Ćwiczenie 2. Analiza jakościowa związków organicznych zawierających azot, siarkę oraz fluorowcopochodne.

Transkrypt

1 Ćwiczenie 2. Analiza jakościowa związków organicznych zawierających azot, siarkę oraz fluorowcopochodne. Wprowadzenie teoretyczne Cel ćwiczeń: Zapoznanie studentów z metodami identyfikacji pierwiastków wchodzących w skład związków organicznych w celu szybkiej detekcji podstawowych składników związków organicznych. W badaniach związków organicznych powstaje często konieczność ich charakterystyki i identyfikacji (budowa, skład elementarny) co jest zadaniem jakościowej analizy organicznej. Za pomocą prostych reakcji istniej szybka możliwość określenia podstawowych składników związków organicznych (C, H, O, N, S, P, chlorowiec). Wykrywanie pierwiastków jak N, S czy chlorowiec sprowadza się najczęściej do stapiania substancji organicznej z sodem, czyli przeprowadzenia analizowanych składników w formy jonowe. Podczas stapiania związku organicznego z sodem zachodzi reakcja: C, H, O, N NaCN Proces ten, nazywany mineralizacją wykonywany jest w następujący sposób: w małej probówce umieszcza się ok. 0,1 g badanej substancji i kawałek metalicznego sodu. Następnie probówkę ogrzewa się w płomieniu palnika do stopienia się substancji z sodem. Kolejnym krokiem jest doprowadzenie zawartości probówki do czerwonego żaru i wrzucenie jej do kolby stożkowej zawierającej 10 cm 3 wody destylowanej. Po pęknięciu probówki, zawartość kolby należy intensywnie wymieszać i przesączyć. Jeśli przesącz jest zabarwiony (żółty lub brunatny), należy powtórzyć stapianie z sodem, gdyż rozkład substancji nie był całkowity. Bezbarwny przesącz służy do dalszych badań mających na celu wykrycie azotu, siarki i chlorowca. Wykrywanie poszczególnych pierwiastków tworzących związek organiczny polega na przeprowadzeniu odpowiednich reakcji charakterystycznych dla danego jonu. W tym celu przeprowadza się powstały NaCN do heksacyjanożelazianu (II) sodu, który wykrywa się przy pomocy FeCl 3 : wydziela się niebieski lub zielononiebieski osad heksacyjanożelazian (II) żelaza (III) błękit pruski: 2 NaCN + FeSO 4 Fe(CN) 2 + Na 2 SO 4 Fe(CN) NaCN Na 4 [Fe(CN) 6 ] Na 4 [Fe(CN) FeCl 3 Fe 4 [Fe(CN) 6 ] NaCl Obecność węgla w związku organicznym można stwierdzić przez działanie na badaną substancję stężonym roztworem H 2 SO 4 powodującym jej zwęglanie. Próba ta nie zawsze 1

