1

WYDZIAŁ KSZTAŁTOWANIA ŚRODOWISKA I ROLNICTWA

Kierunek: OCHRONA ŚRODOWISKA, studia I

o,

stacjonarne

PRZEWODNIK DO ĆWICZEŃ Z CHEMII W ROKU AKADEMICKIM 2013/2014 SEMESTR LETNI

Imię i nazwisko studenta Nr grupy nr stanowiska program ćwiczeń opracowała dr Jolanta Paprocka

2

HARMONOGRAM ĆWICZEŃ W SEMESTRZE LETNIM 30 GODZIN LEKCYJNYCH

04 - 06. 03. 2014 r. ĆWICZENIE 1 3 h Część organizacyjna – przypomnienie zasad bezpieczeństwa podczas zajęć w pracowni chemicznej, prezentacja szkła laboratoryjnego i zestawów stosowanych w preparatyce organicznej. Część audytoryjna – nazewnictwo węglowodorów, izomeria, reakcje alkanów, alkenów i alkinów.

11 - 13. 03. 2014 r. ĆWICZENIE 2 3 h Krystalizacja, ekstrakcja, destylacja

18 - 20. 03. 2014 r. ĆWICZENIE 3 3 h Wybrane reakcje alkoholi, fenoli, aldehydów, ketonów i kwasów karboksylowych.

25 - 27. 03. 2014 r. ĆWICZENIE 4 3 h SPRAWDZIAN I Wykorzystanie chromatografii cienkowarstwowej w analizie barwników naturalnych.

01 - 03. 04. 2014 r. ĆWICZENIE 5 3 h Wybrane metody izolacji produktów naturalnych.

08 - 10. 04. 2014 r. ĆWICZENIE 6 3 h Zajęcia audytoryjne. Odrabianie i zaliczanie zaległych ćwiczeń.

06 - 08. 05. 2014 r. ĆWICZENIE 7 3 h SPRAWDZIAN II Otrzymywanie popularnych leków – aspiryny i paracetamolu.

13 - 15. 05. 2014 r. ĆWICZENIE 8 3 h Wykorzystanie metod ilościowej analizy objętościowej w chemii organicznej. Alkalimetryczne oznaczanie kwasu acetylosalicylowego w otrzymanym wcześniej preparacie.

20 - 22. 05. 2014 r. ĆWICZENIE 9 3 h SPRAWDZIAN III Oznaczanie liczby zmydlania

27 - 29. 05. 2014 r. ĆWICZENIE 10 3 h Odrabianie i zaliczanie zaległych ćwiczeń. Wpisy do indeksów.

3

ZAGADNIENIA DO SPRAWDZIANÓW

SPRAWDZIAN I Nazewnictwo alkanów, cykloalkanów, alkenów i alkinów. Pojęcie

szeregu homologicznego, homologu, izomeru. Rodzaje izomerii występujące w

alkanach, alkenach, alkinach. Właściwości chemiczne alkanów – reakcje spalania,

substytucji rodnikowej. Alkeny – reakcje addycji chlorowców, chlorowcowodorów,

wody, wodoru, reakcje polimeryzacji, reakcja utleniania etenu. Alkiny – reakcje

addycji chlorowców, chlorowcowodorów, wodoru. Przyłączenie wody - tautomeria.

SPRAWDZIAN II Węglowodory aromatyczne. Warunki aromatyczności. Reakcje

addycji (chlorowców i wodoru), reakcje substytucji elektrofilowej – w obecności

kwasów Lewisa; chlorowcowanie, alkilowanie, oraz bez udziału kwasów Lewisa:

sulfonowanie i nitrowanie. Mechanizm reakcji SE do układu aromatycznego. Wpływ

skierowujący podstawników I i II rodzaju.

SPRAWDZIAN III Alkohole jednowodorotlenowe – budowa, nazewnictwo,

rzędowość. Właściwości chemiczne – amfoteryczność, utlenianie, dehydratacja.

Alkohole wielowodorotlenowe - glikol i gliceryna, właściwości chemiczne tych

związków. Właściwości kwasowe fenolu, reakcje chlorowcowania, alkilowania i

nitrowania fenolu.

SPRAWDZIAN IV Aldehydy, ketony – buduwa, szereg homologiczny, zasady

nazewnictwa. Reakcje grupy aldehydowej z odczynnnikiem Tollensa i Fehlinga.

Reakcje prostej addycji elektrofilowej – z HCN, NH3, NaHSO4. Reakcje z alkoholami

– tworzenie hemiacetali i acetali. Addycja nukleofilowa z wydzieleniem wody –

reakcje z hydroksyloaminą, hydrazyną oraz z fenylohydrazyną. Reakcja kondensacji

aldolowej. Reakcja Cannizaro.

4

SPRAWDZIAN V Kwasy monokarboksylowe – budowa, nazewnictwo. Reakcje

kwasów:

Związane z zastępowaniem atomu H w grupie karboksylowej – tworzenie soli

z metalami, tlenkami oraz wodorotlenkami.

Związane z zastępowaniem grupy --OH w grupie karboksylowej – tworzenie

chlorków kwasowych w reakcjach z PCl5, PCl3, SOCl2. Tworzenie amidów

kwasowych w reakcji z NH3 i NH4Cl. Reakcja estryfikacji. Tworzenie

bezwodników kwasowych.

Związane z usuwaniem grupy karbonylowej z grupy karboksylowej – reakcje

dekarboksylacji.

