ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.Д.Синегибская ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Методические указания к лабораторным работам малого практикума по дисциплине «Органическая химия» Братск 2008 УДК 541. 64 Органическая химия: методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Органическая химия» Лабораторный практикум содержит описание опытов, посвященных изучению способов получения и химических свойств основных классов органических соединений. Практикум предназначен для студентов, изучающих курс «Органическая химия». Печатается совета БрГУ по решению редакционно-издательского Рецензент: Ерофеева М.Р., к.х.н., зав. кафедрой экологии и БЖД ГОУВПО «БрГУ» Отпечатано с оригинала автора 665709 г.Братск, ул. Макаренко, 40 ГОУВПО «Братский государственный университет» Тираж 50 экз. заказ 57 2 Содержание Введение Подготовка к работе Правила работы в лаборатории органической химии и техника безопасности Методы разделения и очистки органических веществ. 1. Очистка вредных веществ. 2. Возгонка (сублимация) 3. Экстракция 4. Перегонка Качественный элементный анализ органических веществ 1. Открытие углерода и водорода в органическом веществе 2. Открытие азота, серы и галогена 2.1 Открытие серы 2.2 Открытие азота 2.3 Открытие галогена Получение и свойства основных классов органических соединений Лабораторная работа №1 Получение и изучение химических свойств алканов 1. Получение метана Опыт 1.1 Отношение алканов к бромной воде Опыт 1.2 Отношение алканов к окислителям Опыт 1.3 Действие концентрированной серной кислоты на алканы Опыт 1.4 Действие концентрированной азотной кислоты на алканы 2. Алкены. Получение и химические свойства Опыт 2.1 Получение этилена Опыт 2.2 Отношение этилена к бромной воде Опыт 2.3. Отношение этилена к окислителям 3. Алкины. Получение и химические свойства Опыт 3.1. Получение ацетилена Опыт 3.2 Отношение ацетилена к окислителям Опыт 3.3 Отношение ацетилена к бромной воде Опыт 3.4 Получение ацетиленида меди Вопросы коллоквиума по разделу курса «Алканы, алкены и алкины» Лабораторная работа № 2 3 4 5 5 8 10 10 11 15 15 16 16 17 17 19 19 19 19 20 20 20 20 20 21 21 21 21 22 22 22 23 Изучение химических свойств ароматических углеводородов Опыт 1. Окисление толуола Опыт 2. Бромирование толуола Опыт 3. Окисление n-ксилола Опыт 4. Растворимость фенола в воде Опыт 5. Получение фенолята натрия Опыт 6.Получение трибромфенола Опыт 7 Цветная реакция на фенол Опыт 8 Реакция салициловой кислоты с хлоридом железа (III) Опыт 9 Гидрозиз ацетилсалициловой кислоты Опыт 10 Нитрование нафталина Опыт 11 Бромирование нафталина Вопросы коллоквиума по разделу курса «Карбоциклические углеводороды» Лабораторная работа №3 Изучение химических свойств кислородсодержащих органических соединений Опыт 1. Получение хлористого этила Опыт 2 Окисление изопропилового спирта Опыт 3 Образование сложного эфира Опыт 4 Образование глицерата меди Опыт 5 Получение диизопропилового эфира Опыт 6 Образование ацетоном фенилгидразона Опыт 7 Образование и гидролиз уксуснокислого железа Опыт 8 Гидролиз мыла Опыт 9 Окисление муравьиной кислоты перманганатом калия Опыт 10 Омыление жира Опыт 11 Получение бензойнокислого натрия Вопросы коллоквиума по разделу курса «Функциональные производные углеводородов» Список рекомендуемой литературы 4 24 24 24 25 25 25 26 26 27 27 27 28 29 30 30 31 31 31 32 32 32 32 32 33 33 34 35 Введение Основная цель малого лабораторного практикума заключается в том, чтобы помочь студенту глубже изучить теоретический материал органической химии, ознакомиться с основными приёмами и методами работы в лаборатории и характерными реакциями основных классов углеводородов и их функциональных производных. Эта задача может быть успешно решена, если студент при подготовке к каждому занятию будет тщательно прорабатывать теоретический материал, составлять краткий конспект методов получения и химических свойств изучаемого класса органических соединений. Большинство опытов практикума являются пробирочными. Для них не требуется сложной аппаратуры и оборудования, дорогостоящих и малодоступных реактивов и материалов. Опыты подобраны с таким расчётом, чтобы студент получил реальное представление о химических процессах, приобрёл навыки экспериментальной работы и самостоятельность в мышлении и выводах. Для выполнения лабораторных работ студентам выдаются методические указания, справочники. 5 Подготовка к работе При подготовке к работе рекомендуется придерживаться следующего плана. 1.Перед началом лабораторного практикума студент должен детально познакомиться с правилами работы в лаборатории органической химии и техникой безопасности. 2.Прочитать название работы, основные теоретические положения и порядок выполнения работы. Выяснить смысл всех непонятных слов. 3.