Zaawansowane oczyszczanie

Transkrypt

1 Zaawansowane oczyszczanie Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych dla Chemii Podstawowej (III r.), Chemii Środowiska (II III r.) Informatyki Chemicznej (III r.) Chemii Biologicznej (III r.) Zakład Chemii Organicznej Wydział Chemii Uniwersytet Wrocławski 2006 wersja 2 Spis treści [DF] Destylacja frakcyjna mieszaniny cieczy... 2 [O.1] Rozdzielenie mieszaniny kwasu benzoesowego i benzaldehydu... 3 [O.2] Rozdzielanie mieszaniny aniliny i nitrobenzenu... 4 [O.3] Rozdzielanie mieszaniny fenolu i nitrobenzenu... 5 [O.4] Oczyszczanie benzaldehydu... 6 [O.5] Rozdzielanie mieszaniny aniliny i fenolu... 7 [O.6] Destylacja pod obniżonym ciśnieniem... 8 [KK] Oczyszczanie kwasu karboksylowego [F] Oczyszczanie fenolu... 11

2 [DF] Destylacja frakcyjna mieszaniny cieczy Do okrągłodennej kolby destylacyjnej o pojemności 250 ml wlać 100 ml otrzymanej mieszaniny. Wrzucić kamyczek wrzenny. Zmontować aparaturę do destylacji cieczy: A) bez deflegmatora Przeprowadzić destylację otrzymanej mieszaniny zbierając destylat do cylindra miarowego. Co 2 ml zbieranego destylatu notować temperaturę wrzenia. Pozostałość po destylacji (pogon) pozostawić w kolbie destylacyjnej. Po skończonej destylacji zawrócić destylat do kolby destylacyjnej i przeprowadzić część B) ćwiczenia. B) z deflegmatorem Powtórzyć doświadczenie z punktu A) stosując aparaturę do destylacji z deflegmatorem. Zbieramy następujące frakcje: przedgon destyluje do ustalenia się temperatury wrzenia pierwszą frakcję destyluje po ustaleniu się temperatury wrzenia frakcję pośrednią destyluje do ponownego ustalenia się temperatury wrzenia drugą frakcję destyluje po ponownym ustaleniu się temperatury wrzenia Pozostałość po destylacji (pogon) pozostawić w kolbie destylacyjnej. Co 2 ml odbieranego destylatu notujemy temperaturę wrzenia. Dla poszczególnych czystych frakcji mierzymy współczynniki załamania światła. W sprawozdaniu należy przedstawić wykresy zależności temperatury na szczycie nasadki destylacyjnej od objętości otrzymanego destylatu dla obu eksperymentów, temperatury wrzenia oraz współczynniki załamania światła otrzymanych substancji. Należy oszacować skład objętościowy i jakościowy mieszaniny cieczy. 2

3 [O.1] Rozdzielenie mieszaniny kwasu benzoesowego i benzaldehydu Montujemy zestaw do destylacji z parą wodną. Otrzymaną próbkę, zawierającą aldehyd benzoesowy i kwas benzoesowy, umieszczamy w kolbie do destylacji z parą wodną, naczynie spłukujemy 100 ml wody. Powoli dodajemy nasycony roztwór NaHCO 3 aż do rozpuszczenia całej porcji kwasu i uzyskania słabo zasadowego odczynu. Prowadzimy destylację z parą wodną aż do uzyskania klarownego destylatu. Oddzielamy aldehyd benzoesowy, wytrząsamy przez 15 minut z bezwodnym MgSO 4 i sączymy do wytarowanego naczynia. Oznaczamy współczynnik załamania światła. Do pozostałości po destylacji dodajemy porcję węgla aktywnego, ogrzewamy do wrzenia, sączymy i po ostygnięciu ostrożnie zakwaszamy stężonym kwasem solnym. Po ochłodzeniu odsączamy kwas benzoesowy, przemywamy wodą i zostawiamy do wysuszenia. Wydzielone substancje w czystych, zamykanych i opisanych pojemnikach oddajemy wraz ze sprawozdaniem. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonych substancji, współczynnik załamania światła benzaldehydu, temperaturę topnienia kwasu benzoesowego oraz odpowiednie wartości literaturowe i numery pomiarów. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 3