Związane z podstawieniem wodoru w łańcuchu węglowym (rodniku

kwasowym) połączonym z grupą karboksylową - tworzenie chlorowcokwasów

i hydroksykwasów.

Moc kwasów monokarboksylowych.

Kwasy dikarboksylowe oraz hydroksykwasy, wyższe kwasy tłuszczowe – znajomość

wzorów, nazewnictwo systematyczne i zwyczajowe.

Fosfolipidy: wzory lecytyny i kefaliny.

Tłuszcze – budowa, zmydlanie, utwardzanie. Woski – budowa.

SPRAWDZIAN VI Aminy – nazewnictwo, rzędowość. Aminokwasy – wzory i

nazwy !!! oraz podział na egzo- i endogenne. Reakcje grupy karboksylowej i

aminowej (amfoteryczny charakter aminokwasów). Tworzenie wiązania

peptydowego. Punkt izoelektryczny. Budowa białka, struktura I, II, III i IV rzędowa.

Monosacharydy – budowa, właściwości. Nazewnictwo – konfiguracja D i L, pojęcie

anomerów i . Wzory łańcuchowe, półacetalowe i taflowe. Tworzenie O-glikozydów

i N-glikozydów. Mutarotacja. Disacharydy – budowa i właściwości maltozy, laktozy,

celobiozy i sacharozy.

5

ZALECANA LITERATURA: „Podstawy chemii organicznej teoria i praktyka” – M. K. Łuczyński, J. Wilamowski, M. Góra, B. Kozik, L. Smoczyński „Chemia organiczna’ – skrypt ART. A. Bukowska, A. Benedict, K.Lipski „Wstęp do chemii organicznej” – G. Kupryszewski „Podstawy chemii organicznej” – F. Karczyński tom I i II „Elementarna chemia organiczna” – P. Mastalerz „Podręcznik chemii organicznej” – P. Mastalerz „Chemia organiczna” – E. Białecka-Floriańczyk, J. Włostowska

6

PRZYKŁADOWE PYTANIA DO SPRAWDZIANÓW

SPRAWDZIAN I

Alkany, alkeny,alkiny 1. Przedstawić strukturę cząsteczki: metanu, , etenu, etinu (typ hybrydyzacji

atomu C, kąty między wiązaniami, rodzaje wiązań). 2. Co to jest izomeria. Podaj jakie rodzaje izomerii występują w związkach o

wzorze sumarycznym: np. C6H14, C6H12, C8H18, C8H16. Podać po dwa przykłady izomerów. Podać pełne wzory i nazwy proponowanych izomerów powyższych związków.

3. Na przykładzie następujących reakcji wyjaśnić regułę Markownikowa, nazwać produkty reakcji: a) 4-metyloheks-1-en + HBr →

b) pent-1-en + H2O H

c) but-1-en + HCl → d) hept-1-in + HCl → 4. Na przykładzie reakcji wyjaśnić zjawisko tautomerii. Nazwać produkty reakcji:

a) etyn + H2O → ; b) propyn + H2O → 5. Synteza Wurtza – wyjaśnić na czym polega ta reakcja. Dokończyć reakcje i

nazwać produkty reakcji: a) 1-chloropropan + 1-chloropropan + 2Na → b) 2-chlorobutan + chlorometan + 2Na → c) 1-bromopropan + bromometan + 2Na →

6. Dokończyć równania reakcji chemicznych. Nazwać produkty reakcji: a) 2-metylookt-1-en + HI → b) 2-bromohept-1-en + HCl →

c) heks-1-en + H2O H

d) propyn + 1 Br2 kat

7. Narysować wzory strukturalne następujących związków: a) izopropylocyklopentan b) 2,4-dibromo-2,3,4,5-tetrametylononan c) 1,3-difluoro-2-metylocykloheksan d) 1-chloro-3-fenyloheksan e) 2-metylopent-1,3-dien f) cis-pent-2-en g) trans-1,2-dichloroeten h) okt-1-en-5-yn i) 1,1,4-trimetylocykloheksan

8. Nazwać następujące związki:

C C C C C

C C

C C

C C

a)

C

C C C C C C C

C

C C

C

C

C

b)

ClCC

7

c)

C C C C C C

C

C

C C C C

Br

C C C C C C C

C

C C

C C

C C

d)

C

C C C C C

C

C C

Br

C C C C C C

C

C

C

C

C

C C

e)f)

C C C C C

C

C

CCl

C

C C C C C

C

C Cl

C

C

C

Br

C

g)h)

C

C C C C

C C

C

C

C C

C C

CC

C

BrC

i) j) k)

C

C

8

SPRAWDZIAN II Węglowodory aromatyczne

1. Omówić budowę cząsteczki benzenu. Podać warunki aromatyczności. 2. Podać pełne wzory i nazwy wszystkich możliwych: a) dimetylobenzenów b) dinitrobenzenów, c) dichlorobenzenów 3. Przedstawić mechanizm SE do cząsteczki benzenu. Podać jeden przykład

reakcji SE z udziałem kwasów Lewisa oraz jeden przykład reakcji SE bez udziału kwasów Lewisa.