Написать уравнения реакций, которые будут проведены в процессе эксперимента. 4.Продумать, какой вывод следует сделать по результатам полученных экспериментальных данных. Перед началом работы преподаватель в краткой беседе выясняет степень подготовленности студента к лабораторным занятиям и проверяет протокол. В протоколе должны быть записаны тема занятий, уравнения реакций, ход выполнения работы и схема прибора. В процессе работы в протокол заносятся результаты наблюдений. Правильно организованные лабораторные занятия малого практикума с предшествующей теоретической проработкой отдельных классов органических соединений дома значительно облегчают усвоения разделов органической химии. ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ Успешное выполнение лабораторного практикума возможно лишь при соблюдении правил работы в лаборатории, требований техники безопасности и гигиены труда. Во время работы в лаборатории соблюдайте чистоту, тишину и порядок. 6 1. Не разрешается работать в лаборатории в отсутствии лаборанта или преподавателя. 2. Приступайте к работе только с разрешения преподавателя и после полного усвоения всех её операций. Запрещается производить работы, не связанные непосредственно с выполнением задания. 3. В лаборатории запрещается принимать пищу, пить воду, курить. 4. Во время работы не следует касаться лица руками, так как многие органические вещества сильно раздражают кожу, а при попадании на слизистую оболочку глаз вызывают сильное жжение и последующее воспаление. 5. Во время нагревания жидкостей или твёрдых тел в пробирках (или колбах) не направляйте отверстие сосуда на себя или на соседей, не заглядывайте в пробирки (колбы) сверху, так как в случае возможного выброса нагретого вещества может произойти несчастный случай. 6. Нагревание пробирок и других стеклянных сосудов следует производить очень осторожно и постепенно; перед нагреванием на пламени, песчаной бане пробирка или сосуд должны быть вытерты снаружи насухо. 7. Категорически запрещается пробовать какие-либо вещества на вкус. Определять запах соединения можно, осторожно направляя к себе его пары лёгким движением руки. 8. Остатки химических реактивов сливаются в предназначенные для них специальные склянки, находящиеся в вытяжных шкафах. Не бросайте в раковины бумагу, песок, битое стекло и другие твёрдые предметы. 9. Горючие и легковоспламеняющиеся жидкости нельзя нагревать в приборах на открытом пламени. Эти вещества нагревают и отгоняют на электрической, водяной или воздушной бане со скрытым нагревательным элементом. 10. При возникновении пожара немедленно выключите электроприборы, уберите все горючие вещества подальше от огня, засыпьте песком или накройте войлочным, шерстяным или асбестовым одеялом очаг пожара. Большое пламя тушат с помощью углекислотных огнетушителей. О сильном пожаре следует тот час же сообщить дежурному (пожарной охране). 7 11. Если загорится одежда, пострадавшего следует облить водой или немедленно повалить на пол и накрыть войлочным или шерстяным одеялом, которое не снимают до тех пор, пока не погаснет пламя. Можно потушить пламя, перекатываясь по полу. 12. При термических ожогах немедленно делайте длительную примочку обожжённого места 0,5%-ным раствором перманганата калия или этиловым спиртом, затем нанесите на поражённый участок мазь от ожогов. 13. При ожогах кислотами поражённое место промойте проточной водой, а затем 3%-ным раствором гидрокарбоната натрия (NaHCO3). Если поражены глаза, то после длительной обработки водой промойте 2-3%-ным раствором гидрокарбоната натрия и направьте пострадавшего к врачу. 14. При ожогах едкими щелочами хорошо промойте обожженное место проточной водой, затем 1%-ным раствором уксусной кислоты. При попадании растворов щелочей в глаза их сразу же обильно промывают водой, а затем 0,5%-ным раствором борной кислоты; далее необходимо немедленно обратиться к врачу. 8 МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 1.Очистка твердых веществ Кристаллизация Кристаллизация – это процесс образования и роста кристаллов из раствора, расплава или газовой среды. Этот метод является одним из важнейших методов, применяемых для очистки твердых органических веществ. Он основан на различной растворимости органического вещества и сопутствующих ему примесей в данном растворителе при различных температурах. Загрязненное примесями вещество растворяют при нагревании в подходящем растворителе, а затем горячий раствор отфильтровывают от нерастворимых примесей и охлаждают. Выпавший осадок отфильтровывают и сушат. В качестве растворителей часто применяют этиловый спирт, ацетон, бензол, хлороформ, диоксан, воду и др. Необходимо учитывать следующие требования к растворителям: 1. Растворитель должен хорошо растворять вещество при нагревании и плохо – при охлаждении; 2. Растворитель не должен химически взаимодействовать с очищаемым веществом; 3. Растворитель желательно применять в минимальном количестве, т.