Лабораторна робота 3

 

ЯКІСНИЙ ЕЛЕМЕНТНИЙ АНАЛІЗ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

 

До складу органічних сполук, окрім вуглецю і водню, часто вхо­дять кисень і азот. Молекула органічної речовини може містити й інші елементи (сірку, галогени, фосфор та ін.).

Для визначення елементів у складі органічних сполук їх необхід­но перевести в органічні сполуки, для подальшого дослідження яких використовуть методи звичай-ного якісного аналізу. Наприклад, спе­ціальними методами вуглець переводять в діоксид вуглецю, во­­день - у воду, азот - в ціанистий натрій, сірку - в сульфід натрію і т.д.

Розглянемо визначення вуглецю, водню, азоту, сірки і галогенів. Для виз-начення кисню не використовують якісні реакції. Про його присутність найчастіше су-дять за даними кількісного аналізу.

Дослід 3.1. Визначення вуглецю пробою на обвуглювання

Реактиви та матеріали:	глюкоза кристалічна або цукор, казеїн, сірчана кис-лота (0,1Н розчин), фільтрувальний папір
Обладнання:	скальпель або кришка тигля, пальник

Присутність вуглецю в багатьох органічних речовинах можна спо­­стерігати по обвуглюванню речовини при обережному про­жарюванні.

На кінчик скальпеля або кришку тигля вміщують декілька кристалів глюкози (цукру) і обережно нагрівають у полум’ї пальника. Глюкоза розплавляється, темніє і загоряється. На скальпелі зостається обвуглена чорна маса - вуглець. Отже, глюкоза є органічною ре­човиною.

На кінчик скальпеля вміщують крупинку казеїну і обережно нагрівають у полум’ї пальника. Казеїн спучується, обвуглюється і загоряється. На кінчику скальпеля зостається чорна маса - вуглець. Отже, білки є органічними речовинами. При згорянні білків від­чувається характерний запах спаленого волосся. Іноді обвуглювання спостерігається також при дії на органічні речовини (цукор, крох­маль, клітковину, спирти тощо) водонагрівальних речовин, наприклад, концентрованої сірчаної кислоти. Особливо сильно обвуглювання проявляється при нагріванні. При цьому обвуглювану дію проявляє навіть розбавлена сірчана кислота.

На шматочок фільтрувального паперу (клітковини) вміщують краплю розчину сірчаної кислоти. Після висихання на папері не за­лишається сліду. Обережно піді-грівають папір над полум’ям паль­ника. Ділянка фільтрувального паперу, який змочу-вали сірча­ною кислотою, обвуглюється раніше, ніж чистий папір. Отже, і клітковина належить до органічних речовин.

Проба на обвуглювання - це тільки допоміжний спосіб визна­чення вуглецю у досліджуваному розчині, бо вона достовірна тільки при наявності обвуглювання; якщо обвуглювання не виникає, то це не дає права робити висновок про відсутність вуг-лецю в речовині, тому що ряд речовин не може обвуглюватись звичайним способом. Деякі органічні речовини випаровують раніше, ніж встигають обвуг­литися; інші (сечовина, фталевий ангідрид) сублімують. Тому найбільш загальним методом визна-чення вуглецю і одночасно з ним водню є згоряння органічної речовини в суміші з окисником, в ролі якого ви­користовують дрібний порошок оксиду міді.

Визначення вуглецю і водню спаленням речовини з оксидом міді (II)

 

Принцип методу полягає в тому, що при прожаренні речовини, змішаної з чорним порошком оксиду міді (II) CuО, вуглець, згоряючи за рахунок кисню, дає оксид вуглецю (IV), а водень речовини утворює воду. Оксид міді (II) при цьому частково відновлюється до металічної міді.

Схематично процес можна виразити таким чином:

(С...Н...) + 3CuО ® CO₂ + H₂O + 3Cu

Практично завжди беруть надлишок оксиду міді для того, щоб ре­човина повністю згоріла і не було нестачі вуглецю у вигляді оксиду вуглецю (II), який не утворює осаду з баритовою водою.