4 [O.2] Rozdzielanie mieszaniny aniliny i nitrobenzenu Montujemy zestaw do destylacji z parą wodną. Otrzymaną próbkę, zawierającą anilinę i nitrobenzen, umieszczamy w kolbie do destylacji z parą wodną, naczynie spłukujemy 100 ml wody. Zawartość zakwaszamy kwasem solnym aż do uzyskania trwałego odczynu kwaśnego. Prowadzimy destylację z parą wodną aż do uzyskania klarownego destylatu. Oddzielamy nitrobenzen, wytrząsamy przez 15 minut z bezwodnym MgSO 4 i sączymy do wytarowanego naczynia. Oznaczamy współczynnik załamania światła. Pozostałość w kolbie destylacyjnej alkalizujemy stężonym roztworem NaOH i ponownie destylujemy z parą wodną do uzyskania klarownego destylatu, po czym oddestylowujemy jeszcze 100 ml roztworu. Nasycamy destylat NaCl, po czym ekstrahujemy czterokrotnie 40 mililitrowymi porcjami eteru (pierwszymi dwoma porcjami eteru należy uprzednio przepłukać naczynie po destylacie). Ekstrakty eterowe łączymy, przemywamy nasyconym roztworem NaCl i suszymy stałym KOH. Jeżeli KOH upłynnia się, należy warstwę organiczną oddzielić od wodnej i ponownie suszyć stałym KOH. Ekstrakt dekantuje się (lub sączy przez sączek fałdowany) do kolby okrągłodennej i oddestylowuje eter, następnie przenosi pozostałość do mniejszej kolby (100 ml), przemywając oddestylowanym wcześniej eterem, oddestylowuje resztki eteru, a po wypuszczeniu wody z chłodnicy, destyluje się anilinę, zbierając frakcje wrzącą w temperaturze C. Zebrany eter należy przelać do pojemnika na zlewki eteru. Wydzielone substancje w czystych, zamykanych i opisanych pojemnikach oddajemy wraz ze sprawozdaniem. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonych substancji, współczynniki załamania światła i temperatury wrzenia substancji oraz odpowiednie wartości literaturowe i numery pomiarów. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 4

5 [O.3] Rozdzielanie mieszaniny fenolu i nitrobenzenu Montujemy zestaw do destylacji z parą wodną. Otrzymaną próbkę, zawierającą fenol i nitrobenzen, umieszczamy w kolbie do destylacji z parą wodną, naczynie spłukujemy 100 ml wody. Powoli dodajemy 20% roztwór NaOH aż do uzyskania wyraźnie zasadowego odczynu. Prowadzimy destylację z parą wodną aż do uzyskania klarownego destylatu. Oddzielamy nitrobenzen, wytrząsamy przez 15 minut z bezwodnym MgSO 4 i sączymy do wytarowanego naczynia. Oznaczamy współczynnik załamania światła. Pozostałość w kolbie destylacyjnej zakwaszamy rozcieńczonym (1:1) kwasem siarkowym i ponownie destylujemy z parą wodną do uzyskania klarownego destylatu, destylat nasycamy NaCl, po czym ekstrahujemy trzykrotnie 40 mililitrowymi porcjami eteru (pierwszymi dwoma porcjami eteru należy uprzednio przepłukać naczynie po destylacie). Połączone wyciągi eterowe suszymy bezwodnym MgSO 4, sączymy i oddestylowujemy eter. Pozostałość powinna wykrystalizować po oziębieniu, w przeciwnym razie przenosimy pozostałość do mniejszej kolby (100 ml), przemywając oddestylowanym wcześniej eterem, oddestylowujemy resztki eteru i destylujemy ostrożnie fenol z małej kolbki w temperaturze 182 C. Zebrany eter należy przelać do pojemnika na zlewki eteru. Wydzielone substancje w czystych, zamykanych i opisanych pojemnikach oddajemy wraz ze sprawozdaniem. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonych substancji, współczynniki załamania światła i temperatury wrzenia/topnienia substancji oraz odpowiednie wartości literaturowe i numery pomiarów. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 5