е. не должен обладать хорошей растворимостью (иначе растворенное вещество не будет полностью выделяться при охлаждении). Из горячего раствора сначала будет кристаллизоваться то вещество, которое труднее растворяется в данном растворителе или присутствует в большом количестве. Чтобы вызвать процесс кристаллизации в пересыщенном растворе, в него добавляют несколько кристаллов того вещества, которое необходимо выкристаллизовать, в качестве «затравки». Помогает в этом случае потирание стенок сосуда (в растворе) стеклянной палочкой. 9 Перекристаллизация Перекристаллизацией проводят очистку твердых веществ, содержащих сравнительно небольшое количество примесей, как правило, лучше растворимых в данном растворителе, чем кристаллизуемое вещество. Кристаллизуемое вещество должно плохо растворяться на холоду и хорошо – при температуре кипения растворителя. Перекристаллизация состоит в приготовлении насыщенного раствора кристаллизуемого вещества в растворителе при температуре кипения этого раствора, с последующим его охлаждением, после чего из раствора выпадают кристаллы вещества той или иной степени частоты. Примеси остаются в растворе. Для приготовления насыщенного раствора кристаллизуемое вещество помещают в круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, и приливают минимальное, так, чтобы образовалась густая кашица,количество растворителя. Смесь нагревают до кипения. Затем через форштос холодильника приливают небольшими порциями растворитель, доводя смесь до кипения после каждого прибавления, пока не будет получен раствор. Если после добавления последующей порции растворителя количество нерастворенного вещества не уменьшается, значит, это примесь, которую следует удалить фильтрованием горячего раствора. Перекристаллизация ацетанилида Взвесить 5 г ацетанилида и перенести в стакан емкостью 500 мл, предварительно налив в него 100 мл воды. Затем смесь нагреть до кипения, постоянно перемешивая добавлять небольшими порциями горячую воду до тех пор, пока не будет маслянистой жидкости на поверхности раствора. При недостатке растворителя не растворившееся еще вещество находится не в виде кристаллов, а в виде маслянистой жидкости. Полнотой растворения считать исчезновение маслянистой жидкости. Горячий раствор отфильтровать. Быстро перенести раствор из колбы Бунзена в 10 стакан и поставить в холодную воду со льдом. Постоянно перемешивать до выделения кристаллов. Кристаллы отфильтровать на воронке Бюхнера (стакан промыть маточником, чтобы было меньше потерь). Кристаллы высушить на воздухе. Взвесить и рассчитать потери. 2. Возгонка (сублимация) Возгонка или сублимация связаны с переходом кристаллического вещества, нагретого ниже его температуры плавления в парообразное состояние (минуя жидкую фазу), а затем при охлаждении – опять в твердое состояние. Этим способом хорошо очищают вещества, если летучесть сопутствующих загрязнений отличается от летучести основного вещества. Возгонкой хорошо можно очистить бензойную кислоту, антрацен, нафталин и т.д. Для возгонки веществ при нормальном давлении используют фарфоровую чашку, в которую помещают вещество и стеклянную воронку, которой накрывают (в опрокинутом виде) чашку. Отводную трубку воронки закрывают куском ваты. Между чашкой и воронкой помещают фильтровальную бумагу с небольшими отверстиями во многих местах для пропускания пара. Это делают для того, чтобы кристаллы вещества, образовавшиеся на холодной поверхности воронки, не падали опять на возгоняемое вещество. Воронку охлаждают, прикладывая к наружной поверхности смоченный в воде кусок ткани. Фарфоровую чашку с веществом медленно и осторожно нагревают на бане. Необходимо помнить, что даже небольшой перегрев может привести к термическому разложению очищаемого вещества. 3. Экстракция Экстракция или извлечение основана на различной растворимости веществ в двух несмешивающихся жидкостях. Чаще всего экстрагированию приходится подвергать водные 11 растворы. Для этого пользуются делительной воронкой, в которую наливают раствор, содержащий экстрагируемое вещество и экстрагирующую жидкость, т.е. растворитель, в котором это вещество растворяется лучше. Растворитель для экстракции должен: а) мало растворяться в другом растворителе, который содержит экстрагируемое вещество; б) заметно лучше растворять экстрагируемое вещество, чем растворитель, из которого это вещество экстрагируется; в) не должен химически взаимодействовать ни с экстрагируемым веществом, ни с растворителем, его содержащим; г) быть сравнительно безопасным; д) легко удаляться при выделении из него вещества Делительную воронку, содержащую раствор экстрагируемого вещества и растворитель (не более 2/3 ее объема), закрывают пробкой и осторожно встряхивают. В воронке может повышаться давление за счет испарения растворителя, поэтому нужно периодически открывать кран и выпускают пары растворителя (при этом воронку держать трубкой кверху). После встряхивания делительную воронку закрепляют в штативе и оставляют в покое до полного разделения слоев. Затем открывают пробку и, осторожно открывая кран, медленно сливают нижний слой в стакан, стараясь не слить вместе с нижним слоем и верхний. Оставшийся слой (экстракт) выливают через верхнее отверстие воронки в другую посуду и сушат подходящим осушителем. После этого растворитель отгоняют на бане. Обычно это не вызывает никаких затруднений, т.