeotropu (TAz) jest niższa niż
jego składników. Drugi typ diagramu (Rys. 3b) jest charakterystyczny dla tzw. azeotropii ujemnej,
w której temperatura wrzenia azeotropu jest wyższa niż jego składników. Azeotropy dodatnie są
częściej spotykane. Tworzą je na przykład: etanol z wodą, benzen z metanolem, benzen z etanolem,
benzen z tetrachlorkiem węgla, tetrachlorek węgla z metanolem, dioksan z wodą, toluen z wodą.
Azeotropy ujemne występują m. in. w układach: aceton-chloroform, woda-kwas mrówkowy.
a) b)
T T T T
T T T T
p=const
p=const
p=const
p=const
gaz
gaz
TAz
TAz
TA0 gaz
TA0 gaz
c+g
c+g
TB0
TB0
c+g
c+g
c+g
c+g
TA0
TA0
c+g
c+g
ciecz
ciecz
TB0
TB0
TAz
TAz
ciecz
ciecz
0 1
0 1
0
0
xaz= yAz 1
xaz= yAz 1
xaz= yAz
xaz= yAz
Ułamek molowy składnika B Ułamek molowy składnika B
Ułamek molowy składnika B Ułamek molowy składnika B
Rys. 3. Diagramy fazowe ciecz-gaz (p=const) układów dwuskładnikowych, w których
występuje zjawisko azeotropii: a) azeotropia dodatnia; b) azeotropia ujemna.
Jedną z metod rozdziału składników dwuskładnikowej mieszaniny azeotropowej jest dodanie do
niej trzeciego składnika, który tworzy z jego składnikami dodatni azeotrop trójskładnikowy
33
 Destylacja
i przeprowadzenie destylacji takiego układu. Na przykład azeotrop etanol-woda zawiera 95,6%
etanolu i 4,4% wody, a wrze w temperaturze 78,15oC. Dodanie do niego benzenu powoduje, że
powstaje azeotrop woda-etanol-benzen, który wrze w temperaturze 64,9oC. Temperatura wrzenia
azeotropu benzenu z etanolem wynosi natomiast 67,8oC, a etanolu 78,3oC. Podczas destylacji
prowadzonej w układzie etanol-woda-benzen wyodrębniany jest więc najpierw azeotrop potrójny,
potem azeotrop benzenu z etanolem, a na końcu czysty etanol. Jest to sposób na uzyskanie
bezwodnego etanolu.
Więcej informacji na temat równowag ciecz-gaz w różnych układach można znalez
ć
w podręczniku [1] wymienionym w spisie literatury na końcu instrukcji lub w innych podręcznikach
chemii fizycznej.
4. Techniki prowadzenia destylacji
Istnieją różne techniki prowadzenia procesu destylacji. Należą do nich między innymi:
" Destylacja prosta;
" Destylacja frakcyjna (inaczej: rektyfikacja);
" Destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (inaczej: destylacja próżniowa);
" Destylacja z parÄ… wodnÄ….
Destylacja prosta  polega na jednokrotnym skropleniu oparów powstających podczas wrzenia
cieczy i zebraniu ich w odbieralniku w postaci destylatu. Jak wykazano wcześniej (p. 3) jest to
metoda, która nie pozwala na skuteczny rozdział składników mieszaniny, zwłaszcza wtedy, gdy mają
one zbliżone temperatury wrzenia. Na ogół uważa się, że wykorzystując destylację prostą można
uzyskać zadowalający rozdział takich substancji, których temperatury wrzenia różnią się o co najmniej
80oC. Destylacja prosta bardzo dobrze nadaje siÄ™ natomiast do wyznaczania temperatury wrzenia
związków chemicznych.
Typowy zestaw laboratoryjny do prowadzenia destylacji prostej pokazano na Rys. 4. Wszystkie
elementy zestawu łączą się ze sobą zakończeniami wykonanymi ze szlifowanego szkła, co zapewnia
szczelność układu. Montując zestaw do destylacji należy pamiętać o posmarowaniu szlifów smarem
silikonowym, gdyż ułatwia to demontaż aparatury po procesie.
DestylowanÄ… ciecz wlewa siÄ™ do kolby
destylacyjnej 1 (Rys.4). Kolba powinna być
napełniona cieczą nie więcej niż w dwóch
trzecich objętości. Następnie do cieczy
wrzuca siÄ™ tzw. kamyki wrzenne, czyli
porowaty materiał, który zapobiega
miejscowemu przegrzewaniu siÄ™ cieczy
podczas ogrzewania (powietrze uwalniajÄ…ce
się z porów kamyków miesza ciecz). Opary
znad wrzÄ…cej cieczy przez nasadkÄ™
destylacyjną 2 wędrują do chłodnicy Liebiega
3 z wodnym płaszczem chłodzącym, gdzie
ulegajÄ… skropleniu. Skroplone opary, czyli
destylat, spływają przez przedłużacz 4 do
kolby 5, nazywanej odbieralnikiem. W skład
zestawu wchodzi ponadto termometr 6, który
pozwala określić temperaturę wrzenia
destylowanej cieczy. Aby uniknąć błędów
w określeniu temperatury wrzenia termometr
Rys. 4. Zestaw aparatury laboratoryjnej
w nasadce destylacyjnej należy umieścić na
do prowadzenia destylacji prostej
takiej wysokości, żeby cały zbiornik z cieczą
(opis elementów w tekście).
pomiarową (rtęcią, alkoholem) był omywany
34
 Destylacja
pomiarową (rtęcią, alkoholem) był omywany przez opary wędrujące do chłodnicy.
W przypadku destylacji cieczy o wysokiej temperaturze wrzenia (powyżej 150oC) zamiast
chłodnicy wodnej można użyć chłodnicy powietrznej, czyli zwykłej rurki szklanej zakończonej
z obydwu stron odpowiednimi szlifami.
Destylację należy prowadzić w taki sposób, żeby destylat spływał do odbieralnika z szybkością
1-2 krople na sekundÄ™. OsiÄ…ga siÄ™ to regulujÄ…c odpowiednio ogrzewanie cieczy znajdujÄ…cej siÄ™
w kolbie destylacyjnej.
Destylacja frakcyjna (rektyfikacja)  jest techniką, w której tylko część oparów znad wrzącej
cieczy wędruje do chłodnicy, gdzie ulegają skropleniu. Pozostała część zawraca do kolby
destylacyjnej. Opary skraplane w chłodnicy zawierają bardziej, a zawracane do kolby - mniej lotny
składnik mieszaniny. Dzięki temu w rektyfikacji uzyskuje się skuteczniejszy rozdział związków
zawartych w mieszaninach niż w destylacji prostej.
Typowy zestaw laboratoryjny do prowa-
dzenia destylacji frakcyjnej pokazano na Rys. 5.
Różni się on od aparatury, w której wykonuje się
destylacjÄ™ prostÄ… (Rys. 4) tylko jednym elemen-
tem: umieszczoną między kolbą a nasadką
destylacyjnÄ… kolumnÄ… destylacyjnÄ… 2, nazywanÄ…
inaczej kolumnÄ… rektyfikacyjnÄ….
Kolumna destylacyjna to szklana rura, która
zawiera skierowane do wewnÄ…trz wypustki (tzw.
kolumna Vigreux) lub odpowiednie wypełnienie
(np. szklane pierścienie, nazywane pierścieniami
Raschiga). W kolumnie stykajÄ… siÄ™ ze sobÄ…
przeciwprądowo opary wędrujące znad cieczy
wrzącej w kolbie destylacyjnej i spływająca do
kolby destylacyjnej ciecz, powstajÄ…ca w wyniku
skroplenia części tych oparów. Wypełnienie
kolumny lub wypustki (w przypadku kolumny
Vigreux) zapewniają zwiększenie powierzchni
styku obu faz. Ciecz zawrócona do kolby
Rys. 5. Zestaw aparatury laboratoryjnej
destylacyjnej jest ponownie ogrzewana, jej
do prowadzenia destylacji frakcyjnej
opary wędrują do kolumny destylacyjnej,
(opis elementów w tekście).
gdzie część z nich ulega skropleniu, a część
(zawierająca bardziej lotny składnik mieszaniny) dostaje się do nasadki destylacyjnej, skąd
przechodzą do chłodnicy i - po skropleniu - zbierane są w odbieralniku jako destylat, który
w rektyfikacji nazywa siÄ™ rafinatem. Takie skraplanie cieczy w kolumnie destylacyjnej i jej ponowne
odparowywanie połączone z rozdziałem oparów odbywa się w czasie destylacji frakcyjnej
wielokrotnie. Można więc powiedzieć, że podczas rektyfikacji wielokrotnie powtarza się destylację
prostÄ….
Właściwy dobór kolumny destylacyjnej pozwala rozdzielić mieszaninę na czyste składniki.
W praktyce jednak często w wyniku rektyfikacji - poza czystymi substancjami - otrzymuje się również
tzw. międzyfrakcje, które są mieszaninami substancji zawartych w destylowanej cieczy.
Destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (próżniowa)  obniżenie ciśnienia umożliwia
prowadzenie procesu destylacji w niższej temperaturze niż pod ciśnieniem atmosferycznym, gdyż - jak
wspomniano wcześniej (p. 2) - temperatura wrzenia związków chemicznych maleje wraz ze spadkiem
ciśnienia zewnętrznego.
Destylację pod zmniejszonym ciśnieniem stosuje się w przypadku wysokowrzących substancji
(tzn. o temperaturze wrzenia wyższej niż 150oC), a także w przypadku związków, które rozkładają się
w wysokiej temperaturze.
Pod zmniejszonym ciśnieniem można prowadzić zarówno destylację prostą, jak i frakcyjną.
Zestawy aparatury są nieco inne niż te, których używa się do odpowiednich destylacji pod ciśnieniem
35
 Destylacja
atmosferycznym (Rys. 4, 5). Dodatkowym elementem jest kapilara, która zapobiega przegrzewaniu się
destylowanej cieczy (w destylacji próżniowej nie stosuje się kamyków wrzennych). Zamiast
przedłużacza na końcu chłodnicy umieszcza się zwykle specjalną, wielodrożną nasadkę (tzw. krówkę),
która pozwala zmieniać odbieralniki bez rozmontowywania aparatury. Przystępując do destylacji
próżniowej trzeba też pamiętać o tym, że kolba destylacyjna powinna być napełniona cieczą najwyżej
do połowy objętości.
Obniżone ciśnienie uzyskuje się za pomocą pomp podłączonych do aparatury. Najczęściej
w laboratoriach stosowane są pompki wodne (dają ciśnienie 10-25 mm Hg) lub rotacyjne pompy
olejowe (dają ciśnienie ok. 0,1 mm Hg). Kontrolę ciśnienia w aparaturze do destylacji zapewniają
manometry, stanowiące jeden z jej elementów.
Szczegółowe opisy zestawów laboratoryjnych i sposobów prowadzenia destylacji próżniowej
można znalez
ć w podręcznikach [2] i [3] podanych w spisie literatury na końcu instrukcji.
Destylacja z parą wodną  to, podobnie jak destylacja próżniowa, sposób na obniżenie
temperatury destylacji. Podczas takiej destylacji para wodna (wytwarzana w osobnym kotle lub
bezpośrednio w kolbie destylacyjnej)  unosi opary substancji, które wraz z nią wędrują do chłodnicy
i ulegajÄ… skropleniu.
Destylować z parą wodną można substancje, które nie mieszają się z wodą i są lotne z parą
wodną, tzn. mają odpowiednio wysoką prężność pary. Destylat jest dwufazową mieszaniną wody
i związku organicznego, którą łatwo jest rozdzielić, po czym związek organiczny należy wysuszyć.
Trzeba podkreślić, że ze względu na niemieszalność cieczy diagram fazowy pokazany
na Rys. 2 nie obowiązuje w przypadku destylacji z parą wodną - tutaj skład oparów (a więc
i destylatu) nie zmienia siÄ™ w trakcie procesu. Temperatura wrzenia mieszaniny zawierajÄ…cej
dwie nie mieszające się ciecze jest zawsze niższa od temperatury wrzenia niżej wrzącego składnika.
Dlatego destylacja z parą wodną pozwala przedestylować wysokowrzące substancje w temperaturze
poniżej temperatury wrzenia wody, czyli 100oC.
Destylacja z parą wodną jest stosowana do wyodrębniania niektórych substancji z produktów
naturalnych lub wydzielania produktów reakcji ze smolistych mieszanin poreakcyjnych.
Przykładowy zestaw aparatury laboratoryjnej do prowadzenia destylacji z parą wodną pokazano
na Rys. 6. Więcej na temat tego procesu można przeczytać w podręcznikach [2] i [3] podanych
w spisie literatury na końcu instrukcji.
1. kolba destylacyjna
2. nasadka do destylacji z parÄ…
wodnÄ…
3. chłodnica Liebiega z wodnym
płaszczem chłodzącym
4. przedłużacz
5. odbieralnik
6. kociołek
7. wskaz
nik poziomu wody
8. rurka bezpieczeństwa
Rys. 6. Zestaw aparatury laboratoryjnej do prowadzenia destylacji z parÄ… wodnÄ….
36
 Destylacja
5. Opis ćwiczeń
5.1. Oznaczanie temperatury wrzenia związków organicznych
W ćwiczeniu każdy zespół oznacza temperaturę wrzenia trzech lub czterech związków
organicznych otrzymanych od prowadzącego zajęcia. Stosuje się technikę destylacji prostej pod
ciśnieniem atmosferycznym.
Oznacza się temperaturę wrzenia wybranych spośród następujących związków: heksan, chlorek
metylenu (dichlorometan), propan-1-ol, 2,2-dimetylobutan, metanol, chloroform (trichlorometan),
izobutanol, heptan, butanon, 2-metylopentan, etanol, propanon (aceton), heksan-1-ol, tetrachlorometan
(czterochlorek wegla), propan-2-ol, butan-1-ol, butan-2-ol.
Po zakończeniu eksperymentów wartości temperatur wrzenia uzyskane przez wszystkie zespoły
wykonujące ćwiczenie należy spisać na tablicy. Następnie każdy zespół dokonuje analizy wyników
otrzymanych dla badanych substancji oraz dla pozostałych związków z listy podanej w poprzednim
akapicie (wartości temperatury wrzenia związków, które nie były wyznaczone na zajęciach należy
znalez
ć w odpowiednich tablicach). Efektem końcowym przeprowadzonej analizy będzie określenie
ogólnych zależności między budową związku organicznego a wartością temperatury wrzenia.