6 [O.4] Oczyszczanie benzaldehydu Otrzymaną próbkę alkoholowego roztworu aldehydu wytrząsamy z trzykrotną objętością nasyconego roztworu wodorosiarczynu sodu (NaHSO 3 ), obserwując efekt egzotermiczny. Wydzielony osad odsączamy pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywamy niewielką ilością alkoholu i pozostawiamy do wyschnięcia. Krystaliczną pochodną rozkłada się ostrożnie 2M roztworem kwasu siarkowego, ogrzewając łagodnie na łaźni wodnej aż do zakończenia wydzielania dwutlenku siarki (ostrożnie). Roztwór po ochłodzeniu ekstrahuje się trzykrotnie eterem, przemywa wodą i nasyconym roztworem NaCl, po czym suszy bezwodnym siarczanem magnezu. Po odsączeniu środka suszącego oddestylowujemy eter, przenosimy pozostałość do mniejszej kolby (100 ml), przemywając oddestylowanym wcześniej eterem, oddestylowujemy resztki eteru i destylujemy aldehyd benzoesowy w temperaturze 180 C. Zebrany eter należy przelać do pojemnika na zlewki eteru. Wydzielone substancje w czystych, zamykanych i opisanych pojemnikach oddajemy wraz ze sprawozdaniem. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonych substancji, współczynniki załamania światła i temperatury wrzenia/topnienia substancji oraz odpowiednie wartości literaturowe i numery pomiarów. Należy obliczyć zawartość aldehydu w otrzymanej próbce i wydajność wydzielania aldehydu z adduktu. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 6

7 [O.5] Rozdzielanie mieszaniny aniliny i fenolu Montujemy zestaw do destylacji z parą wodną. Otrzymaną próbkę, zawierającą anilinę i fenol, umieszczamy w kolbie do destylacji z parą wodną, naczynie spłukujemy 100 ml wody. Powoli dodajemy rozcieńczony w stosunku 1:1 kwas solny aż do uzyskania kwaśnego odczynu. Prowadzimy destylację z parą wodną do uzyskania klarownego destylatu, destylat nasycamy NaCl, po czym ekstrahujemy trzykrotnie 40 ml porcjami eteru (pierwszymi dwoma porcjami eteru należy przepłukać naczynie po destylacie). Połączone wyciągi eterowe suszymy bezwodnym MgSO 4, sączymy i oddestylowujemy eter. Pozostałość powinna wykrystalizować po oziębieniu, w przeciwnym razie przenosimy pozostałość do mniejszej kolby (100 ml), przemywając oddestylowanym wcześniej eterem, oddestylowujemy resztki eteru i destylujemy ostrożnie fenol z małej kolbki w temperaturze 182 C. Bezbarwny destylat powinien zakrzepnąć. Zebrany eter należy przelać do pojemnika na zlewki eteru. Pozostałość w kolbie destylacyjnej alkalizujemy stężonym roztworem NaOH i ponownie destylujemy z parą wodną do uzyskania klarownego destylatu, po czym oddestylowujemy jeszcze 100 ml roztworu. Nasycamy destylat NaCl, po czym ekstrahujemy czterokrotnie 40 ml porcjami eteru (przepłukać naczynie po destylacie!). Ekstrakty eterowe łączymy, przemywamy nasyconym roztworem NaCl i suszymy stałym KOH. Jeżeli KOH upłynnia się, należy warstwę organiczną oddzielić od wodnej i ponownie suszyć ją stałym KOH. Ekstrakt dekantuje się (lub sączy przez sączek fałdowany) do kolby okrągłodennej i oddestylowuje eter, następnie przenosi pozostałość do mniejszej kolby (100 ml), przemywając oddestylowanym wcześniej eterem, oddestylowuje resztki eteru, a po wypuszczeniu wody z chłodnicy, destyluje się anilinę, zbierając frakcje wrzącą w temperaturze C. Zebrany eter należy przelać do pojemnika na zlewki eteru. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonych substancji, współczynniki załamania światła i temperatury wrzenia/topnienia substancji oraz odpowiednie wartości literaturowe i numery pomiarów. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 7