4. Czym charakteryzują się podstawniki I i II rodzaju. Podać przykłady dowolnie wybranych reakcji.

5. Podać trzy przykłady (wzory i nazwy) związków aromatycznych wielopierścieniowych.

6. Dokończyć reakcje chemiczne, nazwać powstałe związki: h

a. C6H6 + Cl2

b. C6H6 + Cl2 c. C6H6 + CH3C

d. C6H6 + CH3 CH2 Br

e. C6H6 + HNO3(st)

f. C6H5Cl + CH3Br

g. C6H5NO2 + Br2

h. C6H6 + H2SO4(st)

i. C6H5CH3 + Cl2

O

Cl

AlCl3

mech

AlCl3

AlCl3mech

FeBr3

mech

H2SO4

mech

AlBr3

mech

SO3

AlBr3

7. Narysować wzory: a) izopropylobenzen, b) anilina, c ) 4-bromo-2,6-

dichlorotoluen, d) o-nitrofenol, e) toluen, f) p-ksylen, g) 1,2,4-trinitrobenzen 8. Określ produkty A, B i C w reakcjach przebiegających wg schematu

3 C2H2 A B C

T

Fe

CH3Cl

AlCl3

HNO3(st)

H2SO4(st)

SPRAWDZIAN III

Alkohole

1. Nazwać następujące związki:

9

a. CH3 CH2 CH(OH) CH(OH) CH3

b. CH3 CH(Cl) CH(Br) CH(OH) C(Cl2) CH3

c. CH2(OH) C(CH3)2 CH(CH3) CH(OH) CH(OH) CH2 CH3

d. CH3 CH2 CH(Br) CH C(Br)2 CH(OH) CH3

CH

CH3 CH3

e.OH

CH2 CH3

f.

OH

Cl

CH3 2. Podaj po jednym przykładzie alkoholu 2o i 3o mającego w swojej budowie 5 (6, 7, 8 lub 9) atomów węgla. Podać pełne wzory i nazwy. 3. Na podstawie wybranych reakcji chemicznych wykazać amfoteryczny charakter alkoholi. Nazwać produkty reakcji. 4. Utlenianie glikolu – wzory i nazwy produktów utleniania. Znać wzór gliceryny. 5. Na podstawie reakcji chemicznych wykazać właściwości fenolu.

SPRAWDZIAN IV

Aldehydy i ketony 1. Podać nazwy związków:

CH3 CH2 CH CH C

O

H

CH3 CH3

CH2 CH C

C

O

CH2CH3

C

O

CH3

CH3 CH2 CH CH C CH CH CH3

Cl Cl Br Br

O

a) b)

c) d) e)

OH OHH

O

2. Narysować wzory strukturalne związków: a) 4,5,5-tribromo-6-metylookt-3-on,

b) 3,4-dimetyloheptanal, c) 2,3-dimetylopentanal, d) 1,3-difenylopropan-2-on, e) keton difenylowy, f) 2,3,4-tribromoheptanal, g) heks-5-en-3-on, h) keton fenylowo-metylowy, i) keton dibenzylowy.

3. Wyjaśnić jakie aldehydy ulegają reakcji Cannizzaro. Jakie są warunki tej reakcji? Podać przykład takiej reakcji, nazwać powstałe produkty.

4. Wyjaśnić jakie aldehydy i w jakich warunkach ulegają reakcji kondensacji aldolowej. Podać przykład takiej reakcji, nazwać powstałe produkty.

5. Dokończyć reakcje chemiczne, nazwać powstałe produkty: a) butanal (lub butanon) + HCN →

10

b) pentanal (lub pent-2-on) + H2NOH → c) propanal (lub propanon) + H2N NH2 → d) heksanal (lub heks-3-on) + H2N NHC6H5 → e) propanal + metanol → hemiacetal → acetal f) butanal + etanol → hemiacetal → acetal g) pentanal + Cu(OH)2 → (współczynniki do reakcji dobrać na podstawie

bilansu elektronowego) h) propanol – reakcja Tollensa → (współczynniki do reakcji dobrać na

podstawie bilansu elektronowego)

i) 2 cząsteczki etanalu OH

j) 2 cząsteczki benzaldehydu OH

SPRAWDZIAN V

Kwasy karboksylowe. Tłuszcze. 1. Narysować wzory strukturalne związków:

a) kwas 3-metylooktanowy, b) kwas 4-hydroksy oktanowy, c) kwas fenylooctowy d) kwas 2,3-dibromopent-3-enowy, e) kwas 2,2-dichloro-3,3-dimetylohept-4-enowy, f) β-hydroksywalerianowy, g) kwas etanodiowy (szczawiowy), h) kwas butanodiowy (bursztynowy) i) kwas mlekowy j) kwas 2-hydroksybenzoesowy (salicylowy) k) kwas glikolowy l) diamid kwasu węglowego m) benzoesan izopropylu n) butanian propylu o) etanian fenylometylu (octan benzylu)

2. Który z kwasów w podanych parach jest mocniejszy. Odpowiedź uzasadnić. a) CHCl2 COOH czy CH3 COOH b) CH3 CH2 CHBr COOH czy CH3 CH2 CH2 COOH c) CH3 CH2 CH(CH3) CH(CH3) COOH czy CH3 CH2 CH2 CH2 COOH 3. Zaproponować przebieg syntezy. Narysować i nazwać wszystkie produkty pośrednie: a) CH3 CH2 CH2OH → do amid kwasu propanowego

b) CH3 CH2 CH2 CH2OH ]o[ A

]o[ B ]Br[ 2 C

OH D c) etin → chlorek kwasu octowego 4. Dokończyć reakcje chemiczne, nazwać powstałe produkty: a) kwas butanowy + Na2O (K2O, NaOH, Ca(OH)2) → b) kwas pentanowy + PCl5 →

c) kwas heptanowy + NH3 A T B d) chlorek kwasu propanowego + NH3 →

e) kwas walerianowy + Cl2 → A 3NH,T B

f) kwas masłowy + Br2 → A OH,T B

11

g) kwasbutanowy + alkohol metylowy H

5. Napisać wzory : soli magnezowej, chlorku, amidu kwasu propanowego ( lub innego kwasu) estru metylowego

SPRAWDZIAN VI

Aminokwasy

1. Za pomocą odpowiednich reakcji chemicznych przedstawić amfoteryczną naturę dowolnie wybranego aminokwasu. Nazwać produkty reakcji.