к. растворители, применяемые для экстракции, кипят при сравнительно низких температурах. 4. Перегонка Перегонка – процесс отделения жидких веществ от нелетучих примесей или отделения друг от друга летучих веществ с различной температурой кипения. Это достигается 12 путем нагревания жидкости до кипения и последующей конденсацией ее паров в холодильнике. Перегонка является удобным способом выделения и очистки продуктов реакции. Существует три способа перегонки жидкости: а) при нормальном давлении (простая и фракционная перегонка); б) при пониженном давлении (перегонка в вакууме); в) с водяным паром. Перегонка при нормальном давлении (простая перегонка) Этот способ применяют, когда разница в температурах кипения веществ, входящих в состав разделяемой смеси, значительна (не менее 80-1000С) или когда основное вещество необходимо отделить от нелетучих примесей. Схема установки для простой перегонки показана на рис. 1. Рис. 1. Схема установки для простой перегонки при атмосферном давлении: 1 − колба Вюрца; 2 − термометр; 3 − холодильник Либиха; 4 − алонж; 5 − колба-приемник; 6 − баня; 7— кипятильники 13 В колбу вводят термометр, вставленный в пробку. Его ртутный шарик должен находиться примерно на 0,5 см ниже отверстия отводной трубки. Если перегоняемая жидкость кипит ниже 120-1300С, то применяют проточное водяное охлаждение. При перегонке жидкостей, кипящих выше этой температуры применяют воздушный холодильник. Чтобы жидкость кипела равномерно, в колбу помещают кусочки обожженного неглазурованного фарфора или длинные стеклянные капилляры, запаянные с одного конца и погруженные в жидкость другим концом. При перегонке индивидуального вещества его температура кипения остается постоянной в течение всей перегонки. Выбор нагревательного прибора зависит от температуры кипения жидкости, ее огне- и взрывоопасности. В лабораторных условиях для нагрева низкокипящих жидкостей используются водяные бани (если температура кипения жидкости ниже 1000С). Для высококипящих – воздушные, масляные, песчаные, металлические бани. Простая перегонка смеси изопропилового и изоамилового спиртов Температура кипения чистого изопропилового спирта 820С, температура кипения чистого изоамилового спирта 1320С. Разность температур кипения разделяемых перегонкой веществ составляет 500С. Разделив это число на 3 (число намеченных к отбору фракций), получают интервалы по 160С, в которых и отбирают каждую из фракций. Следовательно, первую фракцию, которая будет поступать в приемник I, надлежит отбирать в интервале 82-980С, вторую фракцию (приемник 2)-в интервале 98-1140С и, третью фракцию (приемник 3)- в интервале 114-1300С. Нагревание колбы во время перегонки регулируют таким образом, чтобы дистиллят поступал в приемник со скоростью 7-8 капель в минуту. Во время первой разгонки по достижении верхней границы температурного интервала фракции сменяют, не прекращая самой перегонки и нагревания. Перегонку 14 надлежит прекращать, когда в перегонной колбе остается малое количество вещества (3-4 мл). Нельзя перегонять органические вещества досуха. Окончив разгонку, взвешивают полученные фракции, сливают в отдельную колбочку и взвешивают остаток из перегонной колбы и вычисляют общий вес (в граммах) продуктов перегонки (S1). Исходную смесь берут в количестве 50 мл. Это количество смеси взвесить. Вычитая из веса исходной смеси общий вес продуктов перегонки, определяют потери. Затем рассчитывают в % вес каждой фракции к сумме S1 (общий вес продуктов перегонки). Полученные данные заносят в таблицу. № фрак ции 1 2 3 Остат ок Температ урный интервал, (0С) а1 в1 с1 Вес приемника с фракцией, (г) а2 в2 с2 d1 d2 Вес пустого приемника, (г) Вес фракции , (г) % фракц ии к сумме S1 а в с d а + в + с + d = S1 Потери при перегонке ….. После окончания перегонки определяют показатель преломления на рефрактометре. Справочные данные: показатель преломления изоамилового спирта n = 1,407820 при температуре 200 С показатель преломления изопропилового спирта n = 1,377620 при температуре 200 С. 15 КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Качественный элементный анализ является одним из способов идентификации органических веществ. Задачей его служит определение элементов, образующих данное соединение. Это: углерод, водород, кислород, азот, сера, галогены. Так как элементы в органических соединениях связаны ковалентными связями, необходимо разрушить молекулу и преобразовать элементы в ионизирующиеся в воде неорганические соединения, либо в простые вещества, которые легко обнаружить известными аналитическими реакциями. Для этого органическое вещество окисляют или сплавляют его с металлическим натрием. 