5.1.1. Wykonanie ćwiczenia
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. 3-4 ciecze organiczne 1.Zestaw do destylacji prostej pod ciśnieniem
atmosferycznym
. 2. Kamyki wrzenne
3. Cylindry miarowe
4. Lejek zwykły
5. Statywy, łączniki, łapy, podnośnik
laboratoryjny
6. Czasza grzejna z regulatorem mocy
Ćwiczenie należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
1. Zestawić aparaturę do destylacji prostej pod ciśnieniem atmosferycznym zgodnie z Rys. 4,
upewniając się, że wszystkie szlify są nasmarowane smarem silikonowym w wystarczającym
stopniu Kolbka destylacyjna powinna mieć pojemność 25 lub 50 cm3, a jako odbieralników
należy użyć kolbek stożkowych o pojemności 25 cm3. Pod kolbką destylacyjną powinien
znajdować się podnośnik laboratoryjny z ustawioną na nim czaszą grzejną.
2. Odmierzyć cylindrem miarowym 5 cm3 pierwszej cieczy.
3. Wlać ciecz do kolbki destylacyjnej znajdującej się w zestawie. Ciecz nalewa się przez lejek
włożony do nasadki destylacyjnej (zamiast termometru).
4. Do cieczy wrzucić kamyki wrzenne lub inny materiał porowaty.
5. Zamknąć nasadkę destylacyjną termometrem (pamiętać o nasmarowaniu szlifu!), podłączyć
dopływ zimnej wody do chłodnicy i rozpocząć ogrzewanie cieczy w kolbie destylacyjnej
przez włączenie czaszy grzejnej.
6. Od początku ogrzewania zapisywać co 1 minutę temperaturę pokazywaną przez termometr.
Zaznaczyć moment, w którym ciecz zacznie wrzeć w kolbie destylacyjnej i moment,
w którym opary zaczną skraplać się w chłodnicy (właściwa temperatura wrzenia cieczy).
Regulator mocy czaszy grzejnej ustawić na takim poziomie, żeby destylat spływał do
odbieralnika z szybkością 1-2 kropli na sekundę.
7. Gdy w kolbie destylacyjnej zostanie już niewiele cieczy zakończyć destylację. W tym celu
należy wyłączyć i odstawić na bok czaszę grzejną i ostudzić zestaw aparatury do temperatury
pokojowej.
37
 Destylacja
8. Zakręcić dopływ wody do chłodnicy i rozmontować ostudzony zestaw - zacząć od wyjęcia
termometru z nasadki destylacyjnej. Resztkę cieczy z kolby destylacyjnej wylać do
odpowiednich zlewek. Elementy zestawu przemyć acetonem i wysuszyć.
9. Powtórzyć punkty 1-8 dla pozostałych cieczy.
5.1.2. Opracowanie wyników
1. Narysować wykres zależności temperatury wskazywanej przez termometr od czasu ogrzewania
dla badanych cieczy (najlepiej wszystkie krzywe umieścić na jednym wykresie). Zaznaczyć czas,
w którym badane ciecze zaczęły wrzeć w kolbach i czas, po którym opary zaczęły skraplać się
w chłodnicy. Na podstawie przebiegu krzywych stwierdzić, jak zmienia się temperatura w czasie
destylacji i jakie są wartości temperatury wrzenia badanych związków.
2. Napisać grupowe wzory strukturalne i spisać wartości temperatury wrzenia substancji badanych
w trakcie ćwiczenia przez wszystkie zespoły oraz substancji, które nie były badane, ale znajdują
się na liście podanej w punkcie 5.1 instrukcji. Następnie pogrupować związki w taki sposób, żeby
można było określić:
a) zależność temperatury wrzenia od masy molowej w obrębie związków organicznych
należących do tej samej grupy;
b) zależność temperatury wrzenia od rodzaju łańcucha (prosty, rozgałęziony) dla związków
organicznych należących do tej samej grupy;
c) zależność temperatury wrzenia od rodzaju grupy funkcyjnej dla związków organicznych
zawierających takie same liczby atomów węgla w cząsteczce, ale różne grupy funkcyjne.
Podać zależności a)-c).
5.2. Rozdział dwuskładnikowej mieszaniny ciekłej metodami destylacji prostej
i destylacji frakcyjnej
W ćwiczeniu prowadzi się destylację dwuskładnikowych mieszanin ciekłych pod ciśnieniem
atmosferycznym stosujÄ…c dwie techniki: destylacjÄ™ prostÄ… i destylacjÄ™ frakcyjnÄ….
Każdy zespól destyluje jedną mieszaninę otrzymaną od osoby prowadzącej zajęcia. Mieszaniny
do destylacji oznaczone są dużymi literami alfabetu (A-K), a w ich skład wchodzą następujące związki
chemiczne: aceton, butan-1-ol, chlorek metylenu, cykloheksan, metanol, woda.
Na podstawie badania przebiegu destylacji mieszaniny obiema technikami porównuje się
skuteczność rozdziału jej składników metodą destylacji prostej i frakcyjnej. Z wyznaczonych wartości
temperatury wrzenia określa się, jakie związki zawiera mieszanina.
5.2.1. Wykonanie ćwiczenia
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. Ciekła mieszanina dwuskładnikowa 1.Zestaw do destylacji prostej pod ciśnieniem
atmosferycznym
. 2. Zestaw do destylacji frakcyjnej
pod ciśnieniem atmosferycznym
3. Kamyki wrzenne
4. Cylindry miarowe
5. Lejek zwykły
6. Statywy, łączniki, łapy, podnośnik
laboratoryjny
7. Czasza grzejna z regulatorem mocy
38
 Destylacja
Ćwiczenie należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
1. Zestawić aparaturę do destylacji prostej pod ciśnieniem atmosferycznym zgodnie z Rys. 4,
upewniając się, że wszystkie szlify są nasmarowane smarem silikonowym w wystarczającym
stopniu Kolbka destylacyjna powinna mieć pojemność 50 cm3, a jako odbieralników należy
użyć kolbek stożkowych o pojemności 25 cm3. Pod kolbką destylacyjną powinien znajdować
się podnośnik laboratoryjny z ustawioną na nim czaszą grzejną.
2. Odmierzyć cylindrem miarowym 25 cm3 mieszaniny.
3. Wlać ciecz do kolbki destylacyjnej znajdującej się w zestawie. Ciecz nalewa się przez lejek
włożony do nasadki destylacyjnej (zamiast termometru).
4. Do cieczy wrzucić kamyki wrzenne lub inny materiał porowaty.
5. Zamknąć nasadkę destylacyjną termometrem (pamiętać o nasmarowaniu szlifu!), podłączyć
dopływ zimnej wody do chłodnicy i rozpocząć ogrzewanie cieczy w kolbie destylacyjnej,
włączając czaszę grzejną.
6. Od początku ogrzewania zapisywać co 1 minutę temperaturę pokazywaną przez termometr.
Zaznaczyć moment, w którym ciecz zacznie wrzeć w kolbie destylacyjnej i moment,
w którym opary zaczną skraplać się w chłodnicy (właściwa temperatura wrzenia cieczy).
Regulator mocy czaszy grzejnej ustawić na takim poziomie, żeby destylat spływał do
odbieralnika z szybkością 1-2 kropli na sekundę.
7. Gdy w kolbie destylacyjnej zostanie już niewiele cieczy zakończyć destylację. W tym celu
należy wyłączyć i odstawić na bok czaszę grzejną i ostudzić zestaw aparatury do temperatury
pokojowej.
8. Zakręcić dopływ wody do chłodnicy i rozmontować ostudzony zestaw - zacząć od wyjęcia
termometru z nasadki destylacyjnej.
9. Zestawić aparaturę do destylacji frakcyjnej pod ciśnieniem atmosferycznym zgodnie z Rys. 5.
Użyć tej samej kolbki destylacyjnej, co do destylacji prostej (mycie kolbki nie jest konieczne)
Napełnić ją cieczą pozostałą po destylacji prostej i wrzucić nową porcję kamyków wrzennych,
koniecznie przed zamontowaniem kolumny destylacyjnej.
10. Powtórzyć punkty 6-8, z tym że po przedestylowaniu pierwszej frakcji cieczy zmienić
odbieralnik. Jeśli stwierdzi się obecność międzyfrakcji (tzn. w czasie destylacji cieczy
temperatura stale będzie wzrastać) należy zebrać ją w osobnym odbieralniku, a potem zmienić
odbieralnik i zbierać do niego czystą substancję, będącą drugim składnikiem mieszaniny.
11. Rozmontowany zestaw po destylacji umyć zgodnie z zaleceniem osoby prowadzącej zajęcia.
Przedestylowane substancje wylać do odpowiednich zlewek.
5.2.2. Opracowanie wyników
1) Narysować wykresy zależności temperatury wskazywanej przez termometr od czasu ogrzewania
badanej mieszaniny w trakcie destylacji prostej i destylacji frakcyjnej. Na podstawie przebiegu
krzywych stwierdzić, która technika destylacji umożliwia skuteczniejszy rozdział mieszaniny.
2) Podać, jakie związki wchodziły w skład badanej mieszaniny.
Literatura
[1] K. Pigoń, Z. Ruziewicz  Chemia fizyczna , PWN, Warszawa 1980, str. 158-170.
[2] A. Vogel,  Preparatyka organiczna , WNT, Warszawa 1984, str. 115-142.
[3]  Preparatyka organiczna , tłumaczenie z języka niemieckiego pod red. S. Bochwica, PWN,
Warszawa 1973, str. 58-78.
39
 Oznaczanie temperatury topnienia
4.3 OZNACZANIE TEMPERATURY TOPNIENIA
ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH
Cele ćwiczenia: 1) Zapoznanie się z techniką oznaczania temperatury topnienia jako metodą
charakteryzowania związków organicznych;
2) Oznaczenie temperatury topnienia czystych związków organicznych i ich
dwuskładnikowych mieszanin.
1. Wprowadzenie
Temperatura topnienia jest temperaturą, w której ustala się równowaga między stałą fazą substancji
krystalicznej a jej fazą ciekłą. W temperaturze topnienia substancja zmienia stan skupienia: z ciała stałego
przekształca się w ciecz. Zjawisko odwrotne, tzn. przemiana cieczy w ciało stałe, nazywa się
krzepnięciem i zachodzi w temperaturze krzepnięcia.
Żeby stały związek chemiczny uległ stopieniu trzeba go ogrzać, czyli dostarczyć mu energię. Jest ona
zużywana na zniszczenie sieci krystalicznej substancji, tj. na pokonanie sił, występujących między
elementami tej sieci. Większość związków organicznych tworzy kryształy molekularne. Elementami sieci
krystalicznej są w nich ułożone w sposób uporządkowany cząsteczki, powiązane ze sobą słabymi
oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Do zniszczenia takiej sieci krystalicznej wystarcza niewielka
energia. Związki organiczne topią się więc w stosunkowo niskich temperaturach (na ogół nie
przekraczających 300oC), znacznie niższych niż - tworzące kryształy jonowe lub kowalencyjne o silnie
powiÄ…zanych elementach sieci - substancje nieorganiczne.
Nie wymagający dużego nakładu energii ani długiego czasu pomiar temperatury topnienia jest często
wykorzystywany do charakteryzowania stałych substancji organicznych. Temperatura topnienia badanego
związku stanowi kryterium jego czystości. Na podstawie pomiaru temperatury topnienia można również
zidentyfikować związek organiczny.
2. Temperatura topnienia substancji czystych i mieszanin
Podobnie jak temperatura wrzenia ciekłych związków organicznych (por. instrukcja pt.  Destylacja ),
tak temperatura topnienia czystych krystalicznych substancji organicznych jest stała i ostra (w praktyce: w
przedziale 1-2 stopnie), a jej wartość jest wielkością charakterystyczną związku. Wiele związków
organicznych ma jednakową lub zbliżoną temperaturę topnienia. Dlatego sama znajomość jej wartości nie
wystarcza do identyfikacji związku. Jeśli jednak zmieszanie próbek dwóch związków o jednakowej
temperaturze topnienia nie powoduje zmiany tej temperatury, to są to próbki tego samego związku.
Mieszaniny różnych związków natomiast prawie
zawsze topią się w innej temperaturze niż ich
COOH
a)
czyste składniki. Prosty test, polegający na badaniu
O C CH3
temperatury topnienia mieszaniny nieznanego
związku i wzorca, pozwala więc stwierdzić,
O
z jakim zwiÄ…zkiem organicznym mamy do
b)
czynienia. Warto zauważyć, że takiego testu nie
można przeprowadzić dla cieczy, gdyż zmieszanie
\ dwóch substancji ciekłych o jednakowej
temperaturze wrzenia nigdy nie powoduje zmiany
tej temperatury.
Niektóre związki organiczne mogą wystę-
pować w kilku formach krystalicznych, nazywa-
polimorficznych charakteryzuje siÄ™ kilkoma temperaturami topnienia.
nych odmianami polimorficznymi. Dotyczy to
zwłaszcza związków wykazujących aktywność
biologiczną - na przykład kwas acetylosalicylowy,
czyli popularny lek (nazwy handlowe: Aspiryna,
Polopiryna S i in.), ma dwie odmiany poli-
Rys. 1. Kwas acetylosalicylowy: a) wzór
morficzne (Rys.1) [1]. Każda z form krystalicznych
strukturalny; b) formy krystaliczne [1].
tego samego zwiÄ…zku topi siÄ™ w innej temperaturze.
Dlatego substancja występująca w kilku odmianach
40
 Oznaczanie temperatury topnienia
polimorficznych charakteryzuje siÄ™ kilkoma temperaturami topnienia.
Temperatura topnienia substancji nie zależy tak znacznie od ciśnienia zewnętrznego jak temperatura
wrzenia, gdyż przemiana ciało stałe-ciecz nie jest połączona z tak dużą zmianą objętości jak przemiana
ciecz-gaz. Temperatura topnienia związków, których objętość w fazie ciekłej jest większa niż w fazie
stałej, rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego, w przeciwnym przypadku - maleje. W trakcie
topnienia związków organicznych objętość zwykle rośnie. Znanym związkiem chemicznym (wprawdzie
nieorganicznym), którego topnieniu towarzyszy spadek objętości, jest woda.
Podobnie jak w przypadku temperatury wrzenia, relacje między wartościami temperatury topnienia
związków organicznych można czasami przewidzieć biorąc pod uwagę budowę ich cząsteczek.