2 daje pozytywny wynik w przypadku niektórych związków organicznych, czarne zabarwienie węgla może być niewyraźne. Stosuje się wówczas ogrzewanie badanej substancji z tlenkiem miedzi (II). Tlenek miedzi (II) utlenia węgiel do dwutlenku węgla, którego obecność można stwierdzić na podstawie zmętnienia wodorotlenku baru (II) lub wapnia. C org. + 2 CuO CO 2 +2 Cu CO 2 + Ba(OH) 2 BaCO 3 + H 2 O lub CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O Kropelki wody osiadające na ściankach probówki świadcząc zawartości w badanej substancji wodoru. 2 H org. + CuO H 2 O + Cu gdzie: C org. i H org. - węgiel i wodór w substancji organicznej. Doświadczenie to nie jest miarodajne, jeśli badana substancja jest wilgotna lub zawiera wodę krystalizacyjną. Azot zawarty w związkach organicznych w formie grup aminowych można wykryć za pomocą wapna sodowanego przez przekształcenie go w amoniak. Wydzielający się gaz można zidentyfikować po charakterystycznym zapachu i po zabarwieniu na niebiesko zwilżonego czerwonego papierka lakmusowego. Do wykrywania siarki występującej w związkach organicznych w postaci grup -SH (tiolowej) lub -S-S- (tioeterowej) można wykorzystać reakcje hydrolizy alkalicznej i wytracenie jonu S 2- przy pomocy octanu ołowiu (II). Wytrącenie się czarnego osadu PbS świadczy o obecności siarki w badanym związku: S org. Na 2 S (stapianie z Na) Na 2 S + Pb(CH 3 COO) 2 PbS + 2 CH 3 COONa Kolejna metoda wykrywania siarki polega na reakcji z nitroprusydkiem sodu. Pojawienie się ciemnopurpurowego zabarwienia świadczy o obecności siarki: Na 2 S + Na 2 [Fe(CN) 5 NO] Na 4 [Fe(CN) 5 NOS] Metoda wykrywania chlorowca zależy od obecności innych pierwiastków takich jak azot i siarka. Możliwe jest również przeprowadzenie próby negatywnej informującej o braku chlorowca tzw. próba Beilsteina. Polega ona na ogrzewaniu w płomieniu palnika drutu miedzianego zanurzonego wcześniej w badanym roztworze. Zielone, szybko znikające zabarwienie płomienia wskazuje na obecność chlorowca w badanym związku. Z uwagi na fakt, że pozytywny wynik tej reakcji mogą dawać również związki nie zawierające chlorowca lecz zawierające azot (w postaci CN - lub CNS - ), tylko negatywny wynik daje pewność, że związek nie zawiera chlorowca. Jeśli badana substancja nie zawiera azotu ani siarki do zakwaszonej próby dodaje się roztwór AgNO 3, wytracenie się białego osadu AgCl (żółtego AgBr lub 2

3 pomarańczowego AgI) świadczy o obecności chlorowca w badanym związku organicznym: NaX + AgNO 3 AgX + NaNO 3 W celu sprawdzenia czy wytrącony osad jest chlorkiem (bromkiem, jodkiem) srebra, przeprowadza się reakcje identyfikacji. Biały osad chlorku srebra roztwarza się łatwo w rozcieńczonym amoniaku, dając chlorek diaminasrebra (I): AgCl + 2 (NH 3 H 2 O) [Ag(NH 3 ) 2 ]Cl + 2 H 2 O Z tego roztworu po dodaniu kwasu azotowego wytrąca się ponownie AgCl: [Ag(NH 3 ) 2 ] + + Cl H + + AgCl + 2 NH 4 Chlorek srebra roztwarza się również w tiosiarczanie (VI) sodu, dając bis(tiosiarczano) srebrzan (I): AgCl + 2 S 2 O 2-3 Ag(S 2 O 3 ) Cl - Jeśli badana substancja zawiera azot lub siarkę, zakwaszoną próbę ogrzewa się na łaźni wodnej w celu usunięcia jonów cyjankowych (CN - ) i utlenienia jonów siarczkowych S 2- do siarczanowych (VI) SO 2-4. Następnie wykonuje się detekcję chlorowca dodając roztwór AgNO 3 jak opisano powyżej. Sposób wykonania Sprzęt i odczynniki - probówki - korki o osadzoną rurką szklaną - łapy do probówek - statyw i siatka do ogrzewania - okulary ochronne - zlewki 250 cm 3 - kolby stożkowe 200 cm 3 - pipety szklane 5 cm 3 - pipety szklane 1 cm 3 - drut miedziany - papierki lakmusowe - przesącze powstałe na drodze mineralizacji związków organicznych poprzez stapiane z sodem - przykładowe związki organiczne w postaci stałej - stężony kwas siarkowy (VI), H 2 SO 4 3