2. Podać definicję i wyjaśnić znaczenie punktu izoelektrycznego. 3. Dokończyć reakcje chemiczne. Nazwać produkty:

a) alanina + seryna → b) leucyna + tyrozyna → c) treonina + fenyloalanina → d) kwas glutaminowy + glicyna → e) seryna + metanol → (w środowisku H2SO4) f) walina + HBr → g) glicyna + KOH → h) izoleucyna + PCl5 →

4. Napisać wzory strukturalne waliny, seryny, tyrozyny, metioniny, fenyloalaniny, alaniny w formie jonu obojnaczego. 5. Narysować wzory strukturalne następujących dipeptydów. Zaznaczyć

wiązanie peptydowe: a) Ser – Gly; b) Leu – Ala; c) Cys – Phe; d) Wal – Leu.

Cukry

1. Narysować wzór łańcuchowy D-glukozy oraz wzory półacetalowy i taflowy β-D- glukopiranozy.

2. Narysować wzór łańcuchowy D-glukozy oraz wzory półacetalowy i taflowy α-D- glukofuranozy.

3. Narysować wzór łańcuchowy D-2-deoksyrybozy oraz wzory półacetalowy β-D-2- deoksyrybozy.

4. Narysować wzór łańcuchowy D-fruktozy. 5. Narysować wzór β-D-2-deoksyrybofuranozo-5-fosforanu (fosforan(V) β-D-2-

deoksyrybofuranoza). 6. Wyjaśnić zjawisko mutarotacji D-glukozy. 7. Narysować wzór strukturalny optycznie czynnego związku organicznego

mającego 3 atomy C w cząsteczce. Wskazać i wyjaśnić czym charakteryzuje się węgiel asymetryczny.

8. Dokończyć reakcje chemiczne. Nazwać produkty: a) α-D-glukopiranoza + etanol → b) β-D-glukopiranoza + dimetyloamina →

12

COOH

H2N C H

R

WZORY AMINOKWASÓW

1. Jedna grupa ─NH2 i jedna grupa ─COOH a) R to ─H lub grupa alkilowa

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

H CH3CH

CH3 CH3

Glicyna

Gly (G)

Alanina

Ala (A) Walina

Val (V)

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

CH2

CH

CH3 CH3

CH CH3

CH2

CH3

Leucyna

Leu (L)Izoleucyna

Ile (I) b) R zawiera grupę ─OH c) R zawiera siarkę

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

CH2 OH CH OH

CH3

Seryna

Ser (S)Treonina

Thr (T)

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

CH2

SH

CH2

CH2

S

CH3

Cysteina

Cys (C)

Metionina

Met (M)

d) R = CH3, to alanina. Jeden atom H w alaninie zastąpiony jest przez pierścień aromatyczny

COOH

H2N C H

CH2

COOH

H2N C H

CH2

COOH

H2N C H

CH2

OH

N

Hfenyloalanina

Phe (F)tyrozyna

Tyr (Y)

tryptofan

Trp (W) 2. Jedna grupa ─NH2 i dwie grupy ─COOH

COOH

H2N C H

CH2

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

CH2

COOH

H2N C H

COOH

(CH2)2

COOH C

NH2

(CH2)2

C

NH2

kwas asparaginowy

Asp (D)

kwas glutaminowy

Glu (E)

lub amidy

tych kwasów

asparagina

Asn (N)glutamina

Gln

O O

(Q) Dwie grupy ─NH2 i jedna grupa ─COOH

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

COOH

H2N C H

(CH2)3

CH2NH2

(CH2)3

NH

CNH2

NH

CH2

N

N H

lizyna

Lys (K)Arginina

Arg (R)

Histydyna

His (H)

4. Prolina - jedyny aminokwas, który jest aminą 2o

NCOOH

H

Prolina (P)

13

ĆWICZENIE 1 Budowa związków organicznych. Nazewnictwo, reakcje, izomeria

alkanów, alkenów i alkinów.– ćwiczenia audytoryjne.

14

15

ĆWICZENIE 2 Wybrane metody oczyszczania związków organicznych

KRYSTALIZACJA

Najważniejszym sposobem oddzielania stałych związków chemicznych od zanieczyszczeń jest krystalizacja. Metoda ta wykorzystuje różnice w rozpuszczalności substancji i ich zanieczyszczeń w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku w wysokiej oraz niskiej temperaturze. Zasada jest taka, że substancja poddawana krystalizacji powinna rozpuszczać się trudno w wybranym rozpuszczalniku na zimno a łatwo na gorąco. Najczęściej zanieczyszczony produkt rozpuszcza się na gorąco w takiej ilości rozpuszczalnika, aby otrzymać roztwór nasycony, następnie szybko odsącza na gorąco nierozpuszczalne zanieczyszczenia i pozostawia roztwór do oziębienia. Substancja krystalizuje z roztworu z reguły w czystej postaci.