Decydujący wpływ na wartość temperatury topnienia ma symetria cząsteczki. Wiadomo, że substancje,
których cząsteczki są bardziej symetryczne topią się w wyższych temperaturach niż te o mniej
symetrycznej budowie cząsteczek. Poza tym związki, których cząsteczki mogą ulegać asocjacji wskutek
tworzenia wiązań wodorowych wykazują wyższą temperaturę topnienia niż te, które takiej asocjacji nie
ulegają. Przykłady ilustrujące te zależności zebrano w Tabeli 1.
Tabela 1. Wartości temperatury topnienia wybranych związków organicznych.
L.p. Nazwa związku Wzór strukturalny Temperatura Uwagi
topnienia
[oC]
NO2
1. o-nitroanilina 71 Wśród dipodstawionych
pochodnych benzenu tem-
NH2
peratura topnienia izome-
rów para jest zawsze wyż-
O2N
sza niż izomerów orto
2. m-nitroanilina 114
i meta.
NH2
3. p-nitroanilina 147
O2N NH2
kwas cis-
H
H Izomery geometryczne po-
4. 13
C C
oktadek-9-enowy
chodnych alkenów topią się
CH3(CH2)7 (CH2)7COOH
(kwas oleinowy)
w wyższych temperaturach,
gdy podstawniki znajdujÄ…
kwas trans- się w położeniach trans niż
CH3(CH2)7
H
5. 43
w położeniach cis.
oktadek-9-enowy C C
H
(CH2)7COOH
(kwas elaidynowy)
Kwasy karboksylowe majÄ…
O
O
6. bursztynian 18
wyższe temperatury topnie-
C-(CH2)2-C
OCH3
dimetylu
CH3O
nia niż izomeryczne z nimi
estry, bo czÄ…steczki kwa-
sów tworzą wiązania wodo-
O
7. kwas O 152
rowe, a cząsteczki estrów
C-(CH2)4-C
heksanodiowy
nie mogą tworzyć wiązań
OH
HO
(kwas adypinowy)
wodorowych.
Istnieją związki organiczne, które topią się z rozkładem, czego objawem jest zmiana zabarwienia
substancji i wydzielanie się gazów w trakcie topnienia, a także takie, które ulegają zwęgleniu zanim
osiÄ…gnÄ… temperaturÄ™ topnienia.
Jak już wspomniano, mieszaniny związków organicznych topią się w innych temperaturach niż czyste
substancje wchodzące w ich skład. Topnienie mieszaniny zwykle zaczyna się w niższej temperaturze niż
41
 Oznaczanie temperatury topnienia
temperatury topnienia jej składników - jest to tzw. depresja temperatury topnienia. Prawie zawsze proces
ten przebiega w pewnym (często szerokim) zakresie temperatur, chociaż znane są mieszaniny topiące się
w stałej temperaturze, czyli tak, jak czyste substancje. Należą do nich na przykład: mieszania kwasu
o-chlorobenzoesowego i o-jodobenzoesowego o pewnym, ściśle określonym składzie oraz mieszanina
kamfory i o-jodofenolu o ściśle określonym składzie. Jeśli jednak badana substancja nie topi się ostro,
a charakteryzuje się przedziałem temperatury topnienia - jak się na ogół przyjmuje - większym niż
5 stopni, to można z całą pewnością stwierdzić, że jest ona mieszaniną związków chemicznych. Dlatego
temperatura topnienia jest wygodnym kryterium, pozwalającym ocenić czystość substancji organicznej.
Proces topnienia mieszanin można analizować w oparciu o diagramy fazowe układów ciało stałe-
ciecz. Warto o tym przeczytać w podręczniku [2] wymienionym w spisie literatury na końcu tego
opracowania lub w innych podręcznikach chemii fizycznej.
3. Pomiar temperatury topnienia związków organicznych
Współczesna nauka dysponuje aparaturą, która umożliwia określenie temperatury topnienia,
związku chemicznego w sposób bardzo dokładny. Korzystanie z zaawansowanych (i drogich) urządzeń
nie jest jednak konieczne w laboratorium chemii organicznej, gdzie do rutynowych prac, tj. sprawdzenia
czystości lub identyfikacji stałej substancji uzyskanej po syntezie, wystarcza dokładność oznaczenia
zapewniania przez dużo prostsze (i tańsze) urządzenia.
W aparatach, których używa się w laboratoriach chemii organicznej do oznaczania temperatury
topnienia najczęściej, badaną substancję umieszcza się w kapilarze, tj. cienkościennej rurce szklanej
o średnicy wewnętrznej około 1 mm. Kapilara musi mieć zatopiony jeden koniec po to, żeby można było
napełnić ją substancją. Niektóre dostępne w handlu kapilary są otwarte z obu stron. Przed użyciem jeden
koniec takiej kapilary należy zatopić nad palnikiem gazowym. Substancję wprowadza się do kapilary,
umieszczając otwarty jej koniec w próbce badanego związku. Następnie delikatnie uderza się zatopionym
końcem o twarde podłoże (stół laboratoryjny), dzięki czemu proszek opada na dno kapilary. Warstwa
substancji w kapilarze powinna mieć wysokość ok. 2-3 mm.
Istnieją różne techniki pomiaru temperatury topnienia
substancji w kapilarze. W najprostszych rozwiÄ…zaniach
kapilarę przymocowuje się do zbiornika z rtęcią lub inną
cieczÄ… pomiarowÄ… termometru i umieszcza w Å‚az
ni
ogrzewającej, którą stanowi naczynie szklane z olejem
parafinowym lub silikonowym ogrzewane od zewnÄ…trz
elektryczną czaszą grzejną (dawniej używano palników
gazowych). Szybkość ogrzewania próbki reguluje się tak,
żeby początkowo była ona większa (do 10 stopni na
minutę), a w pobliżu temperatury topnienia - mniejsza (2-5
stopni na minutÄ™). W trakcie ogrzewania obserwuje siÄ™
zmiany próbki w kapilarze i zapisuje temperaturę,
w której pojawia się ciecz (początek topnienia) oraz
temperaturę, w której cała substancja przekształca się
w ciecz (koniec topnienia). Przykładem takiego prostego
rozwiÄ…zania jest aparat Thielego pokazany na Rys. 2. Opis
Rys. 2. Aparat Thielego
innych aparatów tego typu znajduje się w podręczniku [3].
Znacznie wygodniejsze w użyciu od aparatu Thielego i podobnych są urządzenia, w których kapilarę
z próbką umieszcza się w specjalnym, ogrzewanym elektrycznie bloku aluminiowym. Blok jest
oświetlony, a próbkę obserwuje się przez okular zaopatrzony w lupę. Zwykle takie aparaty umożliwiają
oznaczenie temperatury topnienia kilku preparatów jednocześnie - blok pomiarowy jest 2-3-
stanowiskowy. Szybkość ogrzewania próbek można regulować w przewidzianym przez producenta
zakresie. W nowszych aparatach kontrolÄ™ temperatury zapewnia czujnik platynowy, jej odczyt jest
cyfrowy, a wbudowana pamięć pozwala zapamiętywać po kilka temperatur dla każdej z próbek. Nie
trzeba więc zapisywać wyników w sposób tradycyjny w trakcie pomiaru.
W naszym laboratorium mamy do dyspozycji cztery nowoczesne aparaty do pomiaru temperatury
topnienia produkcji angielskiej firmy Stuart: jeden aparat SMP10, jeden aparat SMP3 i dwa aparaty
SMP20 (Fot. 1).
42
 Oznaczanie temperatury topnienia
Aparat SMP10 (Fot 1a) jest najprostszy. Można w nim umieścić jednocześnie 2 kapilary
z próbkami. W aparacie programuje się tak zwaną  temperaturę plateau , czyli wartość temperatury,
do której preparaty są ogrzewane szybko, z zadaną fabrycznie szybkością 20 stopni na minutę.
Temperatura plateau jest utrzymywana do momentu, gdy operator urządzenia nie włączy ponownie
ogrzewania, tym razem wolniejszego - ustawioną fabrycznie szybkością jest 2 stopnie na minutę.
Temperatury, w których obserwuje się zmiany preparatów należy odczytywać z wyświetlacza
diodowego i zapisywać w notatkach, gdyż aparat SMP10 nie ma wbudowanej pamięci.
Aparat SMP3 (Fot 1b) i aparaty SMP20 (Fot 1c) zawierajÄ… stanowiska pomiarowe na 3 kapilary.
Obydwa typy aparatów mają wyświetlacze ciekłokrystaliczne i więcej funkcji niż aparat SMP10. Operator
programuje temperaturę plateau, do której próbki ogrzewane są z maksymalną dla tych urządzeń
szybkością, tj. 10 stopni na minutę. Szybkość póz
niejszego ogrzewania można ustawić na dowolną
wartość z zakresu 0,5-10 stopni na minutę. Aparat SMP3 pozwala na zapamiętanie maksymalnie ośmiu,
a aparat SMP20 siedmiu, wybranych przez operatora, temperatur dla każdej badanej próbki.
a) b) c)
Fot. 1. Aparaty do pomiaru temperatury topnienia używane na zajęciach: a) SMP10, b) SMP3,
c) SMP20.
4. Opis ćwiczenia
Ćwiczenie polega na pomiarze temperatury topnienia 4-6 czystych związków organicznych oraz po
trzech dwuskładnikowych mieszanin tych związków.
Czystymi związkami organicznymi badanymi na zajęciach są: kwas benzoesowy, acetanilid, mocznik,
kwas trans-cynamonowy, kwas migdałowy (+/-) i antypiryna. Wzory strukturalne oraz tablicowe
temperatury topnienia tych związków zamieszczono w Tabeli 2.
Badane mieszaniny to: kwas trans-cynamonowy - mocznik, kwas migdałowy(+/-) - kwas
benzoesowy, acetanilid - antypiryna, zawierające różne proporcje wagowe składników (1:3, 1:1, 3:1).
Opracowanie wyników pomiarów przeprowadzonych na zajęciach pozwoli stwierdzić, jakie są
różnice między temperaturami topnienia czystych związków i mieszanin w badanych układach.
Tabela 2. Związki organiczne badane na zajęciach.
Nazwa Wzór Temperatura Nazwa związku Wzór strukturalny Temperatura
zwiÄ…zku strukturalny topnienia topnienia
[oC] [oC]
kwas 122 kwas 133
COOH H
benzoesowy trans- C C
H
COOH
cynamonowy
O OH
acetanilid 113 kwas 122
CH-COOH
NHCCH3
migdałowy (+/-)
CH3
O
CH3
mocznik 133 antypiryna N 113
H2N-C-NH2
N
O
43
 Oznaczanie temperatury topnienia
4.1. Wykonanie ćwiczenia
Uwaga! Ćwiczenie wymaga użycia palnika gazowego. Przy pracy z palnikiem należy zachować
szczególną ostrożność.
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. Kwas benzoesowy 1. Kapilary do pomiaru temperatury topnienia
2. Kwas trans-cynamonowy 2. Aparat do pomiaru temperatury topnienia
3. Kwas migdałowy (+/-) 3. Palnik gazowy
4. Mocznik
5. Acetanilid
6. Antypiryna
6. Mieszaniny kwasu cynamonowego z mocznikiem
7. Mieszaniny kwasu migdałowego (+/-) z kwasem benzoesowym
8. Mieszaniny acetanilidu z antypirynÄ…
Ćwiczenie należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
1. Przygotować 5 kapilar koniecznych do zmierzenia temperatury topnienia dwóch czystych
związków organicznych oraz trzech ich dwuskładnikowych mieszanin.
2. Jeden z końców każdej z kapilar zatopić nad palnikiem gazowym w sposób pokazany przez osobę
prowadzącą zajęcia.
3. Po upewnieniu się, że kapilary są dokładnie zatopione (należy starannie przyjrzeć się zatopionym
końcom - można użyć lupy) napełnić je badanymi substancjami, zaczynając od czystych
związków. Pamiętać o tym, że proszek w kapilarze powinien być  ubity , a jego wysokość
powinna wynosić 2-3 mm.
4. Włączyć aparat do pomiaru temperatury topnienia i ustawić wartość temperatury plateau tak, aby
była ona niższa o około 10oC od temperatury topnienia czystych substancji, które maja być
badane. Szybkość ogrzewania po osiągnięciu plateau (w aparatach, w których jest to możliwe)
ustawić na 2 lub 5 stopni na minutę.
5. Zewnętrzne ścianki kapilar zawierających czyste substancje wytrzeć ręcznikiem lub chusteczką
papierową, a następnie wstawić je do aparatu i rozpocząć pomiar temperatury topnienia. Zapisać
temperatury, w których w każdej z kapilar pojawią się pierwsze krople cieczy i temperatury,
w których znikną ostatnie kryształy - będą to zakresy temperatury topnienia badanych związków.
6. Po zakończeniu pomiarów ostudzić aparat do temperatury o około 5 stopni niższej niż
temperatura plateau następnych pomiarów.
7. Wytrzeć zewnętrzne ścianki kapilar zawierających mieszaniny związków, których temperatury
topnienia zostały oznaczone w poprzednich pomiarach. Kapilary wstawić do aparatu, ustawić
nowe plateau, licząc się z tym, że topnienie mieszanin może zacząć się w znacznie niższej
temperaturze niż topnienie ich składników. Szybkość ogrzewania po osiągnięciu plateau
pozostawić taką, jak w czasie pomiaru temperatury topnienia czystych substancji, co zapewni
jednakową dokładność pomiarów.
8. Po wyznaczeniu zakresów temperatury topnienia badanych mieszanin zakończyć pomiar
i ostudzić aparat.
9. Powtórzyć punkty 1-8 dla drugiej i (ewentualnie) trzeciej pary czystych związków organicznych
i ich mieszanin.
10. Po zakończeniu ćwiczenia wyłączyć ostudzony aparat do pomiaru temperatury topnienia.
4.2. Opracowanie wyników
1. Wyniki pomiarów temperatury topnienia zebrać w tabeli oraz przedstawić na wykresach, zależności
temperatury topnienia od składu mieszaniny wyrażonego w procentach wagowych. Należy
przygotować osobne wykresy dla każdego z badanych układów i nanieść na nie temperatury topnienia
czystych składników mieszanin. Tabela natomiast powinna być zgodna z podanym wzorem:
44
 Oznaczanie temperatury topnienia
Tabela. Wyniki pomiarów temperatury topnienia (tt) wykonanych na zajęciach.
