Лабораторна робота 3

ЯКІСНИЙ ЕЛЕМЕНТНИЙ АНАЛІЗ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

До складу органічних сполук, окрім вуглецю і водню, часто входять кисень і азот. Молекула органічної речовини може містити й інші елементи (сірку, галогени, фосфор та ін.).

Для визначення елементів у складі органічних сполук їх необхідно перевести в органічні сполуки, для подальшого дослідження яких використовуть методи звичай-ного якісного аналізу. Наприклад, спеціальними методами вуглець переводять в діоксид вуглецю, водень - у воду, азот - в ціанистий натрій, сірку - в сульфід натрію і т.д.

Розглянемо визначення вуглецю, водню, азоту, сірки і галогенів. Для виз-начення кисню не використовують якісні реакції. Про його присутність найчастіше су-дять за даними кількісного аналізу.

Дослід 3.1. Визначення вуглецю пробою на обвуглювання

Присутність вуглецю в багатьох органічних речовинах можна спостерігати по обвуглюванню речовини при обережному прожарюванні.

На кінчик скальпеля або кришку тигля вміщують декілька кристалів глюкози (цукру) і обережно нагрівають у полум’ї пальника. Глюкоза розплавляється, темніє і загоряється. На скальпелі зостається обвуглена чорна маса - вуглець. Отже, глюкоза є органічною ре­човиною.

На кінчик скальпеля вміщують крупинку казеїну і обережно нагрівають у полум’ї пальника. Казеїн спучується, обвуглюється і загоряється. На кінчику скальпеля зостається чорна маса - вуглець. Отже, білки є органічними речовинами. При згорянні білків відчувається характерний запах спаленого волосся. Іноді обвуглювання спостерігається також при дії на органічні речовини (цукор, крохмаль, клітковину, спирти тощо) водонагрівальних речовин, наприклад, концентрованої сірчаної кислоти. Особливо сильно обвуглювання проявляється при нагріванні. При цьому обвуглювану дію проявляє навіть розбавлена сірчана кислота.

На шматочок фільтрувального паперу (клітковини) вміщують краплю розчину сірчаної кислоти. Після висихання на папері не залишається сліду. Обережно піді-грівають папір над полум’ям пальника. Ділянка фільтрувального паперу, який змочу-вали сірча­ною кислотою, обвуглюється раніше, ніж чистий папір. Отже, і клітковина належить до органічних речовин.

Проба на обвуглювання - це тільки допоміжний спосіб визначення вуглецю у досліджуваному розчині, бо вона достовірна тільки при наявності обвуглювання; якщо обвуглювання не виникає, то це не дає права робити висновок про відсутність вуг-лецю в речовині, тому що ряд речовин не може обвуглюватись звичайним способом. Деякі органічні речовини випаровуються раніше, ніж встигають обвуглитися; інші (сечовина, фталевий ангідрид) сублімують. Тому найбільш загальним методом визна-чення вуглецю і одночасно з ним водню є згоряння органічної речовини в суміші з окисником, в ролі якого ви­користовують дрібний порошок оксиду міді.

Визначення вуглецю і водню спаленням речовини з оксидом міді (II)

Принцип методу полягає в тому, що при прожарюванні речовини, змішаної з чорним порошком оксиду міді (II) CuО, вуглець, згоряючи за рахунок кисню, дає оксид вуглецю (IV), а водень речовини утворює воду. Оксид міді (II) при цьому частково відновлюється до металічної міді.

Схематично процес можна виразити таким чином:

(С...Н...) + 3CuО ® CO₂ + H₂O + 3Cu

Практично завжди беруть надлишок оксиду міді для того, щоб речовина повністю згоріла і не було нестачі вуглецю у вигляді оксиду вуглецю (II), який не утворює осаду з баритовою водою.