Proces krystalizacji można podzielić na niżej przedstawione etapy:

1. Rozpuszczenie zanieczyszczonej substancji w odpowiednim rozpuszczalniku, w temperaturze wrzenia lub w pobliżu temperatury wrzenia rozpuszczalnika.

2. Odsączenie gorącego roztworu od nierozpuszczalnych zanieczyszczeń. 3. Pozostawienie przesączu do ostygnięcia, co zazwyczaj powoduje krystalizacje

związku. 4. Odsączenie kryształów związku od roztworu zwanego ługiem pokrystalicznym.

Jeżeli wiadomo jaki związek ma być oczyszczany, właściwy rozpuszczalnik wyszukuje się w literaturze chemicznej, np. w podręczniku preparatyki organicznej, lub kalendarzu chemicznym. Opis ćwiczenia: Odważyć na wadze 10 g zanieczyszczonego kwasu szczawiowego (H2C2O4) i umieścić w kolbie stożkowej o pojemności 300 cm3, wrzucić 2 kamyczki wrzenie. Następnie wlać ok. 40 cm3 wody destylowanej. Kolbę umieścić na siatce zabezpieczającej nad płomieniem palnika.. Ogrzewać małym płomieniem do wrzenia i obserwować przebieg rozpuszczania kwasu szczawiowego. W międzyczasie należy przygotować zestaw do sączenia na gorąco. Do lejka zaopatrzonego w wodny płaszcz grzejny wlać wodę destylowaną i umieszczony z boku tubus ogrzewać płomieniem palnika. Następnie wewnątrz lejka metalowego umieścić lejek szklany, a na mim karbowany sączek bibułowy. Po czym możliwie szybko przelać gorący roztwór kwasu szczawiowego, przesącz pokrystalizacujny zebrać w krystalizatorze. Zanieczyszczenia pozostaną na sączku. Przesącz zebrany w krystalizatorze umieścić w łaźni lodowej do momentu wykrystalizowania białych igiełkowatych kryształków czystego H2C2O4. Następnie przesączyć pod zmniejszonym ciśnieniem na lejku Büchnera. Resztki osadu z krystalizatora wypłukać przy pomocy niewielkich objętości zimnej wody destylowanej. Otrzymaną substancję suszy się w temperaturze pokojowej. Przechować do następnych zajęć i dokonać pomiaru temperatury topnienia

16

DESTYLACJA PROSTA, REKTYFIKACJA.

Destylacja jest najważniejszą metodą rozdzielania i oczyszczania substancji ciekłych. W najprostszym przypadku ciecz doprowadza się do wrzenia, a powstającą parę skrapla się w chłodnicy jako destylat. Destylację, w czasie której w ruchu jest tylko jedna faza – para, nazywa się destylacją prostą. Destylację tę wykonuje się w przypadkach, gdy temperatury wrzenia destylowanych cieczy zawarte są w granicach od 40 do 150oC. Powyżej tej temperatury wiele substancji rozkłada się. Gdy część skondensowanej pary (tzw. flegma lub orosienia)spływa stale do kolby destylacyjnej, destylację taką nazywa się rektyfikacją. Podczas rektyfikacji na kolbie destylacyjnej umieszcza się kolumnę rektyfikacyjną.

1. kolbka destylacyjna 2. nasadka destylacyjna 3. chłodnica destylacyjna 4. przedłużacz 5. odbieralnik 6. kolumna rektyfikacyjna 7. termometr

Zestaw do destylacji frakcyjnej

Oczyszczanie alkoholu etylowego metodą destylacji prostej

1. kolba destylacyjna 2. nasadka destylacyjna 3. chłodnica 4. przedłużacz 5. odbieralnik 6. termometr

Zestaw do destylacji prostej Wykonanie ćwiczenia:

Kolbę destylacyjną napełnić zanieczyszczonym alkoholem etylowym do połowy objętości, wrzucić kamyczki wrzenne i umieścić nad płaszczem grzejnym. Na kolbie umieścić nasadkę destylacyjną zaopatrzoną w termometr. Następnie do nasadki przyłączyć chłodnicę destylacyjną (uruchomić obieg wody). Pod chłodnicą umieścić odbieralnik i włączyć ogrzewanie. Zbiornik rtęci termometru powinien znajdować się na tyle głęboko w nasadce, aby podczas prowadzenia destylacji był całkowicie omywany oparmi. Na początku ogrzewania termometr wykazuje temperaturę niższą od temperatury wrzenia cieczy destylowanej (etanol Twrz = 78oC), a pomimo to w chłodnicy zaczynają się skraplać pierwsze krople. Ta pierwsza frakcja nazywa się przedgonem, należy ją zebrać i usunąć.

17

Frakcję główną czyli właściwy destylat zbiera się wtedy, kiedy termometr wskaże temperaturę wrzenia alkoholu etylowego. Destylację frakcji głównej prowadzi się w tempie nie szybszym niż uzyskanie jednej kropli destylatu na sekundę (prawidłowe ustawienie źródła ogrzewania). Przekroczenie temperatury wrzenia destylowanej cieczy jest wskazaniem do zmiany odbieralnika, odłączenia źródła grzania i przerwania destylacji. Destylacji nigdy nie prowadzi się do sucha, tzn. w kolbie destylacyjnej zawsze po zakończonej destylacji powinna pozostać niewielka objętość cieczy.