Układ KC - M Układ KM - KB Układ AN - AP
zwiÄ…zek/mieszanina tt [oC] zwiÄ…zek/mieszanina tt [oC] zwiÄ…zek/mieszanina tt [oC]
KC KM AN
KC : M = 1 : 3 KM : KB = 1 : 3 AN : AP = 1 : 3
KC : M = 1 : 1 KM : KB = 1 : 1 AN : AP = 1 : 1
KC : M = 3 : 1 KM : KB = 3 : 1 AN : AP = 3 : 1
M KB AP
Oznaczenia: kwas cynamonowy- KC, mocznik- M, kwas migdałowy- KM, kwas benzoesowy- KB,
acetanilid- AN, antypiryna- AP.
2. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzić, w jaki sposób zmieszanie dwóch substancji zmienia
ich temperaturę topnienia - porównać badane układy.
Literatura
[1] A. Sykuła, E. A
odyga-Chruścińska, M. Zakrzewski,  Polimorfizm - jego wpływ na substancje
farmaceutyczne , Zeszyty Naukowe Politechniki A
ódzkiej, Nr 984, Chemia Spożywcza i Bio-
technologia, z. 70 (2006) 93-106 (http://ebipol.p.lodz.pl/Content/1244/93-106.pdf).
[2] K. Pigoń, Z. Ruziewicz  Chemia fizyczna , PWN, Warszawa 1980, str. 176-186.
[3] A. Vogel  Preparatyka organiczna , WNT, Warszawa 1984, str. 185.
45
 Krystalizacja
4.4 KRYSTALIZACJA
Cele ćwiczenia: 1) Zapoznanie się z techniką krystalizacji jako metodą oczyszczania stałych substancji;
2) Przeprowadzenie krystalizacji dwóch zanieczyszczonych związków organicznych
1. Wprowadzenie
Krystalizacja jest najważniejszą metodą oczyszczania stałych związków chemicznych. W procesie
tym zanieczyszczonÄ… substancjÄ™ rozpuszcza siÄ™ na gorÄ…co w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku,
a następnie schładza się uzyskany roztwór. W trakcie chłodzenia z roztworu wytrącają się kryształy
oczyszczonej substancji, które oddziela się od niego przez odsączenie.
Substancję oczyszczaną metodą krystalizacji nazywa się substancją krystalizowaną, a roztwór
pozostały po krystalizacji to ług pokrystaliczny.
W chemii organicznej krystalizacja jest najczęściej ostatnią metodą oczyszczania głównych
produktów reakcji, oddzielonych wstępnie od nie przereagowanych substratów i produktów ubocznych
innymi technikami (np. przez ekstrakcję) wtedy, gdy w temperaturze pokojowej są to związki stałe.
W przypadku związków ciekłych stosuje się destylację.
W procesie krystalizacji wykorzystuje się różnice rozpuszczalności substancji oczyszczanej
w używanym rozpuszczalniku w różnych temperaturach, a także różnice rozpuszczalności substancji
oczyszczanej i zanieczyszczeń w tym rozpuszczalniku. Dobry rozpuszczalnik do krystalizacji powinien:
- bardzo dobrze rozpuszczać oczyszczaną substancję na gorąco (w temperaturze wrzenia lub w jej
pobliżu) i bardzo słabo albo wcale w temperaturze pokojowej;
- bardzo dobrze rozpuszczać zanieczyszczenia już w temperaturze pokojowej - wtedy pozostaną one
w Å‚ugu pokrystalicznym
lub
- nie rozpuszczać zanieczyszczeń ani w temperaturze pokojowej, ani na gorąco - w tym przypadku
zanieczyszczenia oddziela siÄ™ przez sÄ…czenie gorÄ…cego roztworu substancji oczyszczanej.
Rozpuszczalnik stosowany do krystalizacji nie powinien ponadto reagować z oczyszczaną substancją,
jego temperatura wrzenia powinna być niższa od temperatury topnienia tej substancji (w przeciwnym
razie po krystalizacji otrzyma się olej zamiast ciała stałego), lotny (dzięki temu łatwiej jest wysuszyć
związek po krystalizacji), a także - w miarę możliwości - nietoksyczny, łatwo dostępny i tani.
Prostym sposobem, pozwalającym ocenić skuteczność oczyszczenia substancji na drodze krystalizacji
jest pomiar jej temperatury topnienia, który wykonuje się przed i po tym procesie. Jeśli po krystalizacji
nadal obserwuje się szeroki przedział temperatury topnienia, to proces należy powtórzyć. Krystalizację
prowadzi się wielokrotnie aż do momentu, gdy kolejne oczyszczanie tą metodą nie wpływa już na zmianę
temperatury topnienia substancji.
2. Metodyka prowadzenia krystalizacji
Czynnością wstępną, którą należy zawsze wykonać przed przystąpieniem do krystalizacji substancji
organicznej, jest pomiar jej temperatury topnienia.
Czasami, gdy dane dotyczące krystalizacji związku nie są dostępne w materiałach z
ródłowych
(przepisach preparatywnych, poradnikach fizykochemicznych itp.), konieczny jest także dobór
odpowiedniego rozpuszczalnika do przeprowadzenia tego procesu. W tym celu wykonuje się próby
rozpuszczania niewielkich ilości substancji w małych ilościach różnych rozpuszczalników
w temperaturze pokojowej i podwyższonych. Te, które rozpuszczają oczyszczaną substancję już na zimno
nie nadają się do krystalizacji. Jeśli natomiast substancja rozpuszcza się dopiero po ogrzaniu
z rozpuszczalnikiem, to ten rozpuszczalnik może być użyty do krystalizacji. Przy wyborze
rozpuszczalników do badań należy pamiętać, że związki polarne lepiej rozpuszczają się
w rozpuszczalnikach polarnych, a słabo polarne - w słabo polarnych. Najczęściej stosowanymi polarnymi
rozpuszczalnikami do krystalizacji związków organicznych są woda i etanol, a słabo polarnymi - toluen
i eter naftowy (mieszanina węglowodorów otrzymywana w wyniku rektyfikacji ropy naftowej,
zawierająca głównie izomery pentanu, heksanu i heptanu).
46
 Krystalizacja
Zdarza się, że nie udaje się znalez
ć odpowiedniego rozpuszczalnika do krystalizacji. Należy wówczas
wykonać próby rozpuszczania substancji w mieszaninie dwóch rozpuszczalników, z których jeden
powinien ją dobrze rozpuszczać, a drugi - słabo. Obydwa rozpuszczalniki muszą mieszać się ze sobą bez
ograniczeń. Żeby dobrać ich proporcje w mieszaninie rozpuszcza się znaną ilość zanieczyszczonej
substancji we wrzącym  dobrym rozpuszczalniku, używając minimalnej jego ilości, jaka jest potrzebna
do uzyskania klarownego roztworu. Następnie do gorącego roztworu dodaje się porcjami  gorszy
rozpuszczalnik aż do chwili, gdy kolejna dodana porcja powoduje lekkie zmętnienie roztworu, świadczące
o wytrącaniu kryształów. Zmętnienie likwiduje się, dodając niewielką ilość dobrego rozpuszczalnika.
Z mieszaniny rozpuszczalników o tak określonym składzie można przeprowadzić krystalizację. Parami
rozpuszczalników często stosowanymi do krystalizacji związków organicznych są: etanol-woda, aceton-
eter naftowy, dimetyloformamid-woda i kwas octowy-woda.
Po oznaczeniu temperatury topnienia zanieczyszczonej substancji i (ewentualnym) doborze
rozpuszczalnika lub mieszaniny rozpuszczalników można rozpocząć proces krystalizacji, na który składa
się kilka etapów, opisanych dokładniej w rozdziałach 2.1-2.5 tego opracowania. Są nimi:
1. Rozpuszczanie krystalizowanej substancji;
2. SÄ…czenie gorÄ…cego roztworu;
3. Chłodzenie roztworu - wytrącanie kryształów oczyszczonej substancji;
4. Sączenie uzyskanych kryształów pod zmniejszonym ciśnieniem;
5. Suszenie wykrystalizowanej substancji.
Jak wspomniano wcześniej, po wykonaniu krystalizacji mierzy się temperaturę topnienia wysuszonej
substancji, co pozwala stwierdzić, jaka była skuteczność przeprowadzonego oczyszczania.
2.1 Rozpuszczanie krystalizowanej substancji
W trakcie krystalizacji ogrzewa się zanieczyszczoną substancję z rozpuszczalnikiem aż do uzyskania
klarownego roztworu. Sposób rozpuszczania, a tym samym zestaw aparatury laboratoryjnej do
rozpuszczania substancji podczas krystalizacji, zależy od rodzaju używanego rozpuszczalnika.
W przypadku toksycznych, często też
palnych i lotnych rozpuszczalników
a) b) c)
organicznych, stosuje się zestaw składający
się z kolby okrągłodennej i chłodnicy
zwrotnej, przedstawiony na Rys. 1a.
W kolbie umieszcza się odważoną ilość
zanieczyszczonej substancji, do której dodaje
siÄ™ rozpuszczalnik i kamyki wrzenne.
Następnie do kolby pionowo wstawia się
chłodnicę, pod kolbą ustawia się czaszę
grzejnÄ… i - po doprowadzeniu wody do
chłodnicy - rozpoczyna ogrzewanie. Kiedy
rozpuszczalnik w kolbie zaczyna wrzeć, jego
opary wędrują do góry, dostają się do
chłodnicy, gdzie ulegają skropleniu.
Powstała ciecz wraca do kolby. Dzięki temu
toksyczne opary rozpuszczalnika nie
wydostają się na zewnątrz układu oraz nie
ma strat rozpuszczalnika w trakcie
krystalizacji, co jest bardzo ważne dla
prawidłowego przebiegu tego procesu.
Ze względu na opisane działanie,
Rys. 1. a) Zestaw aparatury laboratoryjnej do
polegajÄ…ce na zawracaniu skroplonych
ogrzewania pod chłodnicą zwrotną oraz różne
oparów do kolby, chłodnicę wstawianą
rodzaje chłodnic zwrotnych: b) chłodnica kulkowa;
pionowo do zestawu aparatury nazywa siÄ™
c) chłodnica ze spiralą chłodzącą
chłodnicą zwrotną. W laboratoriach
organicznych takie chłodnice stosuje się nie
tylko podczas krystalizacji, ale również we
47
 Krystalizacja
wszystkich układach do prowadzenia syntez w podwyższonych temperaturach, zwłaszcza w temperaturze
wrzenia mieszaniny reakcyjnej. Mają one różne konstrukcje. Poza pokazaną na Rys. 1a chłodnicą
Liebiega, często spotyka się chłodnice kulkowe (Rys. 1b) i chłodnice ze spiralą chłodzącą (Rys. 1c).
W porównaniu z chłodnicą Liebega, dwie pozostałe charakteryzują się większą sprawnością działania,
gdyż zapewniają większą powierzchnię chłodzenia oparów.
Do krystalizacji związków organicznych często używa się wody, która - jak wiadomo - jest
rozpuszczalnikiem nietoksycznym, niepalnym i niezbyt lotnym. Dlatego stosowanie aparatury z chłodnicą
zwrotnÄ… nie jest konieczne. Rozpuszczanie substancji podczas krystalizacji z wody prowadzi siÄ™ w zlewce
lub w kolbce stożkowej bez dodatkowych zabezpieczeń, starając się jednak, żeby woda nadmiernie nie
odparowała w trakcie tego procesu.
Istotną sprawą w czasie prowadzenia krystalizacji jest zastosowanie odpowiedniej ilości
rozpuszczalnika. Nie może go być zbyt dużo, gdyż utrudnia to wypadanie kryształów po ochłodzeniu
roztworu, a także powoduje niepotrzebne straty oczyszczonego związku w czasie krystalizacji. Każda
substancja rozpuszcza się bowiem w pewnym stopniu w rozpuszczalniku używanym do krystalizacji
również w temperaturze pokojowej, a większa ilość rozpuszczalnika wziętego do krystalizacji prowadzi
do powstania większej ilości ługu pokrystalicznego, w którym pozostaje więcej oczyszczonego związku.
Zbyt mała ilość rozpuszczalnika z kolei powoduje straty substancji związane z przedwczesnym
wytrącaniem się jej kryształów już na sączku podczas sączenia gorącego roztworu (por. p. 2.2).
W krystalizacji dąży się do tego, aby używać najmniejszych możliwych ilości rozpuszczalnika, tj. aby
w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika otrzymać roztwór nasycony lub o stężeniu bliskim stężeniu
roztworu nasyconego oczyszczanego związku. Najprościej jest to zrobić, jeśli dysponujemy danymi
dotyczącymi rozpuszczalności krystalizowanej substancji w stosowanym rozpuszczalniku w różnych
temperaturach. Wtedy do odważonej ilości związku można dodać od razu konieczną objętość
rozpuszczalnika. Jeśli jednak nie znamy rozpuszczalności substancji, to krystalizację należy prowadzić,
dodając rozpuszczalnik do wrzącej mieszaniny małymi porcjami od góry przez chłodnicę zwrotną aż do
całkowitego rozpuszczenia substancji lub do momentu, gdy kolejna dodana porcja rozpuszczalnika nie
zmienia już ilości nierozpuszczonych zanieczyszczeń.
Czasami po rozpuszczeniu krystalizowanej substancji uzyskuje się zabarwiony roztwór, co jest
związane z obecnością barwnych zanieczyszczeń. Zabarwienie usuwa się przez dodatek adsorbentu,
zwykle węgla aktywnego, który ma bardzo rozwiniętą powierzchnię.
2.2 SÄ…czenie gorÄ…cego roztworu
Od gorącego roztworu otrzymanego po rozpuszczeniu krystalizowanej substancji należy oddzielić
kamyki wrzenne, nierozpuszczalne zanieczyszczenia oraz węgiel aktywny lub inny adsorbent (w przypad-
ku, gdy był on używany). W tym celu stosuje się grawitacyjne
sÄ…czenie roztworu przez lejek z sÄ…czkiem karbowanym, nazywanym
inaczej sączkiem fałdowanym (Rys. 2) do odpowiedniej kolbki lub
zlewki.
Sączek karbowany, dzięki dużej powierzchni, zapewnia szybkie
sączenie, konieczne do tego, żeby roztwór nie zdążył się ochłodzić
podczas tej operacji, co spowodowałoby wypadanie kryształów już na
sączku. Lejek, do którego wkłada się sączek karbowany, ogrzewa się
zwykle wcześniej w suszarce lub w czaszy grzejnej. Istnieją również
Rys. 2. SÄ…czek karbowany
specjalne płaszcze grzejne dla lejków, szczególnie przydatne do
(fałdowany)
sączenia dużych ilości roztworów podczas krystalizacji.