Для встановлення наявності СО₂ використовують відому реакцію з баритовою водою, яка дає білий осад карбонату барію при пропусканні крізь неї оксиду вуглецю (IV):

Для визначення присутності води використовують безводний сульфат міді. Білий порошок безводного сульфату міді CuSO₄ синіє при попаданні на нього води, яка перетворює його в синій кристалогідрат

CuSO₄+ 5Н₂О = CuSO₄ × 5Н₂О (мідний купорос)

білий синій

Для проведення експерименту в пробірку (рис. 3.1) насипають чорний порошок оксиду міді на висоту близько 10 мм. Додають лопаточку сахарози і ретельно перемішують, енер­гійно струшуючи пробір-ку. В верхню частину пробірки 1 вводять у вигляді проб-ки невеликий жмутик вати, на яку насипають тонкий шар білого порошку - зневодненого мідного купо-росу. Закривають пробірку 1 пробкою з газовідвід- ною трубкою. При цьому кінець трубки повинен майже впиратися у вату з CuSO4. Нижній кінець трубки вмі-

Рис. 3.1. Визначення вуглецю і водню

щують у пробірку 2, попередньо наливши в неї близько 5 мл баритової води.

Пробірку 1 нагрівають на полум’ї пальника. Якщо пробка щільно закриває про-бірку, то через декілька секунд із газовідвідної трубки почнуть виходити бульбашки газу. Як тільки баритова вода ста­не каламутною внаслідок виділення білого осаду BaCO₃, пробірку 2 слід вийняти. Тримаючи за газовідвідну трубку, продовжують нагрівати пробірку 1 по всій довжині до вати, доки пари води не досягнуть білого порошку зневодненого мідного купоросу, який знаходиться на ватному тампоні, і не викличуть посиніння його внаслідок утворення кристалогідрату CuSO₄ × 5H₂O. Якщо взяти дуже великий шматок вати, вона поглине пари води, які виділяються, і посиніння може не відбутися.

Встановивши наявність СО₂ і Н₂О, визначають в розчині вуглець і водень. Вказані елементи не містилися в добавленому оксиді міді, а отже, вони могли знаходитись тільки в органічній речовині, яку брали для аналізу.

Цей же принцип лежить в основі кількісного елементного аналізу органічних речовин з тією різницею, що береться певна наважка досліджуваної речовини і, крім того, визначається маса утворених СО₂ і Н₂О. На основі отриманих даних роз-раховують спочатку процентний вміст вуглецю і водню в речовині, а потім, після визначення молекулярної маси, виводять найпростішу, так звану елементну формулу речовини.

Дослід 3.2. Визначення азоту сплавленням речовини з металічним натрієм

В суху пробірку поміщують 5-10 мг сечовини (кілька кристаликів) і вносять невеликий шматочок металічного натрію. Суміш обережно нагрівають в полум’ї паль-ника до сплавлення сечовини з натрієм. При цьому іноді спостерігається слабкий спалах.

Після охолодження в пробірку зі сплавом додають 3 краплі етилового спирту для усунення залишків металічного натрію, який реагує зі спиртом не так бурхливо, як з водою. При цьому утворюється алкоголят натрію і виділяється водень.

2С₂Н₅ОН + 2Na ® 2C₂H₅ONa + H₂­

Потім в пробірку додають 5 крапель води і нагрівають на полум’ї пальника. За допомогою піпетки переносять розчин ціанистого натрію, що утворився, на предметне скло, додають краплю залізного купоросу і краплю хлориду заліза (III), які в присутності лугу, що утворився при реакції алкоголята натрію з водою

С₂Н₅ОNa + HOH ® C₂H₅OH +NaOH,

дають зелений Fe(OH)₂ і жовтий Fe(OH)₃ осади. Якщо в розчині є надлишок ціанисто-го натрію, то утворюється гексаціаноферат -(II) натрію Na₄[Fe(CN)₆].