8 [O.6] Destylacja pod obniżonym ciśnieniem Wszystkie operacje należy wykonywać pod wyciągiem z opuszczoną szybą i w okularach ochronnych. Student otrzymuje jedną z trzech substancji (ok. 40 ml): anilinę (tw. 184ºC), nitrobenzen (210 ºC) lub aldehyd benzoesowy (179 ºC, przykładowe temperatury wrzenia benzaldehydu pod obniżonym ciśnieniem: 79 ºC /25mmHg; 69 ºC /15mmHg; 62 ºC /10mmHg). Substancje mogą być zawilgocone oraz mogą zawierać rozpuszczalniki mieszające się z wodą. Otrzymaną próbkę należy poddać ekstrakcji wodą w rozdzielaczu (pięciokrotnie, zwracając uwagę, która warstwa jest wodna, a która organiczna), następnie solanką (dwukrotnie, do wyklarowania warstwy organicznej). Starannie oddzieloną warstwę organiczną suszy się odpowiednim bezwodnym środkiem suszącym: anilinę KOH, nitrobenzen chlorkiem wapnia, aldehyd benzoesowy siarczanem magnezu. Ze względu na gęstość i lepkość cieczy skuteczne osuszenie wymaga wytrząsania ze środkiem suszącym (w zamkniętej kolbie stożkowej ze szlifem) przez przynajmniej 30 minut. Oczyszczaną ciecz przesącza się przez sączek karbowany bezpośrednio do kolby destylacyjnej, sączenie może trwać dość długo (sugeruje się użycie kolby dwuszyjnej i wprowadzenie kapilary destylacyjnej przez boczną szyjkę). Po zmontowaniu pozostałych elementów zestawu do destylacji pod obniżonym ciśnieniem rozpoczyna się chłodzenie wymrażacza ciekłym azotem (ostrożnie!) i uruchamia się pompę próżniową. Należy zwrócić uwagę na intensywność przepływu powietrza przez kapilarę, gdy strumień jest zbyt duży, należy zacisnąć wlot węża nałożonego na kapilarę. Na manometrze odczytuje się ciśnienie panujące w zestawie, powinno wynosić ok. 20 mm Hg. Jeżeli ciśnienie jest wyższe, należy znaleźć i usunąć nieszczelności. Po dokonaniu odczytu kran manometru powinien być zamknięty, aby uniknąć zniszczenia przyrządu podczas zmian ciśnienia. Po ustaleniu ciśnienia należy oszacować przewidywaną temperaturę wrzenia przy danym ciśnieniu, korzystając z nomogramu lub programu komputerowego, np.: Ogrzewanie należy prowadzić ostrożnie i powoli, górną część kolby i nasadkę można owinąć folią aluminiową. Zasadniczą frakcję zbiera się do jednego z wybranych odbieralników po skontrolowaniu ciśnienia. Po zakończeniu zbierania frakcji głównej należy zmienić odbieralnik. Pojemność odbieralników powinna być dostosowana do przewidywanej objętości frakcji. Po zebraniu potrzebnej frakcji usuwa się źródło ciepła i utrzymując obniżone ciśnienie studzi się stopniowo aparaturę, powietrze wpuszcza się dopiero, gdy 8

9 można dotknąć dłonią kolby destylacyjnej. Destylowanie do końca jest wyjątkowo niebezpieczne. Należy oznaczyć współczynnik załamania światła destylatu oraz wydajność oczyszczania. W sprawozdaniu należy podać temperaturę wrzenia destylatu i ciśnienie destylacji. Uwagi praktyczne: Przynajmniej dzień przed wykonaniem ćwiczenia należy zgłosić do laborantów zapotrzebowanie na ciekły azot. Smaru używa się jedynie do szlifu obrotowego odbieralnika (z umiarem) oraz ewentualnie do szlifu kolby destylacyjnej (lubi się zapiekać) i termometru (też lubi). Końcówkę kapilary wyciąga się w płomieniu bezpośrednio przed destylacją. Wymrażacz wyjmuje się z naczynia z azotem po odłączeniu próżni, natomiast opróżnia ze skroplin dopiero po roztopieniu zawartości. Kapilara wrzenna Woda Wylot Wlot Manometr Łaźnia grzejna Odbieralniki Do pompy próżniowej Pułapka wymrażająca Naczynie Dewara Schemat aparatury do destylacji pod obniżonym ciśnieniem. Rzeczywisty wygląd zależy od dostępnego zestawu szkła. Kolejność łączenia elementów (manometr, wymrażacz) oraz sposób i miejsca zamocowania elementów należy przedyskutować z prowadzącym przed rozpoczęciem ćwiczenia. 9