2.3 Chłodzenie roztworu - wytrącanie kryształów oczyszczonej substancji
Przesączony roztwór pozostawia się w kolbce lub zlewce do powolnego ochłodzenia do temperatury
pokojowej, w trakcie którego krystalizuje oczyszczona substancja. Gdyby chłodzenie przebiegało zbyt
szybko, powstałyby drobne kryształy o dużej powierzchni, na której zostałyby zaadsorbowane
zanieczyszczenia z roztworu. Powolne chłodzenie zapewnia wzrost kryształów w czasie krystalizacji,
a większe kryształy adsorbują mniej zanieczyszczeń.
48
 Krystalizacja
Jeśli z ochłodzonego roztworu nie wypadają kryształy można spróbować zainicjować krystalizację
przez pocieranie szklaną bagietką ścianek naczynia (kolbki, zlewki), w którym znajduje się roztwór.
2.4 Sączenie uzyskanych kryształów pod zmniejszonym ciśnieniem
Powstałe kryształy oddziela się od ługu pokrystalicznego przez odsączenie pod zmniejszonym
ciśnieniem.
Zestaw aparatury laboratoryjnej do sÄ…czenia pod
zmniejszonym ciśnieniem przedstawiono na Rys. 3. Składa
się on z podłączanej do pompy próżniowej (zwykle
wodnej) kolby ssawkowej i lejka Büchnera lub lejka ze
spiekiem szklanym. Szczelne połączenie kolby z lejkiem,
konieczne do uzyskania podciśnienia w układzie, zapewnia
najczęściej uszczelka gumowa, chociaż istnieją lejki ze
spiekiem szklanym i kolby ssawkowe Å‚Ä…czone za pomocÄ…
szklanych szlifów.
Lejek Büchnera jest wykonany z porcelany lub szkÅ‚a,
a w jego dnie znajdują się otwory. Lejek ten przed użyciem
wykłada się krążkiem wyciętym z bibuły filtracyjnej. Lejek
ze spiekiem szklanym (takie lejki mamy w naszym
laboratorium) zawiera wtopioną porowatą warstwę szkła,
która nie musi być wykładana bibułą filtracyjną. Istnieją
Rys. 3. Zestaw aparatury do sÄ…czenia
lejki ze spiekiem o rożnej porowatości.
pod zmniejszonym ciśnieniem
Przed przystąpieniem do sączenia kryształów
oczyszczonej substancji kolbę ssawkową należy umieścić
w łapie i przymocować do statywu.
w łapie i przymocować do statywu. Wąż łączący pompkę wodną z kolbą ssawkową zawsze nakłada się
na kolbę po odkręceniu wody przepływającej przez pompkę. Kolejność kończenia pracy z zestawem
aparatury do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem jest odwrotna: najpierw zdejmuje się wąż z kolby,
a potem zakręca wodę płynącą do pompy. Taki sposób postępowania zapobiega cofaniu się wody
z pompki wodnej do aparatury.
2.5 Suszenie wykrystalizowanej substancji
Odsączoną pod zmniejszonym ciśnieniem oczyszczoną substancję przenosi się z lejka do
przygotowanego wcześniej pudełka papierowego lub naczynia szklanego (krystalizatora, szalki Petriego)
i pozostawia do wysuszenia na powietrzu w temperaturze pokojowej lub w suszarce ustawionej
na odpowiedniÄ… temperaturÄ™.
Substancje higroskopijne (tzn. chłonące
wilgoć) suszy się w eksykatorze zawierającym a) b)
odpowiedni środek suszący (chlorek wapnia,
żel krzemionkowy). Do suszenia związków
krystalizowanych z niezbyt lotnych
rozpuszczalników można użyć eksykatora
próżniowego, którego nie napełnia się
środkiem suszącym. Taki eksykator podłącza
się do pompy próżniowej (wodnej lub
rotacyjnej olejowej). Eksykatory zwykły
i próżniowy pokazano na Rys. 4.
Po wysuszeniu oczyszczony związek Rys. 4. Eksykatory: a) zwykły; b) próżniowy
należy zważyć.
49
 Krystalizacja
3. Opis ćwiczenia
W ćwiczeniu prowadzi się krystalizację dwóch zanieczyszczonych związków organicznych: kwasu
salicylowego i acetanilidu.
Rozpuszczalnikiem stosowanym do krystalizacji kwasu salicylowego jest woda, więc
zanieczyszczony związek rozpuszcza się w zlewce lub w kolbce stożkowej bez dodatkowych
zabezpieczeń. Krystalizację acetanilidu prowadzi się z toluenu, w którym związek ten jest rozpuszczany
w czasie ogrzewania w kolbie okrągłodennej pod chłodnicą zwrotną.
Związki przed i po krystalizacji są ważone, co pozwala w przybliżeniu określić procent ich
zanieczyszczenia. Oznaczana jest również temperatura topnienia przed i po procesie, dzięki czemu można
ocenić skuteczność przeprowadzonego oczyszczania.
4. Wykonanie ćwiczenia
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. Kwas salicylowy zanieczyszczony 1. Kolba okrągłodenna o pojemności 50 cm3
2. Acetanilid zanieczyszczony 2. Kolba stożkowa lub zlewka o pojemności 100 cm3
3. Woda destylowana 3. Chłodnica Liebiega
4. Toluen 4. Kapilary do pomiaru temperatury topnienia
5. Aparat do pomiaru temperatury topnienia
6. 6. Palnik gazowy
7. Waga techniczna
8. Statyw, Å‚Ä…cznik, Å‚apa
9. Zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem
10. Lejek z śaczkiem karbowanym
Uwaga! Zanieczyszczone związki można krystalizować w dowolnej kolejności.
Przed przystąpieniem do krystalizacji należy przygotować dwie kapilary, po zatopieniu napełnić je
zanieczyszczonymi substancjami i zmierzyć temperaturę topnienia. Temperaturę plateau dla
zanieczyszczonego acetanilidu ustawić na 65oC, a dla zanieczyszczonego kwasu salicylowego na 105oC.
Krystalizacje należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
I) KRYSTALIZACJA ACETANILIDU
1. Odważyć 0,8 g zanieczyszczonego związku (w małej zlewce, na szalce Petriego lub na kartce
papieru).
2. Kolbkę okrągłodenną, w której będzie prowadzone rozpuszczanie związku, powiesić w łapie na
statywie i wsypać do niej (najlepiej przez lejek zrobiony z kartki papieru) odważony
zanieczyszczony acetanilid.
3. Pod sprawnie działającym wyciągiem odmierzyć cylindrem miarowym 18 cm3 toluenu. Wlać
rozpuszczalnik do kolbki zdjętej ze statywu i przyniesionej pod wyciąg. Następnie kolbkę
z zawartością zakrytą korkiem przenieść na swoje stanowisko pracy i ponownie powiesić na
statywie.
4. Pod kolbką ustawić czaszę grzejną na podnośniku, do kolby wrzucić kamyki wrzenne i wstawić
chłodnicę zwrotną.
5. Przygotować sączek karbowany z bibuły filtracyjnej w sposób pokazany przez osobę prowadzącą
zajęcia oraz lejek szklany, w którym będzie umieszczony sączek. (Lejek przed sączeniem
gorącego roztworu warto ogrzać w czaszy grzejnej.)
6. Odkręcić kran doprowadzający wodę do chłodnicy (zwrócić uwagę, żeby wąż odprowadzający
wodę znajdował się w zlewie) i rozpocząć ogrzewanie zawartości kolby.
7. Po uzyskaniu klarownego roztworu czaszę grzejną odstawić na bok i wyłączyć. .
8. Kolbę z gorącym roztworem - po wyjęciu chłodnicy - przenieść w łapie zakrytą korkiem pod
wyciąg i przesączyć roztwór przez ogrzany lejek z sączkiem karbowanym do kolbki stożkowej.
50
 Krystalizacja
9. Kolbkę zostawić pod wyciągiem do powolnego ochłodzenia roztworu do temperatury pokojowej.
10. Po wytrąceniu kryształów oddzielić je od roztworu przez sączenie pod zmniejszonym ciśnieniem
na lejku ze spiekiem szklanym. .
11. Pozostawić kryształy do wysuszenia w podpisanym pudełku papierowym do następnych zajęć.
12. Na następnych zajęciach zważyć wysuszony oczyszczony acetanilid i zmierzyć jego temperaturę
topnienia.
II) KRYSTALIZACJA KWASU SALICYLOWEGO
1. Odważyć 0,8 g zanieczyszczonego kwasu salicylowego w kolbce stożkowej lub w zlewce,
w której będzie rozpuszczany.
2. Do kolbki (lub zlewki) zawierającej zanieczyszczony kwas salicylowy dodać 30 cm3 wody
destylowanej odmierzonej cylindrem miarowym.
3. Przymocowaną w łapie kolbę trzymać jedną ręką i ogrzewać mieszając nad czaszą grzejną. .
4. Przygotować sączek karbowany z bibuły filtracyjnej w sposób pokazany przez osobę prowadzącą
zajęcia oraz lejek szklany, w którym będzie umieszczony sączek. (Lejek przed sączeniem
gorącego roztworu warto ogrzać w czaszy grzejnej.)
5. Po uzyskaniu klarownego roztworu czaszę grzejną odstawić na bok i wyłączyć. .
6. Przesączyć roztwór przez ogrzany lejek z sączkiem karbowanym do kolbki stożkowej.
7. Kolbkę zostawić do powolnego ochłodzenia roztworu do temperatury pokojowej.
8. Po wytrąceniu kryształów oddzielić je od roztworu przez sączenie pod zmniejszonym ciśnieniem
na lejku ze spiekiem szklanym. .
9. Pozostawić kryształy do wysuszenia w podpisanym pudełku papierowym do następnych zajęć.
10. Na następnych zajęciach zważyć wysuszony oczyszczony kwas salicylowy i zmierzyć jego
temperaturÄ™ topnienia.
4. Opracowanie wyników
1. Na podstawie masy substancji przed i po krystalizacji, obliczyć możliwą zawartość zanieczyszczeń
w acetanilidzie i kwasie salicylowym.
2. Na podstawie wartości temperatury topnienia substancji przed i po krystalizacji ocenić skuteczność
przeprowadzonego oczyszczania.
3. Wiedząc, że rozpuszczalność kwasu salicylowego w temperaturze 20oC wynosi 0,18 g/100 cm3 wody,
a w temperaturze 100oC wynosi 7,0 g/100 cm3 wody stwierdzić, czy roztwór tego kwasu uzyskany
na zajęciach mógł być roztworem nasyconym i jaka ilość tego kwasu mogła pozostać w ługu
pokrystalicznym.
Literatura
[1] A. Vogel,  Preparatyka organiczna , WNT, Warszawa 1984, str. 85-102.
[2]  Preparatyka organiczna , tłumaczenie z języka niemieckiego pod red. S. Bochwica, PWN, Warszawa
1973, str. 55-58.
51
 Ekstrakcja
4.5 EKSTRAKCJA
Cele ćwiczenia: 1) Zapoznanie się z techniką ekstrakcji.
2) Wyodrębnienie metodą ekstrakcji kwasu benzoesowego z roztworu w toluenie oraz
kofeiny z herbaty lub kawy.
1. Wprowadzenie: podstawowe informacje dotyczÄ…ce procesu ekstrakcji
Ekstrakcja to metoda wydzielania składnika (lub składników) z mieszaniny związków chemicznych
przez jego (ich) rozpuszczenie w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku. Po dodaniu wybranego
rozpuszczalnika do mieszaniny tworzy się układ dwufazowy. Jedną fazę stanowi roztwór ekstrahowanego
składnika (lub składników) mieszaniny w rozpuszczalniku użytym do ekstrakcji, drugą  mieszanina
pozostała po ekstrakcji.
Mieszaniny poddawane procesowi ekstrakcji mogą być w fazie ciekłej (najczęściej w roztworze
wodnym lub w rozpuszczalniku organicznym)  wówczas ekstrakcja przebiega w układzie dwóch nie
mieszających się cieczy. Jest to ekstrakcja ciecz-ciecz, nazywana często ekstrakcją właściwą lub po prostu
ekstrakcją. Mieszaniny mogą też być ciałami stałymi  wtedy ekstrakcja przebiega w układzie ciało stałe-
ciecz. TakÄ… ekstrakcjÄ™ nazywa siÄ™ Å‚ugowaniem.
Z techniką ekstrakcji wiążą się następujące terminy:
" substancja ekstrahowana  to związek chemiczny wyodrębniany z mieszaniny metodą
ekstrakcji;
" ekstrahent  to rozpuszczalnik używany do ekstrakcji;
" ekstrakt  to roztwór substancji ekstrahowanej w ekstrahencie uzyskiwany po ekstrakcji;
" rafinat  to pozostałość po ekstrakcji.
W procesie ekstrakcji wykorzystuje się różną rozpuszczalność składników mieszaniny
w ekstrahencie. Decydujący wpływ na skuteczność rozdziału związków chemicznych tą metodą ma więc
właściwy dobór rozpuszczalnika do ekstrakcji. Dobry rozpuszczalnik do ekstrakcji powinien być:
" selektywny, tzn. dobrze rozpuszczać składnik (składniki) wyodrębniane z mieszaniny, a nie
rozpuszczać pozostałych jej składników;
" obojętny chemicznie, tj. nie reagować ze składnikami mieszaniny (o ile nie jest to
zamierzone);
" łatwy do usunięcia z ekstraktu, a więc najlepiej lotny, bo wtedy można go oddestylować.
Należy także dążyć do tego, aby rozpuszczalnik wybrany do ekstrakcji był niepalny, nietoksyczny,
łatwo dostępny oraz tani. W przypadku ekstrakcji ciecz-ciecz wskazane jest ponadto, żeby ekstrahent
i faza ciekła poddawana ekstrakcji różniły się znacznie gęstością, żeby nie tworzyły emulsji i były
całkowicie niemieszalne. Wszystko to ułatwia rozdział ekstraktu i rafinatu, tj. dwóch faz ciekłych
uzyskiwanych po ekstrakcji.