Наносять піпеткою на фільтрувальний папір (30´30 мм) краплю каламутної рідини. Після того як крапля вбереться, на це ж місце на­но­сять краплю соляної кислоти.

Хімізм процесу:

Na + [C] + [N] ® NaCN

FeSO₄ +2NaOH ® Fe(OH)₂ + Na₂SO₄

FeCl₃ + 3NaOH ® Fe(OH)₃ +3NaCl

2NaCN + FeSO₄ ® Fe(CN)₂ +Na₂SO₄

Fe(CN)₂ + 4NaCN ® Na₄[Fe(CN)₆]

гексаціаноферат-(II)

натрію

Утворений комплекс з солями заліза (III) може дати синій осад - берлінську лазур. Одначе луг, присутній в розчині, зв’язує іони Fe³⁺ в гідроксид заліза (III). Тому берлінська лазур може утворюватися тільки після розчинення гідроксиду в кислоті:

Fe(OH)₃ + 3HCl ® FeCl₃ + 3H₂O

3Na₄[Fe(CN)₆] + 4FeCl₃ ® Fe[Fe(CN)₆]₃ +12NaCl

берлінська лазур

При проведенні досліду необхідно звернути увагу на те, щоб натрій не плавив-ся окремо від речовини, бо навіть при наявності в ре­човині азоту ціанистий натрій не утворюється і дослід буде невдалим.

Дослід 3.3. Визначення сірки сплавленням речовини з металічним натрієм

В суху пробірку вміщують досліджувану речовину, наприклад, білий стрептоцид або сульфанілову кислоту (декілька крупинок - 5-6 мг) і вносять невеликий шматочок металічного натрію. Тримаючи пробірку вертикально, нагрівають суміш до червоного кольору, щоб натрій плавився з речовиною. Потім пробірку зі сплавом охолоджують і додають в неї 3 краплі етилового спирту для вилучення залишку металічного натрію. Після закінчення виділення бульбашок газу (водню) сплав розчиняють в 5 краплях дистильованої води.

Складають разом два шматочки фільтру-вального паперу 30´30 мм і на його протилежні кути піпеткою наносять по 2 краплі темної рідини (рис. 3.2). Верхній фільтрувальний папір слугує фільтром, крізь який пропускають розчин сульфі-ду натрію, звільняючи його від часток вугілля, яке утворюється при обвуглюванні речовини. На ниж-ньому фільтрувальному папері зостаються дві безбарвні плями. На одну з них наносять краплю розчину оцтовокислого свинцю: миттєво з’явля-ється коричневе забарвлення від утвореного сульфіду свинцю. На другу пляму наносять крап-

Рис. 3.2. Визначення сірки кра- пельним методом: а – проба з (СН3СОО)2Рb; б – проба з нітропрусидом натрію

лю розчину нітропрусиду натрію Na₂[Fe(CN)₅NO]: в ту ж мить з’являється червоно-фіолетове забарвлення, яке поступово змінює свій колір. Ця ко­льорова реакція на іон S^2- зумовлена утворенням комплексної солі складу Na₄[Fe(CN)₅(NO)S].

Хімізм процесу:

2Na + [S] ® Na₂S

Na₂S + (CH₃COO)₂Pb ® PbS +2CH₃COONa

Na₂S + Na₂[Fe(CN)₅NO] ® Na₄[Fe(CN)₅(NO)S]

Дослід 3.4. Визначення хлору за зеленим забарвленням полум’я

(проба Бельштейна)

Галогени найчастіше відкриваються за Бельштейном - прожа­рюванням орга-нічної речовини з оксидом міді в полум’ї пальника.

Мідний дріт довжиною 10 см з петлею на кінці прожарюють у полум’ї пальника до зникнення стороннього забарвлення полум’я (ознака відсутності забруднення мідної петлі). Петлю, яка охолола і вкрилася чорним нальотом оксиду міді, опускають в пробірку з однією-двома краплями дослідної речовини, наприклад, хлороформу, і знову вносять у полум’я пальника.