4 - rozcieńczony kwas siarkowy (VI), H 2 SO 4-2 M roztwór kwasu azotowego (V), HNO 3 - wyprażony tlenek miedzi (II), CuO - wapno sodowane - 20% roztwór wodorotlenku sodu, NaOH - roztwór siarczanu (VI) żelaza (II), FeSO 4 - roztwór chlorku żelaza (III), FeCl 3 - roztwór octanu ołowiu, Pb(CH 3 COO) 2 - roztwór nitroprusydku sodu, Na 2 [Fe(CN) 5 NO] - roztwór wodny azotanu (V) srebra, AgNO 3 - roztwór amoniaku, NH 3 H 2 O - tiosiarczan (VI) sodu, Na 2 S 2 O 3 Wykonanie Wykrywanie węgla i wodoru 1. Wykrywanie węgla za pomocą stężonego kwasu siarkowego (VI). Umieścić w probówce ok. 0,1 g badanej substancji i wlać ok. l cm 3 stężonego kwasu siarkowego (VI). Jeżeli badana substancja jest związkiem organicznym, to po kilku minutach następuje jej zwęglanie. Zapisać obserwacje. 2. Wykrywanie węgla i wodoru za pomocą CuO. W probówce umieścić ok. 0,1 g badanej substancji i 0,5 g wyprażonego CuO, a następnie probówkę zamknąć korkiem z osadzoną w nim szklaną rurką. Zawartość probówki ogrzewać w płomieniu palnika. Wylot rurki zanurzyć w probówce z wodą barytową Ba(OH) 2 lub wodą wapienną Ca(OH) 2. Zapisać obserwacje i reakcje. Wykrywanie azotu 1. Wykrywanie azotu za pomocą wapna sodowanego Ok. 0,1 g badanej substancji umieścić się w suchej probówce, dodać 0,1 g wapna sodowanego i ogrzewać. W trakcie wydzielania się gazowego amoniaku można wyczuć charakterystycznym zapach. Umieścić zwilżony czerwony papierek lakmusowy u wylotu próbówki i zaobserwować zmianę jego barwy. 2. Wykrywanie azotu i innych pierwiastków w związkach organicznych przez stapianie substancji z sodem Do 3 cm 3 przesączu powstałego po stapianiu związku organicznego z sodem 4

5 umieszczonego w czystej probówce dodać ok. 0,1 g siarczanu żelaza (II) FeSO 4 i ogrzewać do wrzenia w ciągu l minuty, a następnie dodać rozcieńczonego kwasu siarkowego (VI). Zapisać równanie reakcji i obserwacje. Wykrywanie siarki 1. Do ok. 0,1 cm 3 przesączu otrzymanego w wyniku stapiania badanej substancji z sodem dodać 2 M HNO 3 i 0,5 cm 3 roztwór octanu ołowiu (II). Zapisać równanie reakcji i obserwacje. 2. Do przesączu o odczynie alkalicznym otrzymanego w wyniku stapiania badanej substancji z sodem dodaje się kilka kropel roztworu nitroprusydku sodu. Zapisać równanie reakcji i obserwacje. 3. Do probówki wsypać ok. 0,1 g substancji organicznej, dodać 2 cm 3 20% roztworu NaOH i 0,5 cm 3 roztworu octanu ołowiu (II). Zawartość probówki ogrzewać przez kilka minut na łaźni wodnej. Zapisać równanie reakcji i obserwacje. Wykrywanie chlorowca próba Beilsteina Drut miedziany ogrzewać w płomieniu palnika aż do zaniku barwy zielonej płomienia. Następnie gorący drut zanurzyć w badanej substancji i ponownie ogrzewa. Zapisać obserwacje dotyczące barwy płomienia. Następnie dalsze postępowanie zależy od tego czy próba zawiera bądź nie azot lub siarkę. 1. Jeśli badana substancja nie zawiera azotu ani siarki, wówczas do l cm 3 przesączu dodać kwas azotowy (V) w celu zakwaszenia próbki, a następnie kilka kropel azotanu (V) srebra. Opisać powstający osad, a następnie sprawdzić jego roztwarzanie z rozcieńczonym roztworze amoniaku oraz tiosiarczanie (VI) sodu. 2. Jeśli badana substancja zawiera azot lub siarkę, należy zakwasić l cm 3 przesączu roztworem HNO 3, a następnie roztwór ogrzewać w probówce na łaźni wodnej ok. 10 minut. Tak przygotowaną próbę należy poddać reakcjom jak w punkcie 1. 5