Лабораторная работа № 9

Название: Физико-химические методы анализа и исследования состава сложных смесей органических соединений (спецраздел с элементами УИРС)

Цель работы: ознакомление с основными методами анализа и исследования состава смесей органических соединений – перегонкой и хроматографией.

Опыт 1 Определение фракционного состава нефти или нефтепродукта методом перегонки (УИРС)

Перегонка – процесс разделения летучих веществ с различной температурой кипения или отделения жидких веществ от нелетучих примесей. Для осуществления процесса прямоточной перегонки в лабораторных условиях исследуемую смесь органических соединений (например, нефть или нефтепродукт) нагревают в перегонной колбе 1 (рис. 9.1). По мере повышения температуры присутствующие в смеси индивидуальные соединения начинают испаряться, в результате чего давление паров жидкости сильно возрастает. Когда оно становится равным внешнему давлению, система приходит в состояние термодинамического равновесия (ΔG=0) и жидкость закипает. При дальнейшем повышении температуры равновесие смещается в сторону парообразования. Образующиеся пары поступают в холодильник 4, соединенный посредством насадки 2 с перегонной колбой. Охлаждающая рубашка холодильника подключена к источнику холодной проточной воды. В холодильнике пары конденсируются, образующаяся жидкая фракция стекает в приемник 6. Соединение приемника с холодильником осуществляется с помощью аллонжа 5. Для обеспечения полной герметичности установки соединительные части всех ее элементов снабжены шлифами (притертыми друг к другу поверхностями). Температуру паров определяют с помощью термометра 3, который помещают в верхней части перегонной колбы таким образом, чтобы его ртутный резервуар находился несколько ниже области перехода паров из насадки в холодильник. В этом случае обеспечивается наибольшее соответствие температуры паров и показаний термометра.

1 – перегонная колба, 2 – насадка, 3 – термометр, 4 – холодильник, 5 – аллонж, 6 – приемник

Рис. 9.1 – Установка для прямоточной перегонки

В результате перегонки смеси летучих органических соединений (в т.ч. нефти и нефтепродуктов) получают отдельные фракции, каждая из которых содержит смесь относительно небольшого числа индивидуальных веществ с близкими температурами начала и конца кипения.

При атмосферной перегонке нефти получают светлые, или легкие, фракции, используемые в качестве топлива и органических растворителей (таблица 1.11).

Таблица 1.11

Номер фракции	Название фракции	Температура перегонки фракции, ˚С
1	Первая бензиновая	(30-60) – 180
2	Вторая бензиновая	140 – 180
3	Керосиновая	140 – 220 или 180 – 240
4	Дизельная	180 – 350 или 240 – 350

Мазут, остающийся после отделения светлых фракций, разгоняется при пониженном давлении на темные фракции с т. кип. 350-490 ⁰С, которые используются в качестве масел различного назначения – смазочных, изолирующих, герметизирующих и др.

Фракционный состав нефти является одной из ее важнейших характеристик. Для определения фракционного состава нефти ее разделяют методом перегонки на фракции, выкипающие в диапазоне температур 10 ⁰С.

Дополнительная литература: [6], гл. 1, § 1.1.

Реактивы: нефть или нефтепродукт, содержащие фракции с т. кип. до 200 ⁰С, смазка для стеклянных шлифов.

Посуда и оборудование: установка для перегонки, состоящая из перегонной колбы на 100 см³, дефлегматора, насадки, термометра с диапазоном измерения 0-250 ⁰С, холодильника Либиха, аллонжа и трех колб-приемников на 20-50 см³ (внимание – все стеклянные детали установки должны быть снабжены шлифами!); асбестовая ткань, кипелки (цеолиты, кусочки необожженного фарфора или пористого стекла и т.п.), электроплитка или колбонагреватель, 2 штатива с приспособлениями для закрепления перегонной колбы и холодильника, мерные пробирки или цилиндры на 10 и 25 см³.

Методика проведения опыта: В сухую перегонную колбу помещают 50 см³ нефти или нефтепродукта и несколько кипелок для равномерного кипения. Перегонную колбу закрепляют на небольшой высоте над электроплиткой или закрепляют в колбонагревателе. Собирают установку в соответствии с рис. 1 (Внимание! Все стеклянные шлифы предварительно смазывают специальной смазкой во избежание потерь паровой фазы!). В холодильник пускают водопроводную воду. Перегонную колбу накрывают асбестовой тканью для более эффективного и равномерного нагревания. Включают электроплитку (колбонагреватель), при наличии терморегулятора температуру нагрева постепенно повышают для обеспечения нормального процесса перегонки (от начала нагрева до падения первой капли дистиллята в приемник должно пройти не менее 5 и не более 10 минут. В дальнейшем перегонку ведут со скоростью примерно 2 капли/c).