10 [KK] Oczyszczanie kwasu karboksylowego Próbka może być zanieczyszczona substancjami niepolarnymi oraz solami nieorganicznymi. Otrzymaną próbkę rozpuszcza się w 10% roztworze NaOH i odsącza ewentualne zanieczyszczenia stałe. Jeżeli uzyskany roztwór jest zabarwiony, dodaje się porcję węgla aktywnego, zagotowuje i odsącza osad na gorąco. Roztwór (o temperaturze pokojowej!) ekstrahuje się eterem (połowa objętości fazy wodnej, nie mniej niż 40 ml), a następnie ostrożnie zakwasza rozcieńczonym w stosunku 1:1 kwasem siarkowym (należy oszacować ilość na podstawie zużytego NaOH). Po ochłodzeniu powinien wydzielić się osad kwasu, który odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa wodą i suszy. Jeżeli kwas się nie wydzieli, należy roztwór ekstrahować trzykrotnie 50 ml chlorku metylenu, połączone warstwy organiczne przemyć nasyconym roztworem NaCl i wysuszyć bezwodnym siarczanem magnezu. Po odsączeniu środka suszącego należy oddestylować chlorek metylenu aż do momentu krystalizacji kwasu. Użyty eter i ewentualnie chlorek metylenu należy przelać do pojemników na odpowiednie zlewki. Uzyskany kwas karboksylowy należy przekrystalizować z metanolu, zachowując odpowiednie środki ostrożności. Należy użyć najmniejszej niezbędnej ilości metanolu (zależy ona od ilości kwasu i jego rozpuszczalności). Na podstawie oznaczonej temperatury topnienia (i ewentualnych reakcji charakterystycznych) ustala się, który kwas znajdował się w próbce. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonej substancji, zmierzoną temperaturę topnienia, odpowiednie wartości literaturowe, ewentualny opis dalszej identyfikacji kwasu oraz numery pomiarów. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 10

11 [F] Oczyszczanie fenolu Otrzymana próbka może być zanieczyszczona substancjami niepolarnymi oraz solami nieorganicznymi. Otrzymaną próbkę rozpuszcza się w 10% roztworze NaOH i odsącza ewentualne zanieczyszczenia stałe. Jeżeli uzyskany roztwór jest zabarwiony, dodaje się porcję węgla aktywnego, zagotowuje i odsącza osad na gorąco. Roztwór (o temperaturze pokojowej!) ekstrahuje się eterem (połowa objętości fazy wodnej, nie mniej niż 40 ml), a następnie ostrożnie zakwasza rozcieńczonym w stosunku 1:1 kwasem siarkowym (należy oszacować ilość na podstawie zużytego NaOH). Po ochłodzeniu roztwór ekstrahuje się trzykrotnie 50 ml chlorku metylenu, połączone warstwy organiczne przemywa wodą i nasyconym roztworem NaCl, po czym suszy siarczanem magnezu. Po odsączeniu środka suszącego należy oddestylować chlorek metylenu aż do momentu krystalizacji fenolu. Użyty eter i chlorek metylenu należy przelać do pojemników na odpowiednie zlewki. Na podstawie oznaczonej temperatury topnienia (i ewentualnych reakcji charakterystycznych) ustala się, który fenol znajdował się w próbce. zawierać wzory strukturalne, ilość wydzielonej substancji, zmierzoną temperaturę topnienia, odpowiednie wartości literaturowe, ewentualny opis dalszej identyfikacji fenolu oraz numery pomiarów. Należy krótko wyjaśnić sposób postępowania i celowości wykonywania poszczególnych operacji w trakcie rozdziału (schemat rozdziału i równania reakcji). 11