Для встановлення наявності СО₂ використовують відому реакцію з баритовою водою, яка дає білий осад карбонату барію при пропусканні крізь неї оксиду вуглецю (IV):

Для визначення присутності води використовують безводний сульфат міді. Білий порошок безводного сульфату міді CuSO₄ синіє при попаданні на нього води, яка перетворює його в синій кристало­гідрат

CuSO₄+ 5Н₂О = CuSO₄ × 5Н₂О (мідний купорос)

білий синій

Для проведення експерименту в пробірку (рис. 3.1) насипають чор­ний порошок оксиду міді на висоту бли­зь­­ко 10 мм. Додають лопаточку са­ха­рози і ре­­тельно перемішують, енер­гійно стру­шуючи пробір-ку. В вер­х­ню частину про­бірки 1 вводять у вигляді проб-ки невеликий жмутик вати, на яку на­сипа­ють тонкий шар бі­лого порошку - зневодненого мідно­го купо-росу. Закри­вають пробірку 1 пробкою з газовідвід- ною трубкою. При цьому кінець трубки повинен майже впиратися у вату з CuSO4. Нижній кінець трубки вмі-

Рис. 3.1. Візначення вуглецю і водню

щують у пробірку 2, попередньо наливши в неї близько 5 мл баритової води.

Пробірку 1 нагрівають на полум’ї пальника. Якщо пробка щіль­но закриває про-бірку, то через декілька секунд із газовідвідної трубки почнуть виходити бульбашки газу. Як тільки баритова вода ста­не каламутною внаслідок виділення білого осаду BaCO₃, пробірку 2 слід вийняти. Тримаючи за газовідвідну трубку, продовжують нагрівати пробірку 1 по всій довжині до вати, доки пари води не досягнуть білого порошку зневодненого мідного купоросу, який знаходиться на ватному тампоні і не викличуть посиніння його внаслідок утворення кристалогідрату CuSO₄ × 5H₂O. Якщо взяти дуже великий шматок вати, вона поглине пари води, які виділяються, і по-синіння може не відбутися.

Встановивши наявність СО₂ і Н₂О, визначають в розчині вуглець і водень. Вказані елементи не містилися в добавленому оксиді міді, а отже, вони могли знаходитись тільки в органічній речовині, яку брали для аналізу.

Цей же принцип лежить в основі кількісного елементного аналізу органічних речовин з тією різницею, що береться певна наважка дослід­жуваної речовини і, крім того, визначається маса утворених СО₂ і Н₂О. На основі отриманих даних роз-раховують спочатку процентний вміст вуглецю і водню в речовині, а потім, після визначення молекулярної маси, виводять найпростішу, так звану елементну формулу речовини.

 

Дослід 3.2. Визначення азоту сплавленням речовини з металічним натрієм

Реактиви та матеріали:	сечовина кристалічна, натрій металічний, 0,1Н роз-чин сульфату заліза (II), 0,1Н розчин хлориду залі-за FeCl3, 2Н розчин соляної кислоти, 90%-ний ети-ловий спирт
Обладнання:	піпетки, предметне скло, пробірки

В суху пробірку поміщають 5-10 мг сечовини (кілька кри­сталиків) і вносять невеликий шматочок металічного натрію. Суміш обережно нагрівають в полум’ї паль-ника до сплавлення сечовини з натрієм. При цьому іноді спостерігається слабкий спалах.

Після охолодження в пробірку зі сплавом додають 3 краплі етилового спирту для усунення залишків металічного натрію, який реагує зі спиртом не так бурхливо, як з водою. При цьому утворюється алкоголят натрію і виділяється водень.

2С₂Н₅ОН + 2Na ® 2C₂H₅ONa + H₂­

Потім в пробірку додають 5 крапель води і нагрівають на полум’ї пальника. За допомогою піпетки переносять розчин ціанистого натрію, що утворився, на предметне скло, додають краплю залізного купоросу і краплю хлориду заліза (III), які в присутності лугу, що утворився при реакції алкоголята натрію з водою

С₂Н₅ОNa + HOH ® C₂H₅OH +NaOH,

дають зелений Fe(OH)₂ і жовтий Fe(OH)₃ осади. Якщо в розчині є над­лишок ціанисто-го натрію, то утворюється гексаціаноферат -(II) натрію Na₄[Fe(CN)₆].

Наносять піпеткою на фільтрувальний папір (30´30 мм) краплю каламут­ної рідини. Після того як крапля вбереться, на це ж місце на­но­сять краплю соляної кислоти.

Хімізм процесу:

Na + [C] + [N] ® NaCN

FeSO₄ +2NaOH ® Fe(OH)₂ + Na₂SO₄

FeCl₃ + 3NaOH ® Fe(OH)₃ +3NaCl

2NaCN + FeSO₄ ® Fe(CN)₂ +Na₂SO₄

Fe(CN)₂ + 4NaCN ® Na₄[Fe(CN)₆]

гексаціаноферат-(II)

натрію

Утворений комплекс з солями заліза (III) може дати синій осад - берлінську лазур. Одначе луг, присутній в розчині, зв’язує іо­­ни Fe³⁺ в гідроксид заліза (III). Тому берлінська лазур може утво­рюватися тільки після розчинення гідроксиду в кислоті:

Fe(OH)₃ + 3HCl ® FeCl₃ + 3H₂O

3Na₄[Fe(CN)₆] + 4FeCl₃ ® Fe[Fe(CN)₆]₃ +12NaCl

берлінська лазур

При проведенні досліду необхідно звернути увагу на те, щоб на­трій не плавив-ся окремо від речовини, бо навіть при наявності в ре­човині азоту ціанистий натрій не утворюється і дослід буде невдалим.