1. Открытие углерода и водорода в органическом веществе Смешивают на часовом стекле равные объёмы исследуемого органического вещества и порошка окиси меди. Смесь пересыпают в сухую пробирку, которую закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Пробирку закрепляют в лапке штатива почти горизонтально, и конец газоотводной трубки вводят в другую пробирку, содержащую несколько миллилитров прозрачной известковой или баритовой воды, чтобы трубка была слегка погружена в жидкость. Смесь нагревают сначала осторожно, затем сильнее. Наблюдают образование воды по появлению капель на холодных стенках пробирки и образование углекислого газа по появлению осадка углекислого кальция (или бария). Уравнения реакций: 2Cu + CO2 ↑ С + 2СuO CaCO3 + H2O CO2 + Ca(OH)2 t0 16 2. Открытие азота, серы и галогена Небольшое количество исследуемого вещества помещают в сухую пробирку и кладут туда же кусочек металлического натрия. Пробирку нагревают до расплавления натрия (после чего наблюдается вспышка), а затем – до красного каления. Горячую пробирку быстро опускают в ступку с дистиллированной водой так, чтобы пробирка растрескалась (осторожно, необходимо надеть защитную маску!). Черные кусочки сплава дальше размельчают пестиком, переливают содержимое ступки в пробирку и нагревают до кипения. Затем отфильтровывают, полученную щелочную жидкость используют для проб на серу, азот и галогены. Жидкость должна быть бесцветной; желтая или коричневая ее окраска указывает на неполное разрушение исходного вещества. В этом случае опыт повторяют с новой порцией вещества. 2.1 Открытие серы а) К 1 мл раствора нитрата свинца приливают раствор едкого натра по каплям до растворения первоначально образующегося осадка и затем добавляют несколько капель щелочной жидкости, полученной, как указано выше. Появление темно-коричневой окраски или образование черного осадка сульфида свинца указывает, что исследуемое вещество содержало серу. 2NaNO3 + Na2PbO2 + 2H2O Pb (NO3)2 + 4NaOH PbS↓ + 4NaOH Na2S + Na2PbO2 + H2O б) К 1 мл щелочной жидкости добавляют 1-2 капли раствора нитропруссида натрия. В присутствии серы смесь приобретает ярко-фиолетовую окраску. Na3[Fe(CN)5ONSNa] Na2[Fe(CN)5NO] + Na2S 17 2.2. Открытие азота К нескольким миллилитрам щелочной жидкости добавляют кристаллик железного купороса, кипятят смесь 1-2 мин., охлаждают, дают постоять 3-5 мин., и подкисляют разбавленной соляной кислотой. Образование синего осадка берлинской лазури указывает, что исходное вещество содержало азот. Если азота мало, то раствор после подкисления окрашивается в зеленый цвет. Fe(CN)2 + Na 2SO4 FeSO4 + 2NaCN Na4[Fe(CN)6] Fe(CN)2 + 4NaCN Fe4[Fe(CN)6]3 + 6Na2SO4 3Na4[Fe(CN)6] + 2FeSO4 2.3. Открытие галогенов а) Несколько миллилитров щелочной жидкости подкисляют концентрированной азотной кислотой и кипятят (в вытяжном шкафу!) несколько минут для удаления сероводорода и синильной кислоты, которые мешают последующей реакции. К остывшей жидкости добавляют несколько капель раствора нитрата серебра. Образование хлопьевидного осадка галогенида серебра указывает на присутствие галогена. AgHaI + NaNO3 NaHaI + AgNO3 б) Проба Бельштейна на галогены: Медную проволочку прокаливают в бесцветном пламени горелки до прекращения окрашивания пламени. Дав почерневшей проволочке остыть, погружают ее в органическое вещество и снова вводят проволочку в пламя. В присутствии галогенов пламя окрашивается в зеленый цвет. Окраска пламени объясняется образованием летучих при высокой температуре галогенидов меди. 18 Следует помнить, что некоторые цветные вещества (производные пиридина, мочевины и другие), не содержащие галогена, дают положительную пробу Бельштейна, повидимому, в результате образования цианистой меди. Поэтому необходимо подтвердить наличие галогена вышеописанной реакцией с нитратом серебра. 19 ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ПОЛУЧЕНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛКАНОВ 1. Получение метана В сухую пробирку помещают несколько граммов тщательно растертой в ступе смеси ацетата натрия и натронной извести. Укрепляют пробирку горизонтально и, присоединив газоотводную трубку, нагревают смесь в пробирке пламенем горелки сначала осторожно, а затем сильно. Опуская газоотводную трубку в отдельные пробирки с бромной водой и перманганатом калия, устанавливают, изменяется ли окраска этих реактивов при пропускании пузырьков метана, т.