При прожарюванні кисень оксиду міді окислює вуглець і водень органічної речовини в діоксид вуглецю і воду, мідь же утворює з га­логеном леткі сполуки, які й надають полум’ю пальника зеленого кольору. Поява зеленого забарвлення вказує на присутність в органічній сполуці галогену.

Хімізм процесу:

2СНСI₃ + 5CuO ® CuCl₂ +4CuCl +2CO₂ +H₂O

Щоб очистити дріт, його змочують соляною кислотою і знову прожарюють.

Таким чином, для визначення галогенів органічну речовину руйнують. При цьому галогени переходять в неорганічні солі, які мо­жуть бути встановлені звичайними іонними реакціями.

Дослід 3. 5. Визначення хлору дією металічного натрію на спиртовий розчин органічної речовини.

(метод А. В. Степанова)

У пробірку вміщують 3 краплі етилового спирту та збовтують. Потім вводять у розчин шматочок металічного натрію величиною з сірникову голівку. Суміш в пробірці починає бурхливо кипіти, й для охолодження пробірку занурюють в холодну воду. Рідина в пробірці мутнішає або з неї випадає осад погано розчинного в спирті хлориду RCI. По закінченні виділення пухирців гідрогену перевіряють, чи повністю розчинився металічний натрій. Якщо натрій розчинився, до суміші приливають 3-4 краплі дистильованої води й додають розведену нітратну кислоту до кислої реакції. Потім додають 2-3 краплі розчину нітрату срібла ─ випадає драглистий осад хлориду срібла.

Хімізм процессу:

C₂H₅OH + Na → C₂H₅ONa + H

етилат натрію

RCI + 2 H → R ─ H +HCl

вуглеводень

R ─ Cl + C₂H₅ONa → R ─ O ─ C₂H₅ + NaCl

простий ефір

HCl + C₂H₅ONa → C₂H₅OH + NaCl

NaCl + AgNO₃ → AgCl + NaNO₃

Реакцію утворення нерозчинних срібних солей галогеноводневих кислот при дії азотнокислого срібла безпосередньо не можна використовувати для визначення галогену в органічних з'єднаннях, бо вони не дисоціюють на іони й у розчині немає іонів галогену. Небхідно спочатку перевести галоген в неорганічне з'єднання ─ в даному випадку хлорид натрію. При дії гідрогену в момент виділення відбувається відщеплення галогену.

3.6. Якісне визначення фосфору

У маленьку (25 мл) колбу К'єльдаля вміщують 0,1 г досліджуваної речовини, 4 мл концентрованої сульфатної кислоти та 1 мл 100%-ної кислоти. Суміш нагрівають до появи парів SO₂. Охолоджують. Додають 1 мл 100%-ної нітратної кислоти. Знову нагрівають. Операцію повторюють, доки розчин не знебарвиться й стане прозорим. Все змивають дистильованою водою в склянку й розводять 8 мл розчину, що проготовлений змішуванням 3 мл 96%-ної сульфатної кислоти в 100 мл нітратної кислоти (1:1). Нагрівають до 80-90°С. Доливають 10 мл розчину молібдату амонію. При наявності в речовині фосфору випадає жовтий осад фосформолібдату амонію (виявлення маскується присутністю миш'яку).

Розчин молібдату амонію (NH₄)₆Mo₇O₂₄· 4 H₂O готують, змішуючи 100 мл 5%-ного розчину молібдату із 100 мл 10 н. сульфатної кислоти.

Контрольні запитання

1. Як визначається наявність вуглецю в органічній сполуці?

2. Поясніть принцип методу відкриття вуглецю і водню спален­ням речовини з оксидом міді. Напишіть рівняння реакції.

3. Поясніть хімізм процесу сплавлення сірки з металічним натрієм.

4. Як відкривають галогени за Бельштейном?