Chociaż istotą procesu ekstrakcji jest zjawisko fizyczne, czyli rozpuszczanie związków chemicznych
w ekstrahencie, to jednak czasami celowo prowadzi się ekstrakcję tak, że w jej trakcje przebiega reakcja
chemiczna. W przypadku mieszanin związków organicznych ma to miejsce wtedy, gdy zawierają one
substancje o właściwościach kwasowych i/lub zasadowych. Ekstrakcja związków kwasowych (kwasów
karboksylowych, fenoli) roztworem wodnym zasady (NaOH, NaHCO3) powoduje, że zachodzi reakcja
zobojętniania. W jej wyniku powstaje sól, która  jako związek jonowy  jest rozpuszczalna w wodzie,
a więc przechodzi do warstwy wodnej. Jeśli jest to konieczne, można zakwasić powstały ekstrakt i w ten
sposób wydzielić z niego kwas. Związki zasadowe (aminy) najczęściej ekstrahuje się rozcieńczonym
kwasem solnym. Działanie zasadą (zwykle NaHCO3) na warstwę wodną, w której rozpuszczone są
utworzone sole (chlorowodorki amin), pozwala wyodrębnić z niej zasadę organiczną.
52
 Ekstrakcja
Ekstrakcja znajduje szerokie zastosowanie zarówno w praktyce laboratoryjnej, jak i przemysłowej.
Wszyscy mamy z nią do czynienia na co dzień, gdy parzymy herbatę lub kawę. W syntezie organicznej
ekstrakcja jest często pierwszą metodą używaną do obróbki mieszaniny poreakcyjnej, zawierającej zwykle
wiele związków chemicznych. Stosuje się ją w celu wyodrębnienia pożądanego produktu lub w celu
oddzielenia od niego ubocznych produktów reakcji i/lub nie przereagowanych substratów. W pierwszym
przypadku ekstrakt jest roztworem zawierającym cenny związek, w drugim  roztworem związków, które
można traktować jako jego zanieczyszczenia. Zawsze jednak otrzymanie czystej substancji z ekstraktu
wymaga przeprowadzenia dodatkowych operacji: usunięcia rozpuszczalnika (np. przez oddestylowanie)
i oczyszczenia wyekstrahowanego związku (przez destylację, jeśli jest to substancja ciekła lub przez
krystalizację, jeśli jest to ciało stałe).
1.1. Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz
Taką ekstrakcję prowadzi się w układzie dwóch faz ciekłych, z których jedną często jest roztwór
wodny, a drugÄ…  nie mieszajÄ…cy siÄ™ z wodÄ… rozpuszczalnik organiczny taki, jak: chlorek metylenu,
chloroform, toluen lub eter dietylowy (eter jest niebezpieczny, bo Å‚atwopalny!).
Ekstrakcja ciecz-ciecz może być procesem okresowym, czyli periodycznym lub ciągłym.
W warunkach laboratoryjnych ekstrakcjÄ™ periodycznÄ… prowadzi siÄ™ w rozdzielaczu gruszkowym.
Rozdzielacz umieszcza się w metalowym kółku
przymocowanym do statywu (Rys. 1) i napełnia cieczą
poddawaną ekstrakcji. Następnie dodaje się ekstrahent,
Rozdzielacz
zakrywa rozdzielacz korkiem i miesza (wytrzÄ…sa) jego
zawartość. Co pewien czas należy odpowietrzać
rozdzielacz przez odwrócenie go na chwilę nóżką do góry
Kółko
i otwarcie kranu. Po wymieszaniu zawartości, rozdzielacz
znów umieszcza się na statywie i pozostawia do
rozdzielenia faz. Ekstrakt zlewa siÄ™ do przygotowanego
Statyw wcześniej naczynia (kolbki stożkowej lub zlewki),
Kolbka
a mieszaninę pozostałą po pierwszej ekstrakcji wytrząsa
stożkowa
siÄ™ w rozdzielaczu z kolejnÄ… porcjÄ… rozpuszczalnika
w celu wyodrębnienia większej ilości ekstrahowanego
związku. W ten sposób ekstrakcję prowadzi się
wielokrotnie aż do momentu, gdy z mieszaniny zostanie
Rys. 1. Zestaw laboratoryjny do prowadzenia
wyodrębniona zadowalająca ilość związku.
ekstrakcji periodycznej.
Periodyczna ekstrakcja ciecz-ciecz przebiegająca w układzie, w którym nie zachodzi reakcja
chemiczna, jest procesem równowagowym. Zgodnie z prawem podziału Nernsta 1, w stanie równowagi
ekstrahowany związek dzieli się między obie fazy ciekłe w określonej proporcji. Stosunek
równowagowych ilości związku w każdej z faz nosi nazwę współczynnika podziału:
CA
K =
CB (1)
gdzie: K- współczynnik podziału
CA  równowagowe stężenie ekstrahowanego związku w jednej z faz ciekłych
CB  równowagowe stężenie ekstrahowanego związku w drugiej fazie ciekłej
Współczynnik podziału zależy od temperatury. W danej temperaturze jest to wielkość
charakterystyczna dla układu trójskładnikowego, jakim jest związek ekstrahowany i para
rozpuszczalników stosowanych w ekstrakcji. W przybliżeniu wartość współczynnika podziału
wyznaczona jest przez stosunek rozpuszczalności związku w obu rozpuszczalnikach w danej
temperaturze. Gdy rozpuszczalność ekstrahowanego związku w obu rozpuszczalnikach jest jednakowa, to
K = 1. Jeśli przyjmie się, że we wzorze (1) CA oznacza równowagowe stężenie ekstrahowanego związku
1
Prawo podziału Nernsta jest spełnione tylko w rozpuszczalnikach, w których związek rozpuszczony nie ulega
asocjacji ani dysocjacji. W praktyce ma to miejsce w roztworach rozcieńczonych.
53
 Ekstrakcja
w ekstrahencie, CB  w rafinacie, a substancja ekstrahowana lepiej rozpuszcza się w ekstrahencie niż
w rozpuszczalniku, w którym znajduje się mieszanina poddawana ekstrakcji, to K > 1. Ekstrakcję ciecz-
ciecz korzystnie jest prowadzić w układach o jak najwyższej wartości K między ekstrahent a fazę rafinatu,
gdyż wtedy jest ona szybka i skuteczna.
Ilość substancji ekstrahowanej pozostałej w rafinacie po wielokrotnie przeprowadzonej ekstrakcji
można obliczyć ze wzoru (2). Wzór ten łatwo jest wyprowadzić (Warto spróbować to zrobić! Można
wzorować się na wyprowadzeniu przedstawionym w pozycji literatury oznaczonej w spisie numerem [1]),
rozpatrując zawartości substancji ekstrahowanej w każdej z faz ciekłych po kolejnych ekstrakcjach
i pamiętając, że ich stosunek jest równy współczynnikowi podziału.
n
ëÅ‚ VB öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
Wn = W0 ìÅ‚V (2)
+ K Å"VA ÷Å‚
íÅ‚ B Å‚Å‚
gdzie: n - liczba przeprowadzonych ekstrakcji;
W0  początkowa ilość ekstrahowanego składnika w cieczy poddawanej ekstrakcji;
Wn  ilość składnika w rafinacie po przeprowadzeniu n-ekstrakcji;
K - współczynnik podziału substancji między fazę ekstrahenta, a fazę rafinatu;
VA objętość ekstrahenta używanego w kolejnych ekstrakcjach;
VB  objętość cieczy poddawanej ekstrakcji.
Na podstawie wzoru (2) można stwierdzić, jak należy postąpić, jeśli dysponuje się ograniczoną ilością
rozpuszczalnika przeznaczonego do ekstrakcji. Lepiej jest wówczas podzielić rozpuszczalnik na mniejsze
porcje i przeprowadzić ekstrakcję periodyczną więcej razy niż używać większych porcji rozpuszczalnika
i prowadzić ekstrakcję mniej razy. Pierwszy sposób pozwala bowiem na wyodrębnienie z mieszaniny
większej ilości ekstrahowanej substancji (gdy iloczyn VA" n we wzorze (2) ma stałą wartość, to Wn maleje,
jeśli VA jest małe, a n duże).
W przypadku małej wartości współczynnika podziału substancji ekstrahowanej między ekstrahent
a drugą fazę ciekłą (fazę rafinatu), ekstrakcja periodyczna musi być prowadzona wiele razy. Taki proces
jest długotrwały, uciążliwy i nieekonomiczny, gdyż wymaga użycia dużej ilości ekstrahenta, a kolejne
porcje ekstraktu to roztwory bardzo rozcieńczone. Wtedy lepiej jest zastosować ekstrakcję ciągłą,
w której ekstrahent znajduje się w obiegu zamkniętym. Ze względu na stosowanie stałej ilości
rozpuszczalnika, ekstrakt w czasie takiej ekstrakcji ulega zatężeniu, co ułatwia póz
niejsze wydzielenie
z niego wyekstrahowanego zwiÄ…zku. IstniejÄ… specjalne zestawy aparatury laboratoryjnej do prowadzenia
ekstrakcji ciągłej ciecz-ciecz. Ich opis znajduje się w pozycjach literatury oznaczonych w spisie numerami
[1, 2].
1.2. Ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz (ługowanie)
Ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz, podobnie jak ekstrakcja ciecz-ciecz, może być procesem
periodycznym lub ciągłym.
Periodyczną ekstrakcję ciało stałe-ciecz można prowadzić w temperaturze otoczenia (jest to tzw.
 ekstrakcja na zimno ) lub podwyższonej (tzw.  ekstrakcja na gorąco ). Gdy proces przebiega
w temperaturze pokojowej rozdrobnioną stałą mieszaninę umieszczoną w odpowiednim naczyniu (kolbie,
zlewce) zalewa się ekstrahentem, miesza powstałą zawiesinę i odsącza ekstrakt (najlepiej pod
zmniejszonym ciśnieniem). Do mieszaniny pozostałej po pierwszej ekstrakcji dodaje się następną porcję
rozpuszczalnika i oddziela kolejny ekstrakt. W ten sposób proces ekstrakcji prowadzi się wielokrotnie,
ekstrakty łączy, a następnie wydziela z nich wyekstrahowaną substancję. W przypadku ekstrakcji na
gorąco - jeśli ekstrahentem jest rozpuszczalnik organiczny - stałą mieszaninę ogrzewa się
z rozpuszczalnikiem pod chłodnicą zwrotną, sączy na ciepło, ekstrakt pozostawia, a mieszaninę poddaje
kolejnej ekstrakcji w podwyższonej temperaturze. Ogrzewanie poprawia skuteczność ekstrakcji, gdyż
rozpuszczalność większości związków chemicznych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Niezależnie
jednak od tego, w jakiej temperaturze jest prowadzona, periodyczna ekstrakcja ciało stałe-ciecz jest
procesem kłopotliwym. Konieczne jest stosowanie dużych ilości ekstrahenta, a także wielokrotne sączenie
mieszaniny. Dlatego ługowanie najczęściej prowadzi się w sposób ciągły.
Typowym zestawem aparatury laboratoryjnej do prowadzenia ekstrakcji ciągłej ciało stałe-ciecz jest
aparat Soxhleta pokazany na Rys. 2.
54
 Ekstrakcja
Aparat składa się z trzech elementów szklanych: kolby
okrągłodennej (C), części środkowej (B) oraz chłodnicy
zwrotnej (D). Przed ekstrakcją kolbę napełnia się
rozpuszczalnikiem, a w części środkowej aparatu, w specjalnej
porowatej gilzie (A) umieszcza się stałą mieszaninę poddawaną
ekstrakcji. Gilza wykonana jest z twardej bibuły filtracyjnej lub
masy papierowej. A
ugowanie w aparacie Soxhleta prowadzi siÄ™
w ten sposób, że rozpuszczalnik w kolbie C ogrzewa się do
wrzenia. Jego opary przez ramię E części środkowej wędrują do
góry i są skraplane w chłodnicy zwrotnej D. Już jako ciecz,
rozpuszczalnik z chłodnicy opada do gilzy A z mieszaniną,
wypłukując z niej ekstrahowany związek. W ten sposób
powstaje więc ekstrakt. Kiedy poziom ekstraktu zrówna się
z wysokością syfonu F, opada on do kolby C. W kolbie
rozpuszczalnik z ekstraktu ulega odparowaniu, w postaci pary
wędruje ramieniem E do chłodnicy D, skrapla się i opadając do
gilzy z mieszaniną tworzy następną partię ekstraktu, który znów
- po osiągnięciu odpowiedniej wysokości - spływa do kolby.
Dzięki tym kolejnym, powtarzającym się wielokrotnie, etapom
ekstrakcji prowadzonej w aparacie Soxhleta, stężenie
ekstrahowanej substancji w ekstrakcie jest coraz wyższe.
Pewną niedogodnością stosowania aparatu Soxhleta jest jednak
długotrwałe ogrzewanie ekstraktu, które może spowodować
rozkład substancji o niskiej trwałości termicznej. Fakt ten
należy zawsze brać pod uwagę, planując ekstrakcję w aparacie
Rys. 2. Aparat Soxhleta (opis
Soxhleta, zwłaszcza w przypadku, gdy ekstrakt zawiera
elementów znajduje się w tekście).
związek (lub związki), na których nam zależy.
2. Opis ćwiczeń
3. Opis ćwiczeń
2.1. Wyodrębnianie kwasu benzoesowego z roztworu w toluenie
W ćwiczeniu wyodrębnia się kwas benzoesowy z jego roztworu w toluenie przez ekstrakcję wodnym
roztworem wodorotlenku sodowego. Jest to więc ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz, w trakcie której
zachodzi reakcja zobojętniania kwasu:
H2O
COONa
COOH NaOH +
+
Jeżeli zastosujemy odpowiednio duży nadmiar molowy wodorotlenku sodowego w stosunku do liczby
moli kwasu benzoesowego znajdującego się w toluenie, to jedna ekstrakcja wystarcza, żeby cały kwas
zawarty w warstwie organicznej utworzył sól i w tej postaci przeszedł do fazy wodnej. Z warstwy wodnej
po zakwaszeniu wytrąca się kwas benzoesowy, który oczyszcza się przez krystalizację z wody. Toluen po
ekstrakcji można  odzyskać przez destylację prostą prowadzoną pod ciśnieniem atmosferycznym.
Warto wspomnieć, że kwas benzoesowy jest produktem utlenienia toluenu. Reakcję jego
otrzymywania można przedstawić schematycznie następującym równaniem:
O
COOH
CH3
Ekstrakcja prowadzona w ćwiczeniu stanowi jeden z końcowych etapów syntezy kwasu
benzoesowego, polegajÄ…cy na oddzieleniu produktu reakcji (kwasu benzoesowego) od nie
przereagowanego substratu (toluenu). Surowy produkt, tj. kwas benzoesowy otrzymany po ekstrakcji,
poddaje się następnie krystalizacji.
55
 Ekstrakcja
2.1.1. Wykonanie ćwiczenia
Uwaga: Ćwiczenie należy wykonywać w rękawicach ochronnych.