е. происходит ли бромирование метана или его окисление. Реакция образования метана из ацетата натрия и натронной извести (смеси NaOH и Ca(OH)2) идет по схеме: О // СН3−С + NaOH → CH4 ↑ + Na 2CO3 \ ONa Опыт 1.1. Отношение алканов к бромной воде К алкану (например, декану) приливают небольшое количество бромной воды и взбалтывают, не закрывая пробирку. Происходит ли обесцвечивание бромной воды? 20 Опыт 1.2. Отношение алканов к окислителям К алкану приливают небольшое количество перманганата калия и взбалтывают. Происходит ли обесцвечивание раствора? Опыт 1.3. Действие концентрированной серной кислоты на алканы К алкану, взятому в количестве 0,5-1 мл, добавляют 0,5 мл концентрированной серной кислоты. Содержимое пробирки энергично встряхивают. Не происходит ни каких изменений. Почему? Опыт 1.4. Действие конценрированной азотной кислоты на алканы Опыт проводят аналогично предыдущему, но с концентрированной азотной кислотой. Как и в опыте №1.3, изменений нет. Какой вывод можно сделать на основании опытов №1.3. и №1.4. ? 2. Алкены. Получение и химические свойства Опыт 2.1. Получение этилена Этилен получают в приборе, изображенном на рис. 2. В пробирку с газоотводной трубкой наливают 5-6 мл заранее приготовленной смеси, состоящей из одной части этилового спирта и трех частей концентрированной серной кислоты, и бросают маленький кусочек пемзы для равномерного кипения смеси. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и смесь осторожно нагревают. При этом реакция протекает в две стадии. На первой стадии образуется этилсерная кислота: C СН3-СН2-ОН + НОSO2ОН t СН3-СН2ОSO2ОН + Н2О 0 21 На второй стадии при нагревании до 1700С этилсерная кислота разлагается с выделением этилена: CH2 = CH2 + Н2SO4 СН3-СН2ОSO2OH Выделившийся этилен пропускают в отдельные пробирки с бромной водой и раствором перманганата калия (см. опыты №2.2, №2.3). Рис. 2. Прибор для получения этилена Опыт 2.2. Отношение этилена к бромной воде В пробирку наливают 2-3 мл бромной воды и пропускают в нее этилен до обесцвечивания. Почему произошло обесцвечивание? Опыт 2.3. Отношение этилена к окислителям Этилен пропускают в 0,1%-ный раствор перманганата калия, подкисленный серной кислотой, до обесцвечивания раствора. Что происходит? 3. Алкины. Получение и химические свойства Опыт 3.1. Получение ацетилена Ацетилен получают в приборе, изображенном на рис.3. В колбу Вюрца помещают несколько кусочков карбида кальция и закрывают пробкой с капельной воронкой, наполненной водой. Отводную трубку колбы соединяют с изогнутой 22 газоотводной трубкой, из капельной воронки по каплям приливают воду. Выделившийся ацетилен используют для изучения его химических свойств. Рис. 3. Прибор для получения ацетилена Опыт 3.2.Отношение ацетилена к окислителям Ацетилен пропускают в пробирку, наполненную 0,1%ным раствором перманганата калия (подкисленным серной кислотой) до обесцвечивания раствора. Опыт 3.3.Отношение ацетилена к бромной воде В пробирку с бромной водой пропускают ацетилен до полного обесцвечивания. Почему происходит обесцвечивание? Опыт 3.4. Получение ацетиленида меди Ацетилен пропускают раствором оксида меди. ацетиленида меди. в пробирку с аммиачным Образуются бурые хлопья 23 ВОПРОСЫ КОЛЛОКВИУМА по разделу курса «Алканы, алкены и алкины». 1. Электронное строение атома углерода в основном и в возбужденном состоянии. Sp3 - гибридизация, - связь. 2. Номенклатура насыщенных углеводородов. 3. Физические свойства алканов. 4. Способы получения предельных углеводородов. 5. Химические свойства. Реакция замещения. Свободнорадикальные цепные процессы (хлорирование). Окисление. Нитрование по Коновалову, сульфохлорирование (механизм реакции). 6. Крекинг-процессы. 7. Строение двойной связи. Sp2-гибридизация. Природа и - связи. Цис-. Транс-изомерия. 8. Способы получения алкенов. 9. Номенклатура соединений с двойной связью. 10.Реакции электрофильного присоединения. Реакции галогенирования. 11. Присоединение галогеноводородов. Правило Марковникова. 12. Реакция окисления по (Вагнеру), озонирование (по Гаррису). 13. Современное представление о природе тройной связи, Sp-гибридизация. 14. Физические свойства ацетиленовых углеводородов. 15. Образование ацетиленидов. 16. Реакции винилирования. Реакция Кучерова. 17. Получение виниловых эфиров, акриланитрила, ди-, три-, тетраполимеризация. 