 

Дослід 3.3. Визначення сірки сплавленням речовини з металічним натрієм

Реактиви та матеріали:	металічний натрій, стрептоцид білий або сульфані-лова кислота, етиловий спирт, оцтовокислий сви-нець (0,1Н розчин), нітропрусид натрію (0,5H), фільтрувальний папір
Обладнання:	пробірки, пальник, піпетки

В суху пробірку вміщують досліджувану речовину, напри­клад, білий стрептоцид або сульфанілову кислоту (декілька крупинок - 5-6 мг) і вносять невеликий шматочок металічного натрію. Тримаючи пробірку вертикально, нагрівають суміш до червоного кольору, щоб натрій плавився з речовиною. Потім пробірку зі сплавом охо­лоджують і додають в неї 3 краплі етилового спирту для вилучення залишку металічного натрію. Після закінчення виділення бульбашок газу (водню) сплав розчиняють в 5 краплях дистильованої води.

Складають разом два шматочки фільтру-вального паперу 30´30 мм і на його протилежні кути піпеткою наносять по 2 краплі темної рідини (рис. 3.2). Верхній фільтрувальний папір слу­гує фільтром, крізь який про­пускають роз­чин сульфі-ду натрію, звільняючи його від часток вугілля, яке утворюється при об­вуглюванні речовини. На ниж-ньому філь­трувальному папері зостаються дві безбарвні плями. На одну з них наносять краплю роз­чину оцтовокислого свинцю: миттєво з’яв­ля-ється коричневе забарвлення від утво­реного сульфіду свинцю. На другу пляму наносять крап-

Рис. 3.2. Визначення сірки крапельним методом: а – проба з (СН3СОО)2Рb; б – проба з нітропрусидом натрію

лю розчину нітропрусиду натрію Na₂[Fe(CN)₅NO]: в ту ж мить з’яв­ляється червоно-фіолетове забарвлення, яке поступово змінює свій колір. Ця ко­льорова реакція на іон S^2- зумовлена утво­ренням комплексної солі складу Na₄[Fe(CN)₅(NO)S].

Хімізм процесу:

2Na + [S] ® Na₂S

Na₂S + (CH₃COO)₂Pb ® PbS +2CH₃COONa

Na₂S + Na₂[Fe(CN)₅NO] ® Na₄[Fe(CN)₅(NO)S]

 

Дослід 3.4. Визначення хлору за зеленим забарвленням полум’я

(проба Бельштейна)

Реактиви та матеріали:	хлороформ або дихлорметан, мідний дріт
Обладнання:	пробірки, пальники, піпетки

Галогени найчастіше відкриваються за Бельштейном - прожа­рюванням орга-нічної речовини з оксидом міді в полум’ї пальника.

Мідний дріт довжиною 10 см з петлею на кінці прожарюють у по­лум’ї пальника до зникнення стороннього забарвлення полум’я (ознака відсутності забруднення мідної петлі). Петлю, яка охолола і вкри­лася чорним нальотом оксиду міді, опускають в пробірку з од­ні­єю-двома краплями дослідної речовини, наприклад, хлороформу, і знову вносять у полум’я пальника.

При прожарюванні кисень оксиду міді окислює вуглець і водень органічної речовини в діоксид вуглецю і воду, мідь же утворює з га­логеном леткі сполуки, які й надають полум’ю пальника зеленого кольору. Поява зеленого забарвлення вказує на присутність в органічній сполуці галогену.

 

Хімізм процесу:

2СНСI₃ + 5CuO ® CuCl₂ +4CuCl +2CO₂ +H₂O

Щоб очистити дріт, його змочують соляною кислотою і знову прожарюють.

Таким чином, для визначення галогенів органічну речовину руй­нують. При цьому галогени переходять в неорганічні солі, які мо­жуть бути встановлені звичай-ними іонними реакціями.

Контрольні запитання

1. Як визначається наявність вуглецю в органічній сполуці?

2. Поясніть принцип методу відкриття вуглецю і водню спален­ням речовини з оксидом міді. Напишіть рівняння реакції.

3. Поясніть хімізм процесу сплавлення сірки з металічним натрієм.

4. Як відкривають галогени за Бельштейном?