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. Roztwór kwasu benzoesowego w toluenie 1.Rozdzielacz gruszkowy o pojemności 100 cm3
2. Roztwór wodny NaOH, 5% wag. 2. Kolbki stożkowe o poj. 50 cm3
3. Woda destylowana 3. Zestaw do krystalizacji z wody
4. Kwas solny stężony 4. Zestaw do sączenia pod zmniejszonym
5. Siarczan magnezu bezwodny ciśnieniem
5. Czasza grzejna z regulatorem mocy
Ćwiczenie należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
1. Na statywie w odpowiednim kółku umieścić rozdzielacz jak pokazano na Rys. 1.
2. Po sprawdzeniu, że kran rozdzielacza jest nasmarowany i zabezpieczony przed wypadaniem
gumką-recepturką, nalać do rozdzielacza przez lejek 25 cm3 roztworu kwasu benzoesowego
w toluenie (kran rozdzielacza powinien być zamknięty!).
3. Do roztworu toluenowego znajdującego się w rozdzielaczu dodać 25 cm3 wodnego roztworu
NaOH.
4. Po zamknięciu rozdzielacza korkiem (korek powinien być nasmarowany smarem) wytrząsać jego
zawartość  najpierw powoli i często odpowietrzając, a po odpowietrzeniu energicznie.
5. Po wymieszaniu zawartości, rozdzielacz umieścić na statywie i pozostawić do rozdzielenia faz.
6. Gdy fazy rozwarstwią się, warstwę dolną (wodną) zlać do zlewki. Warstwę górną (toluenową)
zlać do butelki ze zlewkami rozpuszczalników nie zawierających atomów fluorowców.
7. Warstwę wodną pod działającym wyciągiem zakwasić stężonym kwasem solnym. Kwas należy
dodawać pipetką aż do uzyskania odczynu kwaśnego roztworu (test odczynu wykonać za
pomocÄ… papierka uniwersalnego).
8. Wytrącony osad kwasu benzoesowego przesączyć pod zmniejszonym ciśnieniem
i przekrystalizować z wody (zanotować objętość wody użytej do krystalizacji). Pozostawić do
wysuszenia do następnych zajęć.
9. Wysuszony kwas benzoesowy zważyć i zmierzyć jego temperaturę topnienia.
2.1.2. Opracowanie wyników
1. Na podstawie ilości wyodrębnionego kwasu benzoesowego obliczyć jego stężenie molowe
w roztworze użytym do ekstrakcji.
2. Porównując liczbę moli kwasu benzoesowego znajdującego się w roztworze użytym do ekstrakcji
oraz liczbę moli wodorotlenku sodowego w ekstrahencie (gęstość roztworu wodnego NaOH
o stężeniu 5 % wag. wynosi 1,05 g/cm3) stwierdzić, jak duży nadmiar zasady został użyty
do ekstrakcji.
56
 Ekstrakcja
2.2. Wyodrębnianie kofeiny z herbaty lub kawy
Kofeina (inaczej: teina) należy do grupy związków, które ze względu na obecność atomów azotu
w cząsteczkach wykazują zasadowe, czyli alkaliczne właściwości i dlatego nazywane są alkaloidami.
Wzór kofeiny jest następujący:
CH3
O N
N
N
H3C N
O
CH3
Kofeinę zawierają ziarna kawy i guarany (roślina występująca w Brazylii) oraz liście herbaty.
W niewielkich ilościach występuje także w ziarnach kakaowca. Jest białym, krystalicznym proszkiem
o temperaturze topnienia 234 oC. W temperaturze 180 oC sublimuje. Dobrze rozpuszcza siÄ™ we wrzÄ…cej
wodzie i chlorowanych węglowodorach (chloroform, dichlorometan), a słabo w zimnej wodzie
i w alkoholu.
Podobnie jak wiele innych alkaloidów (np.: nikotyna, strychnina, kokaina), kofeina charakteryzuje się
czynnością biologiczną. Jest substancją psychoaktywną, oddziaływującą na centralny układ nerwowy i
wpływającą bezpośrednio na funkcje mózgu. W niewielkich dawkach używana jest jako lek pobudzający
centralny układ nerwowy. Stosuje się ją również jako dodatek do napojów energety-zujących oraz
napojów gazowanych, takich jak Coca-Cola.
Najważniejszym z
ródłem kofeiny jest obecnie kawa, z której otrzymuje się ją metodą ekstrakcji.
Kofeinę można również wytworzyć syntetycznie.
W ćwiczeniu wyodrębnia się kofeinę z herbaty lub kawy na drodze ekstrakcji. Jest to proces
składający się z dwóch etapów:
1) ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz - przeprowadzenie kofeiny z liści herbaty lub ziaren kawy
do wodnego roztworu węglanu sodu (Na2CO3);
2) ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz - przeniesienie kofeiny z ekstraktu uzyskanego w pierwszym
etapie do rozpuszczalnika organicznego, dichlorometanu.
Zastosowanie w pierwszym etapie roztworu wodnego Na2CO3 pozwala zwiększyć selektywność
drugiego etapu ekstrakcji. Wszystkie składniki herbaty lub kawy rozpuszczalne w wodzie o charakterze
kwasowym w wyniku reakcji z Na2CO3 utworzÄ… sole i w tej postaci przejdÄ… do ekstraktu. Sole, jako
substancje jonowe, nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, więc po drugim etapie
ekstrakcji pozostaną w warstwie wodnej. Kofeina, która ma właściwości zasadowe, nie reaguje z Na2CO3,
tj. w niezmienionej postaci znajdzie się w roztworze wodnym Na2CO3, skąd można ją łatwo
wyekstrahować do dichlorometanu. Gdyby w pierwszym etapie ekstrakcji została użyta woda, oddzielenie
kofeiny od rozpuszczalnych w wodzie związków kwasowych nie byłoby możliwe.
Z ekstraktu uzyskanego po drugim etapie usuwa siÄ™ rozpuszczalnik metodÄ… destylacji prostej lub przez
odparowanie ekstraktu do sucha. Pozostały w kolbie surowy osad kofeiny waży się. W celu otrzymania
kofeiny o dużej czystości należałoby surowy osad oczyścić przez sublimację lub krystalizację z alkoholu,
czego nie wykonuje się w ćwiczeniu.
Zastosowanie w ćwiczeniu różnych gatunków herbaty lub kawy pozwala na porównanie zawartości
kofeiny w tych używkach.
57
 Ekstrakcja
2.2.1. Wykonanie ćwiczenia
Uwaga: Ćwiczenie należy wykonywać w rękawicach ochronnych.
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. 1-2 torebki herbaty ekspresowej 1. Zlewka o pojemności 50 cm3
lub 5 g kawy mielonej/rozpuszczalnej 2. Kolbka stożkowa o poj. 50 cm3
2. Węglan sodu 3. Mała szalka Petriego
3. Woda destylowana 4. Cylinder miarowy o poj. 25 cm3
4. Dichlorometan 5. Lejek z sÄ…czkiem karbowanym
5. Siarczan magnezu bezwodny 6. Zestaw do destylacji prostej z kolbkÄ…
okrągłodenną o pojemności 50 cm3
7. Czasza grzejna z regulatorem mocy
8. Statywy, kółko na rozdzielacz, łapy i łączniki
Ćwiczenie należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
1. W zlewce o pojemności 50 cm3 odważyć 5 g węglanu sodu, a następnie dodać do niej 25 cm3
wody destylowanej, odmierzonej cylindrem miarowym.
2. Zlewkę wstawić do czaszy grzejnej i ogrzać jej zawartość do wrzenia.
3. Zlewkę z wrzącym roztworem zestawić z czaszy grzejnej, dodać do niej herbatę/kawę, przykryć
szalką Petriego i odstawić na 10 minut do zaparzenia. Wyłączyć ogrzewanie czaszy grzejnej przez
ustawienie regulatora mocy na 0.
4. Po zaparzeniu herbaty/kawy wstawić zlewkę do pojemnika z zimną wodą w celu ostudzenia jej
zawartości.
5. Z chłodnego naparu wyjąć torebkę z herbatą lub oddzielić fusy kawy przez przesączenie na lejku
z sączkiem karbowanym. Należy  wycisnąć torebkę z herbatą/sączek z fusami kawy do zlewki
z naparem tak, żeby jak najmniej cieczy zostało w herbacie/kawie pozostałych po ekstrakcji.
6. Na statywie z kółkiem umieścić rozdzielacz. Upewnić się, że kran rozdzielacza jest zamknięty.
7. Przelać zawartość zlewki do rozdzielacza i dwukrotnie przeprowadzić ekstrakcję
dichlorometanem, używając za każdym razem 10 cm3 rozpuszczalnika. Fazy należy mieszać
ostrożnie tak, żeby nie powstała trudna do rozdziału emulsja. Trzeba też pamiętać
o odpowietrzaniu co pewien czas rozdzielacza w trakcie ekstrakcji.
8. Po każdej ekstrakcji przeprowadzonej za pomocą dichlorometanu warstwę dolną z rozdzielacza
(organiczną) zlać do przygotowanej wcześniej kolbki stożkowej o pojemności 50 cm3.
9. Do kolbki zawierającej połączone warstwy organiczne powstałe po ekstrakcji dodać niewielką
ilość bezwodnego siarczanu magnezu (środek suszący) i odstawić kolbkę zakrytą korkiem na 5-10
minut.
10. Zważyć kolbkę okrągłodenną o pojemności 50 cm3, która będzie używana jako kolba
destylacyjna, zakrytą korkiem, a następnie zestawić układ do destylacji prostej zwierający tę
kolbkÄ™.
11. Oddzielić warstwę organiczną znajdującą się w kolbce stożkowej od środka suszącego przez
odsÄ…czenie na lejku z sÄ…czkiem karbowanym do kolbki destylacyjnej.
12. Oddestylować dichlorometan, delikatnie ogrzewając kolbkę destylacyjną z zawartością w czaszy
grzejnej. Korzystnie jest użyć łaz
ni wodnej (zlewka z wodą), dzięki której temperatura zawartości
kolbki destylacyjnej w żadnym momencie destylacji nie przekroczy 100 oC.
13. Osad pozostały po oddestylowaniu całej ilości rozpuszczalnika zważyć w kolbce z korkiem.
Obliczyć ilość kofeiny wyodrębnionej z herbaty/kawy.
2.2.2. Opracowanie wyników
1. Obliczyć stężenie procentowe kofeiny w herbacie/kawie użytej do ekstrakcji.
2. Porównując wynik własny z wynikami kolegów stwierdzić, jaka jest zawartość kofeiny w różnych
gatunkach herbaty/kawy.
58
 Ekstrakcja
Literatura
[1] A. Vogel,  Preparatyka organiczna, WNT, Warszawa 1984, str. 104-112
[2]  Laboratorium chemii organicznej , red. P. Kowalski, WNT, Warszawa 2004, str. 102-108
[3] T. Onami, H. Kanazawa,  A Simple Method for Isolation of Caffeine from Black Tea Leaves ,
Journal of Chemical Education, 1996, 73 (6), 556-557.
59
 Reakcje podstawienia elektrofilowego w zwiÄ…zkach aromatycznych
4.6 REAKCJE ZWI
ZKÓW ORGANICZNYCH:
PODSTAWIENIE ELEKTROFILOWE
W ZWI
ZKACH AROMATYCZNYCH
Sulfonowanie p-ksylenu
Cele ćwiczenia: 1) Utrwalenie wiedzy dotyczącej reakcji i reagentów organicznych, a także budowy
i właściwości chemicznych związków aromatycznych.
2) Przeprowadzenie sulfonowania p-ksylenu jako przykładowej reakcji podstawienia
elektrofilowego w pierścieniu aromatycznym.
1 Wprowadzenie
1.1 Reakcje i reagenty organiczne
Jak wiadomo, chemia organiczna jest nauką zajmującą się badaniami związków węgla. Czasami
można spotkać się również z określeniem, że chemia organiczna to chemia związków kowalencyjnych.
Atomy węgla w cząsteczkach związków organicznych połączone są bowiem z innymi atomami
wiązaniami kowalencyjnymi. Wiązania te mogą być pojedyncze (nasycone) lub wielokrotne
(nienasycone), bardziej lub mniej spolaryzowane. Krotność, a także polaryzacja wiązań kowalencyjnych
decydują o tym, jakim reakcjom ulegają cząsteczki związków organicznych i z jakimi reagentami reagują
najłatwiej.
Najbardziej charakterystycznymi reakcjami nienasyconych związków organicznych są reakcje
addycji, czyli przyłączania atomów lub grup atomów do wiązania wielokrotnego. W trakcie addycji
następuje rozpad wiązania wielokrotnego, a jej produktem jest związek, w którym występuje wiązanie
o niższej krotności. Tak więc, jeśli substrat zawierał wiązanie potrójne, to w produkcie (najczęściej
przejściowym) jest w jego miejscu wiązanie podwójne. W wyniku addycji do wiązania podwójnego
natomiast powstaje zwiÄ…zek o wiÄ…zaniu pojedynczym. W chemii organicznej reakcje addycji oznacza siÄ™
symbolem A. Ogólny przebieg takich reakcji pokazano schematycznie na Rys. 1A na przykładzie
wiązania podwójnego węgiel-węgiel. Należy jednak pamiętać, że jest to reakcja typowa także dla
połączeń atomów węgla z innymi atomami, np. grupy karbonylowej (>C=O) lub nitrylowej (-Ca"N).
A) B)
+
C Y Z C +
Z Y
C C + ZY C C
Z Y
C)
C C
ZY
C C +
Z
Y
Rys. 1. Reakcje organiczne: A) addycja, B) substytucja, C) eliminacja.
Najbardziej charakterystycznymi reakcjami nasyconych związków organicznych są reakcje
substytucji, czyli podstawienia atomów lub grup atomów w cząsteczce. Takie reakcje oznacza się
symbolem S. Związki nasycone mogą także ulegać reakcjom eliminacji, oznaczanym symbolem E.
Eliminacja jest przeciwieństwem addycji: w jej wyniku ze związków nasyconych powstają nienasycone.
SubstytucjÄ™ i eliminacjÄ™ pokazano schematycznie na Rys. 1B i 1C. OsobnÄ… grupÄ™ stanowiÄ… zwiÄ…zki
aromatyczne, dla których  mimo ich niensyconego charakteru  najbardziej typowe są reakcje
substytucji. Przyczyną tego faktu jest ogromna trwałość pierścienia aromatycznego.
