Качественный элементный анализ органических соединений

Федеральное агентство по образованию
Томский государственный архитектурно-строительный
университет
КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ
ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Методические указания к лабораторной работе
Составители О.А. Зубкова, П.В. Зибарев
Томск 2009
Качественный элементный анализ органических соединений: методические указания / Сост. О.А. Зубкова, П.В. Зибарев. –
Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2009. – 11 с.
Рецензент к.б.н., доцент Т.М. Южакова
Редактор Е.Ю. Глотова
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине
СД.12 «Органическая химия» для студентов специальностей 270106
«Производство строительных материалов и конструкций» и 250403
«Технология деревообработки». По дисциплине ЕН.Ф.4 «Химия» для
специальностей 280202 «Инженерная защита окружающей среды» и
280102 «Безопасность технологических процессов и производств»
всех форм обучения.
Печатаются по решению методического семинара кафедры химии № 2 от 11.03.09 г.
Утверждены и введены в действие проректором по учебной работе В.В. Дзюбо
с 01.09.09
до 01.09.14
Оригинал-макет подготовлен авторами.
Подписано в печать.
Формат 60×90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс.
Уч.-изд.л. 0,58. Тираж 100 экз. Заказ №
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
Качественный элементный анализ
органических соединений
Цель работы
Практическое знакомство с методами качественного элементного анализа органических соединений.
Задачи работы
1. Обнаружить углерод и водород способом окисления сахарозы оксидом меди (ІІ).
2. Обнаружить азот сплавлением вещества с металлическим натрием.
3. Определить серу сплавлением органического вещества
с металлическим натрием.
4. Определить галогены в органическом веществе путем
внесения медной проволоки, предварительно смоченной галогенсодержащим органическим веществом, в пламя горелки.
Реактивы и оборудование
Сахароза, оксид меди (ІІ) – порошок; известковая (или баритовая) вода – насыщенный раствор гидроксида кальция или
бария; безводный сульфат меди (ІІ) – свежепрокаленный; мочевина; тиомочевина; металлический натрий; этиловый спирт;
5 %-й раствор сульфата железа (ІІ); 1 %-й раствор хлорида железа (ІІІ); 10 %-я соляная кислота; спиртовый раствор фенолфталеина; 2 %-й раствор ацетата свинца; раствор едкого натрия;
2 %-й раствор нитропруссида натрия (свежеприготовленный);
уксусная кислота; йодоформ или хлороформ; концентрированная азотная кислота; 1 %-й раствор нитрата серебра; изогнутые
газоотводные трубки с пробками для пробирок; вата; горелка;
спички; медная проволока; фильтровальная бумага; стеклянные
палочки; пинцеты; пипетки.
Оcновные сведения
В органических соединениях, кроме углерода и водорода,
могут содержаться кислород, азот, сера, галогены, фосфор
и другие элементы. Качественный анализ позволяет установить, какие элементы входят в состав исследуемого вещества.
Принцип данного метода заключается в том, что органическое
соединение разлагают таким образом, чтобы исследуемые элементы перешли в состав неорганических веществ. Например,
для обнаружения углерода и водорода органическое соединение
сжигают, а образование диоксида углерода СО2 и воды определяют по помутнению раствора Са(ОН)2 и наличию капель воды
на стенках пробирки, в которой проводилось сожжение. Азот
в органическом веществе определяют путем сплавления азотсодержащего вещества (например, мочевины, анилина, ацетамида
и др.) с металлическим натрием, вследствие этого происходит
разложение вещества с образованием цианида натрия. Для обнаружения цианида натрия используют реакцию получения
берлинской лазури. Серу в органическом веществе определяют
сплавлением вещества (например, тиомочевины, сульфаниловой кислоты, белого стрептоцида, сухого белка и т. д.) с металлическим натрием. Галоген в органическом веществе определяют по методу Бейльштейна. Для этого на предварительно
прокаленную в пламени горелки медную проволочку наносят
каплю определяемого раствора и затем ее снова помещают
в пламя. При наличии галогена немедленно появляется яркозеленая окраска пламени.
Для получения полной информации о составе и строении
органических веществ наряду с классическими химическими
методами анализа применяют и специальные – физикохимические методы исследования.
Эти методы позволяют быстро, а главное, с большой точностью установить самые тонкие особенности в строении органических соединений. Преимущества этих методов очевидны,
с их помощью получают информацию о взаимном расположении атомов в молекуле и об их взаимодействии; химические методы такой информации не дают, так как они связаны или
с превращениями веществ, или с их разрушением.
Важнейшими из физико-химических методов являются:
оптическая спектроскопия (в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях), ядерный магнитный резонанс (ЯМР),
хроматография, масс-спектрометрия, рентгеноструктурный
анализ и др.
Порядок выполнения работы
Опыт 1. Открытие углерода и водорода сожжением
вещества с окисью меди
Для проведения опыта в пробирку 1 (рис. 1) насыпают
1–2 г порошка оксида меди (ІІ) и 0,2–0,3 г сахарозы (С12Н22О11).