DESTYLACJA Z PARĄ WODNĄ Dotyczy substancji ciekłych nie mieszających się z wodą (mieszanina niejednorodna) i ma na celu obniżenie temperatury wrzenia substancji wydzielanej. Ciecz zaczyna wrzeć , jeżeli prężność jej par zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym tego układu. Całkowitą prężność par nad mieszaniną niejednorodną wyraża się sumą prężności par nasyconych obu składników (prawo Daltona). Zatem ponieważ woda i destylowany składnik(A) nie mieszają się ze sobą, ogólna prężność par jest sumą prężności cząstkowych. pogólna = pwody + psubstancji A

Tak więc temperatura wrzenia takiej mieszaniny jest zawsze niższa od temperatury wrzenia każdego z jej składników pod tym samym ciśnieniem. Skład kondensatu można wyliczyć ze wzoru:

W

A

W

A

p

p

n

n nA i nW - liczba moli substancji A i pary

wodnej Wprowadzając jednostki masy wzór można przekształcić do postaci:

W

AA

w

A

p18

pM

m

m

MA - masa cząsteczkowa substancji A

mA i mW - masa substancji A oraz pary wodnej W ten sposób w łagodnych warunkach można przedestylować substancję o temperaturze wrzenia dużo wyższej niż 100oC.

Wyodrębnienie limonenu z owoców cytrusowych za pomocą destylacji z parą wodną

1. kociołek wytwarzający parę wodną 2. chłodnica destylacyjna 3. kolba destylacyjna 4. przedłużacz 5. odbieralnik 6. rurka bezpieczeństwa

Zestaw do destylacji z parą wodną

18

Limonen jest głównym składnikiem olejku eterycznego występującego w skórkach owoców cytrusowych. Temperatura wrzenia tego związku wynosi twrz = 198oC. Skórkę pomarańczy pokroić na drobne kawałki i rozetrzeć w moździerzu wraz z 100 cm3 wody. Otrzymaną miazgę przenieść do kolby destylacyjnej i zmontować zestaw do destylacji z parą wodną. Połączyć kolbę destylacyjną z kociołkiem do wytwarzania pary wodnej z jednej strony a z drugiej z chłodnicą (włączyć obieg wody). Włączyć ogrzewanie pod kociołkiem i pod kolbą. Zebrać ok. 50 cm3 destylatu.

Ekstrakcja ciągła przy użyciu aparatu Soxhleta

1. gilza wykonana z porowatej bibuły 2. kolbka zawierająca rozpuszczalnik 3. rurka odprowadzająca opary

rozpuszczalnika z substancją do chłodnicy

4. rurka odprowadzająca rozpuszczalnik do kolbki do ponownej ekstrakcji

5. chłodnica zwrotna

Aparat Soxhleta

Wykonanie ćwiczenia: Materiał biologiczny (zielone liście, czerwoną paprykę, czerwoną kapustę,

pomarańczowe skórki cytrusów) pokroić na drobne kawałki, umieścić w torebce z porowatej bibuły (gilzy). Gilzę z rozdrobnionym materiałem biolologicznym umieścić w ekstraktorze w aparacie Soxhleta. Do kolby okrągłodennej wlać do 1/2 - 2/3 objętości odpowiedniego rozpuszczalnika oraz 2 – 3 kamyczki wrzenie. Do ekstrakcji chlorofilu z zielonych liści odpowiedni jest aceton. Kolbkę umieścić w elektrycznym płaszczu grzejnym (aceton, Twrz = 65oC). Obserwować przebieg ekstrakcji i omówić zasadę działania.

19

ĆWICZENIE 3 Wybrane reakcje alkoholi, fenoli, aldehydów, ketonów i kwasów

karboksylowych 1. Otrzymywanie alkoholanu sodowego Do suchej probówki z małą ilością alkoholu etylowego wrzucić kawałek oczyszczonego metalicznego sodu. Obserwować efekt. Po zakończonej reakcji kilka kropli roztworu przenieść na szkiełko zegarkowe i poczekać aż odparuje nadmiar alkoholu. Otrzymany etanolan sodowy zwilżyć wodą destylowaną i zbadać odczyn roztworu kroplą fenoloftaleiny. Napisać odpowiednie równania reakcji: 2. Wykrywanie grupy alkoholowej Do ok. 2 cm3 etanolu w probówce dodać taką samą ilość 2 M roztworu KOH i kilka kropli płynu Lugola do jasnożółtego zabarwienia mieszaniny. Stopniowo wytrąca się żółty osad jodoformu CHI3 o charakterystycznym szpitalnym zapachu. Napisać odpowiednie równania reakcji: 3. Badanie właściwości gliceryny – reakcja z Cu(OH)2 Do probówki wlać parę kropli rozc. CuSO4 i dodać kilka kropli 2 M NaOH. Wytrąca się niebieski osad Cu(OH)2. Następnie dodać kilka kropli gliceryny i obserwować rozpuszczanie się niebieskiego osadu wodorotlenku miedzi(II), oraz powstawanie intensywnie niebieskiego roztworu. Ten sam efekt daje reakcja z glikolem. Tej reakcji ulegają drugorzędowe (2o) at. C połączone z grupą –OH. Napisać równanie reakcji:

20

4. Utlenianie glikolu Do probówki wlać ok. 2 cm3 alkoholu dihydroksylowego – glikolu, następnie dodać kilka kropli 0,5% roztw. KMnO4. Roztwór manganianu(VII) potasu odbarwia się z powodu utleniania grup hydroksylowych. Napisać produkty utleniania glikolu zachodzące podczas tej reakcji: 5. Reakcje substytucji elektrofilowej fenolu – reakcja nitrowania Do probówki dodać niewielką ilość roztworu fenolu a następnie ok. 2 cm3 2 M roztworu H2SO4 oraz 2M HNO3. Probówkę ogrzewać na łaźni wodnej ok. 20 min.. Po ochłodzeniu mieszaninę rozcieńczyć równą obj. wody destylowanej. Produktem tej reakcji są żółte kryształki kwasu pikrynowego (2,4,6-trinitrofenolu). Napisać r-nie reakcji: 6. Reakcja Tollensa – właściwości redukcyjne aldehydów Do probówki wlać ok. 1 cm3 roztworu AgNO3 oraz taką samą objętość roztworu NH4OH, aż wytrącający się biały osad ulegnie rozpuszczeniu. Do tak przygotowanego roztworu dodać ok. 1 cm3 badanego aldehydu. Probówkę z zawartością ogrzewać w zlewce z gorącą wodą (łaźnia wodna). W przypadku obecności grupy aldehydowej na ściankach probówki osadzi się metaliczne srebro. Napisąć odpowiednie równania reakcji:

21

7. Reakcja z jonami Cu(II) Fehlinga lub Trommera W probówce zmieszać po 1 cm3 roztworów 2 M NaOH oraz 2 M CuSO4, powstanie niebieski osad Cu(OH)2. Następnie dodać związku zawierającego grupę aldehydową. Całość ogrzać w zlewce z gorącą wodą. Po kilku minutach wytrąca się ceglasty osad tlenku miedzi(I). Napisać odpowiednie równania reakcji: 8. Reakcja jodoformowa – identyfikuje obecność grupy ketonowej Do probówki wlaćj ok. 1 cm3 roztworu związku zawierającego grupę ketonową dodać ok. 1 cm3 2 M roztworu NH3H2O a następnie kroplami płyn Lugola (roztwór I2 w KI). W przypadku obecności grupy ketonowej pojawi się w roztworze żółty, o charakterystycznym zapachu osad jodoformu 9. Reakcja kwasów karboksylowych z węglanem sodu W probówce umieścić ok. 2 cm3 2 M roztworu CH3COOH i wrzucić kilka kryształków Na2CO3 lub NaHCO3. Reakcja zachodzi z burzliwym wydz. CO2. Przebieg tej reakcji przedstawić odpowiednie równania reakcji:

22

ĆWICZENIE 7 Otrzymywanie aspiryny i paracetamolu

Kwas acetylosalicylowy (octan kwasu salicylowego; kwas o-acetylobenzoesowy) to powszechnie stosowany lek znanym pod nazwą ASPIRYNA. Jest to popularny środek o działaniu przeciwbólowym, przeciwgorączkowym i przeciwzapalnym. Przy długotrwałym stosowaniu małych dawek wykazuje działanie przeciwzakrzepowe. Występuje w postaci białych igiełkowatych kryształków. Są one trudno rozpuszczalne w wodzie, rozpuszczają się w eterze i etanolu. Wykonywana reakcja jest przykładem reakcji estryfikacji. Substratem w tej reakcji nie jest jednak alkohol lecz fenol, który nie ulega bezpośredniej estryfikacji metodą Fischera. Dlatego też w miejsce kwasu octowego stosuje się jego bardziej reaktywną pochodną – bezwodnik octowy.

COOH H3C

OH H3C

+ O

C

O

C

O

COOH

O

CO CH3

+ CH3COOH kat. H2SO4

138 g mol-1 102 g mol-1180 g mol-1

Odczynniki: kwas salicylowy 1,34 g (10 mmoli) kezwodnik octowy 2,40 cm3 (2,60 g, 25 mmoli) stężony kwas siarkowy(VI) 2 krople WYKONANIE UWAGA!!! Bezwodnik octowy jest cieczą o właściwościach parzących i łzawiących. Kwas siarkowy(VI) ma właściwości żrące, dlatego odczynniki potrzebne do przeprowadzenia reakcji należy przygotować pod wyciągiem. Podczas pracy zaleca się korzystanie z okularów ochronnych oraz rękawic. Bezwodnik octowy jest nietrwały i rozkłada się pod wpływem wilgoci z powietrza, dlatego też wszystkie czynności związane z tym odczynnikiem należy wykonywać szybko. Do kolbki okrągłodennej o poj. 100 cm3 wprowadza się 1,34 g kwasu salicylowego, 2,40 cm3 bezwodnika octowego oraz 2 krople stężonego H2SO4 . Zawartość kolbki należy delikatnie wymieszać, po czym umieścić w niej kilka kamyczków wrzennych. Kolbkę instaluje się w elektrycznym płaszczu grzejnym i zabezpiecza powietrzną chłodnicą zwrotną. Wylot chłodnicy powinien być zamknięty rurką zawierającą środek

23

higroskopijny np. bezwodny chlorek wapnia. Mieszaninę reakcyjną miesza się i utrzymuje w temperaturze 55 - 65 oC przez ok. 15 – 20 minut. Po tym czasie zawartość kolbki pozostawia się do ostygnięcia, następnie przelewa do zlewki zawierającej ok. 20 cm3 wody i starannie miesza. Wydzielone kryształy preparatu należy odsączyć pod zmniejszonym ciśnieniem na lejku Büchnera, kilkakrotnie przemyć niewielką ilością zimnej wody, wysuszyć w temperaturze pokojowej, zważyć i oznaczyć temperaturę topnienia (lit. tt. 129 – 133oC). W razie rozbieżności wyznaczonej temperatury topnienia z literaturową w celu poprawienia czystości otrzymanego preparatu można przeprowadzić jego krystalizację z mieszaniny etanol – woda (1:2 czyli np. 5 cm3 etanolu i 2,5 cm3 wody). Po wykonaniu preparatu należy obliczyć wydajność reakcji.