Addycja, substytucja i eliminacja to główne typy reakcji organicznych. Każda z nich może przebiegać
według mechanizmu wolnorodnikowego lub polarnego. Reakcje wolnorodnikowe zapoczątkowywane są
60
 Reakcje podstawienia elektrofilowego w zwiÄ…zkach aromatycznych
przez wolne rodniki, tj. reagenty zawierajÄ…ce niesparowane elektrony. Do reakcji polarnych natomiast
zalicza siÄ™ procesy elektrofilowe i nukleofilowe. Te pierwsze inicjowane sÄ… przez elektrofile, czyli
reagenty charakteryzujące się niedoborem elektronów (kationy lub kwasy Lewisa). Te drugie
wywoływane są przez nukleofile, tj. reagenty zawierające nadmiar elektronów (aniony lub zasady
Lewisa). Mechanizm reakcji oznacza siÄ™ za pomocÄ… dolnego indeksu: R  reakcja wolnorodnikowa, E-
reakcja elektrofilowa, N- reakcja nukleofilowa. I tak, oznaczenie SR odnosi siÄ™ do reakcji substytucji
wolnorodnikowej, AN- addycji nukleofilowej, AE- addycji elektrofilowej, itd.
O mechanizmie reakcji często decyduje polaryzacja wiązań kowalencyjnych występujących
w cząsteczkach związków organicznych. Warto jednak pamiętać, że istotny wpływ na mechanizm ma
również środowisko reakcji.
1.2 ZwiÄ…zki aromatyczne i ich znaczenie
Związki aromatyczne to klasa związków organicznych, wykazujących szereg wspólnych cech
budowy oraz wspólne właściwości chemiczne. Wszystkie związki aromatyczne mają budowę
pierścieniową, czyli cykliczną. Ich cząsteczki są płaskie, ale zawierają rozbudowany w przestrzeni układ
zdelokalizowanych wiązań Ą. Dzięki tym wiązaniom pierścienie aromatyczne są bardzo trwałe i trudno
ulegają rozerwaniu. Dlatego najbardziej charakterystycznymi reakcjami tej klasy związków są nie
naruszające układu cyklicznego reakcje podstawienia atomu lub grupy atomów związanych z
pierścieniem aromatycznym.
IstniejÄ… karbocykliczne (nazywane inaczej homocyklicznymi) i heterocykliczne zwiÄ…zki aromatyczne.
Szkielet pierścienia tych pierwszych tworzą wyłącznie atomy węgla. W pierścieniach związków
heterocyklicznych - oprócz atomów węgla - znajdują się atomy innych pierwiastków, nazywane
heteroatomami. Mogą nimi być atomy tlenu, azotu, siarki. Najważniejszymi przedstawicielami
karbocyklicznych związków aromatycznych są benzen i jego analogi. Heterocykliczne związki
aromatyczne to na przykład: furan, pirol, tiofen, pirydyna. Wzory strukturalne wybranych związków
aromatycznych przedstawiono na Rys. 2.
N
N
N
Benzen Naftalen Antracen Pirydyna Pirymidyna
N
O
S
H
Furan Tiofen Pirol
Rys. 2. Wzory strukturalne niektórych związków aromatycznych.
Każdy, nawet najbardziej podstawowy, kurs chemii organicznej zawiera informacje na temat
związków aromatycznych. Rozdziały poświęcone tym związkom znajdują się we wszystkich
podręcznikach chemii organicznej. Nie wydaje się więc celowe powtarzanie w obecnym opracowaniu
wiadomości, które każdy student może znalez
ć w swoich notatkach z wykładów lub w dowolnym
podręczniku chemii organicznej. Warto natomiast zastanowić się, dlaczego związki aromatyczne są tak
ważne, że nie sposób ich pominąć w żadnym kursie chemii organicznej. Odpowiedz
jest prosta: układy
aromatyczne to bardzo rozpowszechnione elementy budowy związków organicznych. Wchodzą
w skład cząsteczek substancji o dużym znaczeniu praktycznym, takich jak: leki, środki ochrony roślin,
barwniki, substancje zapachowe, przyprawy i konserwanty używane w przemyśle spożywczym, polimery.
W Tabeli 1 podano przykłady znanych, szeroko stosowanych związków zawierających w cząsteczkach
pierścienie benzenowe.
61
 Reakcje podstawienia elektrofilowego w zwiÄ…zkach aromatycznych
Tabela 1. Wybrane związki zawierające w cząsteczkach pierścienie benzenowe i ich zastosowania.
Wzór strukturalny związku Nazwa Zastosowanie
Penicylina G Antybiotyk przeciwbakteryjny
C HN CH3
CH2 H H S
(penicylina benzylowa) odkryty przez Aleksandra
CH3
O Fleminga w 1928 roku, stoso-
N
COOH
O wany w lecznictwie od poczÄ…t-
H
ku lat 1940. do chwili obecnej.
COOH
Kwas acetylosalicylowy Lek o działaniu przeciwbó-
(aspiryna, polopiryna) lowym,przeciwgorÄ…czkowym
O C CH3
i przeciwzapalnym. Hamuje
tworzenie się skrzepów krwi.
O
N-(4-hydroksyfenylo)acetamid Lek o działaniu przeciwbó-
N C CH3
HO
(paracetamol) lowym, przeciwgorÄ…czkowym.
H O
O H
Indygo Niebieski barwnik używany do
N
barwienia tkanin, m.in. tkaniny
dżinsowej.
N
H O
4-hydroksy-3-metoksybenz- Jeden ze składników aroma-
CHO
HO aldehyd (wanilina) tycznych wanilii. SyntetycznÄ…
wanilinÄ™ stosuje siÄ™ jako
CH3O aromat w przemyśle spożyw-
czym.
O O
Aspartam (nutrasweet) Substancja słodząca o symbolu
H
C CH C
H2N CH N OCH3
E951 dodawana do soków
owocowych oraz napojów
HOOC CH2
gazowanych typu  light .
Zarówno sam kwas, oznaczany
Kwas benzoesowy
symbolem E210, jak i jego
COOH
sole: sodowa (E211), potasowa
(E212) i wapniowa (E213) to
konserwanty dodawane do
majonezów, przetworów wa-
rzywnych, margaryn i napojów
gazowanych.
Polimer. W postaci spienionej
Polistyren
CH2
CH
(styropian) stosowany jako
materiał opakowaniowy,
a także jako materiał
izolacyjny w budownictwie.
n
Polimer używany masowo do
Poli(tereftalan etylenu)
produkcji butelek na napoje
OCH2CH2O
C
C
(butelki PET) oraz włókien
O
O
n
poliestrowych, stosowanych
np. do wytwarzania tkaniny
polar.
62
 Reakcje podstawienia elektrofilowego w zwiÄ…zkach aromatycznych
1.3 Podstawienie elektrofilowe w zwiÄ…zkach aromatycznych
Ze względu na swoją budowę elektronową związki aromatyczne są nukleofilami
i łatwo reagują z czynnikami charakteryzującymi się niedoborem elektronów, tj. elektrofilami.
Najbardziej charakterystyczną reakcją związków aromatycznych jest reakcja podstawienia
elektrofilowego w pierścieniu aromatycznym, oznaczana w skrócie symbolem SE. Ogólny mechanizm
tej reakcji na przykładzie benzenu przedstawia schematycznie Rys. 3. W pierwszym etapie (Rys. 3a)
reagent elektrofilowy (Y+) atakuje pierścień aromatyczny, w wyniku czego tworzy się karbokation
o zdelokalizowanym ładunku (trzeba umieć narysować struktury rezonansowe tego karbokationu!).
Następnie, wskutek reakcji karbokationu z nukleofilem (Z-) odtwarza się układ aromatyczny
i powstaje związek zawierający atom lub grupę atomów Y (Rys. 3b). Sumarycznie, każda reakcja SE
prowadzi do podstawienia atomu (lub atomów) wodoru w pierścieniu aromatycznym innym atomem
lub grupami atomów, co pokazano na Rys. 3c.
H
Y
+
a)
+ Y
+
Y
H
Y
-
b) HZ
+ +
+ Z
Y
c)
HZ
YZ +
+
Rys. 3. Reakcja podstawienia elektrofilowego w pierścieniu aromatycznym:
a) pierwszy etap, b) drugi etap, c) równanie sumaryczne.
Podstawniki znajdujące się w pierścieniu aromatycznym wywierają wpływ na przebieg reakcji SE.
Od nich też zależy miejsce wprowadzenia następnego podstawnika do pierścienia.
Reakcjami podstawienia elektrofilowego atomów wodoru w związkach aromatycznych są:
sulfonowanie, nitrowanie, chlorowanie, bromowanie, alkilowanie, acylowanie. Szczegółowe
mechanizmy tych reakcji można znalez
ć w podręcznikach lub w notatkach z wykładów.
2 Opis ćwiczenia
W ćwiczeniu prowadzi się reakcję sulfonowania p-ksylenu, przebiegającą zgodnie z następującym
równaniem:
SO3H
"T
H2O
CH3
H2SO4 H3C +
CH3
+
H3C
Sulfonowany p-ksylen w temperaturze pokojowej jest ciałem stałym i po oziębieniu mieszaniny
reakcyjnej wytrąca się z niej w postaci osadu, który należy oczyścić przez krystalizację z wody.
63
 Reakcje podstawienia elektrofilowego w zwiÄ…zkach aromatycznych
2.1 Wykonanie ćwiczenia
Uwaga: Ćwiczenie należy wykonywać w rękawicach ochronnych.
Odczynniki: Szkło laboratoryjne, aparatura, materiały:
1. p-Ksylen 1. Kolba okrągłodenna ze szlifem o pojemności
2. Kwas siarkowy stężony 50 cm3
3. Woda destylowana 2. Chłodnica zwrotna
3. Zlewki o pojemności 50 i 250 cm3
4. Zestaw do krystalizacji z wody
5. Zestaw do sÄ…czenia pod zmniejszonym
ciśnieniem
6. Pipety z nasadkami do zasysania cieczy
7. Czasza grzejna z regulatorem mocy
8. Statyw, Å‚Ä…cznik, Å‚apa
Ćwiczenie należy przeprowadzić zgodnie z następującym opisem:
1. Do kolby okrągłodennej wlać pipetą 3 cm3 p-ksylenu. Następnie (inną pipetą) dodać do kolby
5 cm3 stężonego kwasu siarkowego. Obie czynności należy przeprowadzić pod sprawnie
działającym wyciągiem.
2. Kolbę z zawartością umieścić w łapie na statywie. Zamontować chłodnicę zwrotną. Tak
przygotowany układ reakcyjny umieścić w zlewce o pojemności 250 cm3, napełnionej wodą
i wstawionej do czaszy grzejnej. Zlewka z wodą pełni rolę łaz
ni, zapobiegajÄ…cej przegrzaniu
mieszaniny reakcyjnej.
3. Odkręcić doprowadzenie wody do chłodnicy i rozpocząć ogrzewanie układu reakcyjnego.
Ogrzewanie powinno być łagodne tak, żeby temperatura wody w zlewce stanowiącej łaz
niÄ™
wynosiła 70  80 0C (kontrola temperatury nie jest konieczna). W trakcie ogrzewania należy
co pewien czas ostrożnie mieszać zawartość kolby ruchem wirowym.
4. Obserwować zmiany mieszaniny reakcyjnej: po pewnym czasie (30-45 minut) z powierzchni
kwasu siarkowego znika warstwa p-ksylenu, a zawartość kolby staje się jednorodną,
jasnożółtą mieszaniną. Wtedy reakcja jest zakończona i należy wyłączyć ogrzewanie.
5. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej, zawartość kolby wylać do zlewki o pojemności
50 cm3, a następnie dodać do niej ostrożnie, mieszając bagietką, 3 cm3 wody destylowanej
i oziębić w naczyniu z zimną wodą. Czynności te należy wykonać pod działającym
wyciÄ…giem.
6. Wytrącony krystaliczny osad sulfonowanego p-ksylenu odsączyć pod zmniejszonym
ciśnieniem na lejku ze spiekiem szklanym (lejka nie należy wykładać bibułą filtracyjną!) i
oczyścić przez krystalizację z wody (ok. 3 cm3) i pozostawić do wysuszenia w eksykatorze.
7. Po wysuszeniu, produkt sulfonowania p-ksylenu należy zważyć i zmierzyć jego temperaturę
topnienia.
2.3. Opracowanie wyników
Obliczyć wydajność przeprowadzonej syntezy, wyrażając ją w procentach wydajności
teoretycznej. Wydajność teoretyczna to ilość produktu, jaką uzyskałoby się, gdyby reakcja
przebiegła do końca zgodnie z jej równaniem. W obliczeniach wydajności teoretycznej należy
uwzględniać ilości reagentów używane w syntezie. Dane potrzebne do obliczeń: gęstość
p-ksylenu wynosi 0,86 g/cm3, jego masa molowa równa jest 106,16 g/mol, masa molowa
sulfonowanego p-ksylenu wynosi 186,16 g/mol.
64
 Reakcje podstawienia elektrofilowego w zwiÄ…zkach aromatycznych
Literatura
Przygotowując się do ćwiczenia można korzystać z notatek z wykładów oraz z dowolnych
podręczników chemii organicznej, w których opisano budowę i właściwości chemiczne związków
aromatycznych. Spośród podręczników specjalnie zalecane są dwa podane niżej.
[1] R. T. Morrison, R. T. Boyd,  Chemia organiczna , PWN, Warszawa 1985, str. 380-418.
[2] J. McMurry,  Chemia organiczna , PWN, Warszawa 2006, str. 499-553.
65
 Szkło i sprzęt laboratoryjny używane na zajęciach
4.7 SZKA
O I SPRZ
T LABORATORYJNY UŻYWANE
NA ZAJ
CIACH
Kolbki stożkowe (erlenmayerki)
Zlewki
ze szlifem, korki szklane ze szlifem
Kolbki okrągłodenne i kolbka
gruszkowa ze szlifem
Cylindry miarowe
Kolba ssawkowa Lejek ze spiekiem szklanym,
lejek zwykły
66
 Szkło i sprzęt laboratoryjny używane na zajęciach
Nasadka do destylacji,
Chłodnica Liebiega
przedłużacz, nasadka do gazu
Termometr z regulowanym Kolumna frakcjonujÄ…ca,
szlifem (kolumna rektyfikacyjna)
wypełniona pierścieniami
Raschiga
Rozdzielacz gruszkowy Bagietka, szpatułka
67
 Szkło i sprzęt laboratoryjny używane na zajęciach
A
Ä…cznik, Å‚apa,
kółko do rozdzielacza
Statyw
Podnośniki Czasza grzejna (płaszcz grzejny)
z regulatorem mocy
68