Оксид меди необходимо взять в избытке для того, чтобы сахароза была полностью окислена. Эту смесь перемешивают
и сверху дополнительно насыпают примерно 0,5–1 г оксида меди. В верхнюю часть пробирки помещают небольшой комочек
ваты, на который насыпают немного обезвоженного сульфата
меди (ІІ). Пробирку 1 закрывают пробкой с газоотводной трубкой. При этом конец трубки должен почти упираться в вату
с сульфатом меди (ІІ). Свободный конец газоотводной трубки
помещают в пробирку 4 с известковой или баритовой водой.
Сначала прогревают всю пробирку, а потом сильно нагревают
часть пробирки с реакционной смесью.
Какие вещества образуются при сожжении сахарозы с оксидом меди? Запишите уравнение реакции окисления С12Н22О11.
Какие изменения происходят с сульфатом меди и известковой
водой, о чем они свидетельствуют? Напишите уравнения реакций. Какой можно сделать вывод?
Рис. 1. Прибор для обнаружения углерода и водорода
в органическом веществе:
1 – сухая пробирка со смесью сахарозы и оксида меди (II); 2 – вата;
3 – безводный сульфат меди; 4 – пробирка с известковой водой.
Опыт 2. Открытие азота в органическом веществе
сплавлением вещества с металлическим натрием
В сухую пробирку вносят несколько кристаллов мочевины
H2N–CO–NH2 и небольшой кусочек металлического натрия
(с небольшую горошину), предварительно очищенного и высушенного фильтровальной бумагой. Вместо мочевины можно
взять другое органическое вещество, содержащее азот, например анилин, ацетамид, яичный белок и др. Смесь осторожно нагревают в пламени горелки (тяга, защитные очки). Сначала
нагревают натрий до его расплавления, а затем пробирку поворачивают вертикально, чтобы капля разогретого натрия упала
на мочевину. Происходит вспышка, и в результате химической
реакции образуется цианид натрия (NaCN). После вспышки
пробирку нагревают до красного каления еще 1–2 мин. После
охлаждения пробирки на воздухе в нее добавляют 3–5 капель
этилового спирта для удаления остатков металлического натрия. Выразите химическим уравнением процесс образования
этилата натрия. Затем в пробирку приливают 1,5 мл дистилли-
рованной воды и нагревают ее до полного растворения плава
при помешивании стеклянной палочкой. На этом этапе цианид
натрия переходит в раствор, который затем переливают в другую пробирку (при необходимости его фильтруют через маленький складчатый фильтр). Если органическое вещество разложилось частично, то жидкость будет окрашена в бурый цвет.
В этом случае плавление исследуемого вещества с металлическим натрием необходимо повторить.
В отдельной пробирке делают пробу на жидкость, добавляя к ней каплю спиртового раствора фенолфталеина. Появляется малиново-красное окрашивание. Это говорит о том, что
в растворе образовалась щелочь.
К фильтрату добавляют 2–3 капли 5 %-го раствора сульфата железа (ІІ) и 1 каплю 1 %-го раствора хлорида железа (ІІІ).
Что вы наблюдаете? Запишите уравнения реакций, происходящих на данном этапе эксперимента. В случае избытка цианида
натрия в растворе будет образовываться гексацианоферрат (ІІ)
натрия Na4[Fe(CN)6].
Fe(OH)2 + 6 NaCNизб = Na4[Fe(CN)6] + 2 NaOH.
После перемешивания содержимого пробирки его подкисляют 10 %-й соляной кислотой (несколько капель). Что происходит со смесью осадков гидроксидов железа (II) и (III)? Какое
образуется соединение? По каким признакам вы это поняли?
Берлинская лазурь образуется при взаимодействии гексацианоферрата (ІІ) натрия с хлоридом трехвалентного железа, который
появляется только в кислой среде:
3 Na4[Fe(CN)6] + 4 FeCl3 = Fe4[Fe(CN)6]3 + 12 NaCl.
В щелочной среде обычно содержится недиссоциированный гидроксид железа (ІІІ). Необходимо отметить, что, если
берлинской лазури образуется очень мало, то раствор окрашивается в зеленый цвет, переходящий в синий при длительном
стоянии. Сделайте вывод о способе открытия азота.
Опыт 3. Открытие серы в органическом веществе
сплавлением вещества с металлическим натрием
Принцип этого способа состоит в том, что при сплавлении
металлического натрия с изучаемым органическим веществом
происходит его разложение, и выделяющаяся сера образует
с натрием соответствующий сульфид:
H2N–CS–NH2 + Na → Na2S + …
Далее сульфид-ион S2– обнаруживают обычными качественными реакциями.
Ход работы
В сухую пробирку помещают несколько крупинок тиомочевины (или сульфаниловой кислоты, белого стрептоцида, сухого белка т. д.) и кусочек металлического натрия с блестящей
поверхностью размером с небольшую горошину. Далее проводят сплавление (тяга, защитные очки) так, как было описано
в опыте 2 (определение азота). Полученный раствор, содержащий сульфид натрия, разливают в три пробирки.