24 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ Опыт 1. Окисление толуола В пробирку помещают смесь 0,5 мл толуола и 0,5 мл 0,1%-ного раствора перманганата калия с содой. Смесь взбалтывают, нагревая на водяной бане. Розовая окраска раствора постепенно исчезает, превращаясь в бурую. Какие продукты образуются в результате этой реакции? Опыт 2. Бромирование толуола К 1-2 мл толуола прибавляют 2-3 мл раствора брома в четыреххлористом углероде, вносят 0,1-0,2 г железных опилок и смесь нагревают. Постепенно наблюдается исчезновение окраски брома и энергичное выделение бромистого водорода. При этом образуется орто и пара – бром-толуолы: СН3 2 СН3 Fe + 2Br2 Br СН3 + + 2HBr Br Если реакцию бромирования толуола вести при нагревании и на свету в отсутствии катализаторов, то бром замещает водород в боковой цепи с образованием бромистого бензила: 25 СН3 CH2Br h + Br2 +HBr Опыт № 3. Окисление n- ксилола К 1-2 мл n - ксилола добавляют по 2-3 мл 0,5% раствора перманганата калия и 2-3 капли 10% раствора серной кислоты При встряхивании и осторожном нагревании окраска перманганата калия изменяется и выделяется бурая двуокись марганца, n-ксилол образует при окислении терефталевую кислоту. Опыт 4. Растворимость фенола в воде В пробирку с 10 мл дистиллированной воды помещают около 1г фенола. Пробирку энергично встряхивают, а затем смеси дают отстояться. Смесь расслаивается: верхний слой – раствор фенола в воде, а нижний слой – фенол. При осторожном нагревании фенол полностью растворяется, и смесь превращается в однородную жидкость, так как с повышением температуры растворимость фенола 0 увеличивается и выше 68 он смешивается с водой во всех отношениях. При охлаждении жидкость снова расслаивается и фенол выделяется на дне пробирки в виде красноватой жидкости. Полученный водный раствор фенола испытывают синей лакмусовой бумажкой. Наблюдают изменение окраски, что указывает на кислый характер фенола. Опыт 5. Получение фенолята натрия К 1мл водной эмульсии фенола прибавляют 2н раствор гидроксида натрия до полного исчезновения эмульсии. Если к 26 полученному прозрачному раствору прибавить по каплям раствор 25%-ной серной кислоты (до кислой реакции), то появляется вновь эмульсия? Почему? Опыт 6. Получение трибромфенола В пробирку с водной эмульсией фенола добавляют при постоянном взбалтывании бромную воду. Образуется 2,4,6 – трибромфенол в виде хлопьевидного осадка. Опыт 7. Цветная реакция на фенол В пробирку с раствором фенола добавляют 2–3 капли 1%-ного раствора хлорида железа (III). Появляется фиолетовое окрашивание. 27 Опыт 8. Реакция салициловой кислоты с хлоридом железа (III) В пробирку наливают 2мл воды и добавляют несколько кристаллов салициловой кислоты. К полученному раствору приливают 2-3 капли 1%-ного раствора хлорида железа (III). Объясните изменение окраски. Опыт 9. Гидролиз ацетилсалициловой кислоты (аспирина) В пробирку помещают 0,5г ацетилсалициловой кислоты и приливают 1мл воды. Содержимое пробирки кипятят 2-3 мин., а затем добавляют несколько капель хлорида железа (III). Объясните изменение окраски. Опыт 10. Нитрование нафталина К 0,3-0,5г нафталина, помещенного в пробирку, добавляют 2мл концентрированной азотной кислоты. Закрыв пробирку пробкой со вставленной в нее стеклянной трубкой длиной 20-25см (в качестве воздушного холодильника), содержимое пробирки встряхивают и нагревают на кипящей водяной бане 5 мин. Затем смесь выливают в стакан с холодной водой. Нитронафталин выделяется в виде желтого маслянистого вещества, затвердевающего при охлаждении. 28 Опыт 11. Бромирование нафталина В сухую пробирку помещают 0,1-0,2г нафталина. Приливают 2мл раствора брома в четыреххлористом углероде и энергично встряхивают содержимое пробирки. Нафталин постепенно растворяется в четыреххлористом углероде и бромируется на холоду. Наблюдается изменение окраски. Аналогично реакцию проводят во второй пробирке, однако содержимое пробирки нагревают до кипения. Бромирование нафталина идет значительно быстрее при нагревании. 29 ВОПРОСЫ КОЛЛОКВИУМА по разделу курса «Карбоциклические углеводороды» 1. Циклопарафины. Изомерия. Синтетические способы получения. 2. Химические свойства циклопарафинов (изомерия циклов, особенности трехчленных циклов). 3. Понятие об относительной прочности циклов. Гипотеза напряжения Байера. 4. Ароматические углеводороды. Понятие об ароматическом характере соединений. Строение бензола. 5. Ароматичность в современном представлении. 6. Химические свойства бензола. Реакция электрофильного замещения, ее механизм, понятие о π и δ комплексах. 7. Заместители I и II рода. Правила замещения в бензольном ядре. 8. Бензол, толуол, ксилол, этилбензол, изопропилбензол их получение, применение. Стирол, его получение, свойства, применение. 9. Нафталин. Получение нафталина. 10. Строение нафталина. 11. Химические свойства нафталина (окисление, гидрирование, сульфирование, галогенирование, активность α – положения в нафталине). 30 Лабораторная работа № 3 ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Опыт № 1. Получение хлористого этила. В пробирку помещают 2-3 мл заранее приготовленной смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Прибавляют 1-2 г хлористого натрия. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой, укрепляют наклонно в зажиме штатива (рис.1) и осторожно нагревают над пламенем спиртовки. Если поднести через некоторое время к отверстию газоотводной трубки зажженную лучину, то наблюдается горение образовавшегося хлористого этила с характерным колечком зеленого цвета по краю газоотводной трубки. Напишите уравнения реакции получения хлористого этила. Рис. 4. Прибор для получения хлористого этила 31 Опыт № 2. Окисление изопропилового спирта В пробирку наливают 1 мл изопропилового спирта и 2 мл хромовой смеси. Осторожно нагревают до изменения цвета раствора. Что происходит? Опыт № 3. Образование сложного эфира. В пробирку наливают 1 мл концентрированной уксусной кислоты и 1 мл изоамилового спирта, затем добавляют 2 капли концентрированной серной кислоты. Смесь осторожно нагревают и выливают в стакан с водой. Образовавшийся сложный эфир всплывает на поверхность воды. Опыт № 4 Образование глицерата меди В пробирку наливают 1 мл 2н раствора сульфата меди и 1 мл 2н раствора гидроксида натрия. К выпавшему осадку гидроксида меди добавляют несколько капель глицерина. Почему происходит растворение осадка образовавшегося гидроксида меди? Какая реакция происходит? 32 Опыт № 5. Получение диизопропилового эфира В пробирке смешивают 1 мл концентрированного раствора серной кислоты и 1 мл изопропилового спирта. Смесь осторожно нагревают до кипения. Что происходит? Опыт № 6. Образование ацетоном фенилгидразона В пробирку с 3-5 мл этилового спирта на водяной бане растворяют 0,1г 2,4-динитрофенилгидразина. Затем добавляют 0,5мл ацетона, энергично встряхивают и нагревают вновь на водяной бане до полного растворения 2,4динитрофенилгидразина. Пробирку с раствором охлаждаем на ледяной бане, наблюдаем выпадение желтых кристаллов. Опыт № 7. Образование и гидролиз уксуснокислого железа В пробирку помещают несколько капель 20%-ного раствора уксуснокислого натрия и добавляют столько же раствора хлорида железа. Появляется желтовато-красное окрашивание. После нагревания раствора до кипения выпадают хлопья красно-бурого цвета. Что происходит? Опыт № 8. Гидролиз мыла В пробирку с раствором мыла добавляют несколько капель раствора фенолфталеина. Объясните появление розовой окраски. Опыт № 9. Окисление муравьиной кислоты перманганатом калия В пробирку наливают 1мл муравьиной кислоты и 5мл 25%-ной серной кислоты. К смеси добавляют 0,5мл 1%-ного раствора перманганата калия. Пробирку закрывают пробкой с 33 газоотводной трубкой, свободный конец которой погружают в известковую воду. Содержимое пробирки нагревают. Через несколько секунд розовая окраска раствора исчезает. Известковая вода во второй пробирке мутнеет. Опыт № 10. Омыление жира К 0,5мл подсолнечного масла или другого растительного масла приливают 0,5мл 30%-ного раствора гидроксида натрия и смесь осторожно кипятят 5-6 минут. Омыление считается законченным, если взятая стеклянной палочкой капля жидкости полностью растворяется в дистиллированной воде с образованием обильной пены при встряхивании. Что происходит? Опыт № 11. Получение бензойнокислого натрия В пробирку помещают 0,5 бензойной кислоты и прибавляют 2н раствор гидроксида натрия, количество, достаточное для того, чтобы при встряхивании исчезли кристаллы бензойной кислоты. Если к прозрачному раствору прилить 2н раствор соляной кислоты, то выпадает осадок. Что происходит? 34 ВОПРОСЫ КОЛЛОКВИУМА по разделу курса «Функциональные производные углеводородов» 1.Номенклатура, изомерия и способы получения моно-, дии полигалогенопроизводных предельных и непредельных углеводородов. 2.Физические и химические свойства алкилмоногалогенидов. 3. Спирты. Классификация. Номенклатура и изомерия. 4. Способы получения спиртов. 5.Физические и химические свойства одноатомных предельных спиртов. 6.Номенклатура и изомерия предельных альдегидов, кетонов. Физические свойства. 7. Способы получения альдегидов и кетонов. 8.Реакция присоединения по двойной связи карбонильной группы. 9. Реакция замещения альдегидов и кетонов. 10. Окисление альдегидов и кетонов. 11.Карбоновые кислоты. Номенклатура и изомерия. Физические свойства. 12. Способы получения карбоновых кислот. 13. Химические свойства карбоновых кислот и их производных. 35 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Артеменко А.И., Органическая химия М: Высшая школа, 2003.-559с. 2. Артеменко А.И. и др. Практикум по органической химии: Высшая школа, 2001.-208с. 3. Грандберг И.И., Органическая химия: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 1980.-463с. 4. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии- М.: Высшая школа, 2003.-784с. 5. Днепровский А.С.; Темникова Т.И.. Теоретические основы органической химии: строение реакционная способность.- Л.: Химия 1991. 6. Шур В.М. Высокомолекулярные соединения.- М.: Химия, 1981.-502с. 7. Робинович В.А., Хавин З.Я.. Краткий химический справочник.- Л.: Химия, 1978. 36