24

ĆWICZENIE 8 Alkalimetryczne oznaczanie kwasu acetylosalicyloweg0

Substancje organiczne, podobnie jak nieorganiczne można oznaczać klasycznymi metodami analizy ilościowej. Alkalimetryczne oznaczenie kwasu acetyloaskorbinowego opiera się na reakcji zobojętniania grupy karboksylowej kwasu mianowanym roztworem NaOH. Oznaczenie przebiega zgodnie z równaniem reakcji:

COOH

O C

O

CH3

Na+OH-

COO- Na+

O C

O

CH3

H2O++

masa molowa C9 H8 O4

180,16 g ∙ mol-1 Oznaczenie zawartości kwasu acetylosalicylowego w tabletce.

Tabletkę aspiryny zważyć na wadze laboratoryjnej. Umieścić tabletkę w kolbce stożkowej i dodać 50 cm3 wody destylowanej. Kolbkę z zawartością ogrzewać w temp. 85oC do rozpuszczenia tabletki ( na dnie kolbki może pozostać nierozpuszczony wypełniacz tabletki). Roztwór pozostawić do ostygnięcia. Po wystudzeniu roztworu do temperatury pokojowej dodać 2 – 3 krople fenoloftaleiny i miareczkować zmianowanym wcześniej roztworem NaOH do uzyskania trwałego różowego zabarwienia. Odczytać z biurety ilość użytego titranta. Obliczyć zawartość aspiryny w tabletce.

Obliczenia:

1000 cm3 1 M NaOH reaguje 180,16 g aspiryny

Vśr CmNaOH → x g aspiryny

aspirynyg...........................1000

16,180CmV NaOHlśr

masa tabletki (mt) - ……………….. g mt → 100 % masa aspiryny → x % Wynik podać w gramach ………………, oraz w procentach wagowych …………………

25

ĆWICZENIE 9 Oznaczanie liczby zmydlania

ZMYDLANIE – reakcja hydrolizy tłuszczów czyli estrów kwasów tłuszczowych i gliceryny w środowisku zasadowym. Produktami są gliceryna i sole kwasów tłuszczowych. LICZBA ZMYDLANIA (LZ) – określa ilość mg KOH potrzebną do zobojętnienia kwasów tłuszczowych powstałych ze zmydlania 1 g tłuszczu. Liczbę zmydlania mierzy się w ten sposób, że próbkę tłuszczu poddaje się hydrolizie za pomocą nadmiaru alkoholowego roztworu KOH. Nadmiar KOH pozostały po reakcji odmiareczkowuje się następnie roztworem HCl. Znajomość LZ czystego tłuszczu pozwala wyznaczyć średnią masę molową (cząsteczkową) kwasów tłuszczowych wchodzących w skład danego tłuszczu.

LZ

56110Mśr

Mśr – średnia masa molowa kwasów związanych estrowo i wolnych w badanym tłuszczu LZ – liczba zmydlania 56110 – masa molowa KOH [mg] Wartość LZ jest odwrotnie proporcjonalna do średniej masy molowej kwasów tłuszczowych wchodzących w skład danego tłuszczu. Wysoką wartość LZ (220-260) posiadają tłuszcze zawierające kwasy tłuszczowe o krótszych łańcuchach np. masłowy kapronowy, kaprylowy. Natomiast tłuszcze zbudowane z kwasów o dłuższych łańcuchach charakteryzują się niższymi wartościami LZ (170-190). Opis ćwiczenia Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm3 należy odważyć 2 gramy tłuszczu. Pomiar wagi wykonać z dokładnością do 0,001 grama. Następnie dodać 25 cm3 dokładnie odmierzonego (najlepiej za pomocą pipety lub biurety) alkoholowego 0,5 M roztworu KOH. Kolbkę stożkową zaopatrzyć w chłodnicę powietrzną i umieścić w łaźni wodnej. Mieszaninę reakcyjną utrzymywać w stanie wrzenia ok. 30 minut. Następnie zdjąć chłodnicę i gorący roztwór miareczkować 0,5 M roztworem HCl wobec fenoloftaleiny do odbarwienia. W międzyczasie wykonać ślepą próbę. Liczbę zmydlania obliczyć według wzoru:

tłłuszczbadanegog/KOHmgm

Cm)V HCl2 1(V56,11

LZ 1

56,11 – liczba mg KOH zawarta w 1 cm3 1 M roztworu V1 – objętość HCl zużyta do miareczkowania próby ślepej V2 – objętość HCl zużyta do miareczkowania badanej próby CmHCl – stężenie molowe HCl

26

m – odważka próby podana w gramach Obliczenia: V1 = ……….. cm3 V2 = ……….. cm3 V1 – V2 = ………………. cm3

m = ………….. g

tłłuszczbadanegog/1KOHmg.................... 56,11

LZ