В первую пробирку добавляют несколько капель уксусной
кислоты, а затем приливают 0,5 мл 2 %-го раствора ацетата
свинца. Что вы наблюдаете? Какое образовалось соединение?
Если образуется коллоидный раствор, то его нагревают. Запишите уравнение реакции.
Во вторую пробирку приливают 0,5 мл 2 %-го раствора
нитропруссида натрия Na2[Fe(CN)5NO]. Наблюдается изменение окраски с желтой на красно-фиолетовое окрашивание раствора, которое постепенно переходит в бурое. Эта реакция значительно чувствительнее реакции с ацетатом свинца.
Na2S + Na2[Fe(CN)5NO] = Na4[Fe(CN)5NOS].
В третью пробирку с раствором добавляют 10 %-ю соляную кислоту. Что вы наблюдаете? Напишите уравнение реакции. Сделайте вывод по данному опыту.
Опыт 4. Определение галогенов в органических веществах
Реакция Бейльштейна на галогены
Для опыта необходимо взять медную проволоку с петлей
на конце. Конец проволоки прокаливают в бесцветном пламени
горелки до прекращения окрашивания пламени и образования
на поверхности черного налета оксида меди (ІІ). Запишите
уравнение реакции образования оксида меди. Остывшей на воздухе петлей набирают несколько крупинок йодоформа или смачивают хлороформом, а затем снова вносят в пламя газовой горелки. Что вы наблюдаете? Для очистки проволоку смачивают
соляной кислотой и прокаливают. Запишите уравнение реакции
взаимодействия йодоформа с оксидом меди. В конце опыта
сделайте вывод.
Метод Степанова (определение галогенов действием
металлического натрия на спиртовой раствор органического
вещества)
Чтобы определить галоген в органическом веществе методом Степанова, его восстанавливают в момент выделения водородом. Галоген отщепляется в виде аниона, и открыть его
можно с помощью качественной реакции с нитратом серебра.
Ход работы. В пробирку наливают 2–3 мл этилового
спирта и добавляют несколько крупинок йодоформа или другого галогенсодержащего органического вещества (тетрахлорид
углерода, хлороформ и др.) В полученную смесь вносят кусочек металлического натрия величиной с небольшую горошину.
Начинается энергичная реакция. Сначала происходит взаимодействие между этиловым спиртом и металлическим натрием,
в результате выделяется водород. Определить его можно, если
поднести горящую лучину к отверстию пробирки. Что вы наблюдаете? Часть водорода в момент выделения участвует в восстановлении йодоформа. После окончания выделения водорода
и полного растворения натрия к реакционной смеси добавляют
2 мл дистиллированной воды. Избыток алкоголята натрия реа-
гирует с водой с образованием гидроксида натрия. Выразите
химическими уравнениями взаимодействие этилового спирта
с металлическим натрием, восстановление йодоформа и образование гидроксида натрия.
Необходимо отметить, что образующаяся йодоводородная
кислота в процессе восстановления йодоформа взаимодействует
с алкоголятом натрия, в результате чего образуется йодид натрия. Выразите происходящий процесс уравнением реакции.
После того, как добавили воду, получился щелочной раствор,
который подкисляют несколькими каплями концентрированной
азотной кислоты (контроль по лакмусовой бумаге) и к кислому
раствору добавляют несколько капель 1 %-го раствора нитрата
серебра. Происходит качественная реакция между йодидом натрия и нитратом серебра, с помощью которой открываем галоген в виде аниона (в составе йодида серебра). Что вы наблюдаете при этом, напишите уравнение происходящей реакции. Необходимо помнить, что при выполнении опыта нельзя брать избыток йодоформа, так как йодоформ, не прореагировавший
с водородом, при разбавлении реакционной смеси водой дает
стойкую белую эмульсию, которая в дальнейшем будет маскировать появление йодида серебра при проведении качественной
реакции с нитратом серебра.
Контрольные вопросы
1. Какие физико-химические методы исследования вы
знаете?
2. Что такое качественный элементный анализ?
3. По каким признакам можно определить присутствие
в органическом веществе углерода и водорода при сожжении
сахарозы?
4. Объясните последовательно, как происходит определение азота в органическом веществе? Поясните процессы, проис-
ходящие в ходе опыта уравнениями реакций.
5. Объясните способ открытия серы в органическом вешестве. Напишите уравнения химических реакций.
6. Какие способы определения галогенов в органических
веществах вы знаете? Напишите уравнения реакций.
Список рекомендуемой литературы
1. Артеменко, А.И. Органическая химия: учеб. для строит. спец. вузов / А.И. Артеменко. – 5-е изд., испр.– М.: Высш.
шк., 2005. – 605 с.
2. Иванов, В.Г. Практикум по органической химии: учеб.
пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / В.Г. Иванов,
О.Г. Гева, Ю.Г. Гаверова. – М.: Академия, 2002. – 288 с.
3. Нейланд, О.Я. Органическая химия: учеб. для хим.
спец. вузов / О.Я. Нейланд. – М.: Высш. шк., 1990. – 751 с.