Отмечают температуру, при которой в приемник падает первая капля дистиллята и вносят ее в таблицу как температуру начала кипения первой фракции. За температуру конца кипения первой и всех последующих фракций принимают ближайшие значения, кратные десяти (т.е., 50, 60, 70, 80 ⁰С и т.д.), после чего начинают отбирать следующую фракцию. Зафиксированные значения температуры, а также объемы каждой полученной фракции, измеренные с помощью мерной пробирки или цилиндра, вносят в таблицу. Перегонку ведут до 180 ⁰С, после чего нагрев прекращают и разбирают установку. Определяют суммарный объем всех полученных фракций. Неперегнанный горячий остаток охлаждают на воздухе, после чего осторожно, с помощью сухого полотенца, переливают в мерный цилиндр и определяют его объем, который вносят в таблицу 1.12. Разность между 50 см³ и суммой объемов фракций и остатка характеризует величину потерь при перегонке, которую также вносят в таблицу 1.12.

Таблица 1.12

№ фракции	Т начала кип, ˚С	Т окончания кип, ˚С	Объем, см³	Выход, % к исходному объему
1
2
3 и т.д.
Сумма всех фракций
Неперегнанный остаток
Потери при перегонке

По полученным данным вычисляют выходы каждой фракции, общий выход всех фракций, выходы неперегнанного остатка и процент потерь.

Вопросы, на которые необходимо ответить при составлении выводов по выполненной лабораторной работе:

1. Какая характеристика нефти (нефтепродукта) определена в проведенном опыте, Каким методом она получена.

2. Какая разновидность перегонки использовалась в данном опыте.

3. Какая конкретная нефтяная фракция и с каким выходом получена в проведенном опыте.

4. Каково назначение полученной нефтяной фракции, в каких целях может быть использован неперегнанный остаток.

5. Объясните причину возникновения потерь при перегонке.

Опыт 2 Исследование состава смеси органических соединений методами хроматографии (УИРС)

Дополнительная литература: [6], гл. 1, § 1.2.

Хроматография – это физико-химический метод разделения и анализа веществ, основанный на распределении компонентов анализируемой смеси между двумя фазами – неподвижной и подвижной, непрерывно протекающей через неподвижную фазу. В зависимости от природы явлений, лежащих в основе разделения, различают адсорбционную, распределительную и осадочную хроматографию. Наиболее распространенной является адсорбционная хроматография, которая основана на неодинаковой адсорбируемости разделяемых веществ на твердой поверхности адсорбента. В этом методе анализируемый образец, представляющий собой смесь различных соединений, под действием потока растворителя или газа-носителя медленно пропускают через слой твердого адсорбента (оксиды кремния, алюминия и др.). По мере продвижения анализируемой смеси она постепенно разделяется на индивидуальные компоненты в зависимости от степени эффективности их адсорбции и десорбции.

Опыт 2А Исследование состава многокомпонентных смесей органических соединений методом газожидкостной хроматографии (УИРС)

В промышленности и научных исследованиях широко применяется газожидкостная хроматография (ГЖХ), которая отличается высокой разделяющей способностью, высокой чувствительностью, быстротой анализа, малым количеством анализируемой пробы и высокой точностью анализа. Анализ методом ГЖХ осуществляют на специальном приборе – хроматографе, который включает хроматографическую колонку (узкую длинную трубку из металла или стекла). Колонка заполнена тонкодисперсным твердым адсорбентом, пропитанным подходящим растворителем. Колонку нагревают до определенной температуры и пропускают через нее анализируемую пробу, вводимую с помощью микрошприца. Проба испаряется в особом устройстве хроматографа – испарителе, после чего происходит ее разделение на индивидуальные вещества. В методе ГЖХ разделение компонентов анализируемой смеси основано на различии в их летучести, геометрической структуре их молекул и интенсивности их взаимодействия с неподвижной фазой. Количественная регистрация разделенных компонентов пробы производится с помощью специального устройства, называемого детектором, сигналы которого записываются на самописце в виде хроматограммы (рис. 9.4).

Рисунок 9.4 – Примерный вид хроматограммы, полученной методом ГЖХ

Эффективность разделения оценивается временем удерживания индивидуальных веществ , за которое принимают время от момента ввода пробы в хроматограф до выхода максимума пика того или иного компонента смеси. Площадь пика вещества на хроматограмме прямо пропорциональна его относительному содержанию в анализируемой смеси, в связи с чем метод ГЖХ является количественным.

Для качественного и количественного определения состава пробы используют т.н. вещества-"свидетели", которые представляют собой чистые соединения установленного строения с известным временем удерживания в условиях выполнения анализа. Сопоставлением времен удерживания и площадей пиков веществ-"свидетелей" и компонентов анализируемой смеси определяют наличие данных веществ в смеси и их содержание в ней.

Для получения объективных количественных данных анализ каждой отдельной пробы проводят не менее трех раз.

В данной лабораторной работе объектом исследования является нефть или нефтепродукт, представляющие собой смесь большого числа различных классов углеводородов и их производных.

Реактивы: образец нефти или нефтепродукта (или их раствор известной концентрации в этаноле), этанол-ректификат, растворы веществ-"свидетелей" (гексан, толуол, н-октан и т.п.) известной концентрации в этаноле.

Посуда и оборудование: газожидкостной хроматограф, микрошприц на 10 мкл для ввода проб, самописец с бумажной лентой.

Методика проведения опыта: Микрошприц несколько раз промывают этанолом, набирают точное количество образца нефти или нефтепродукта (обычно 1-2 мкл) и вводят в заранее включенный и выведенный на рабочий режим хроматограф. Разделяемые компоненты пробы регистрируются самописцем в виде хроматограммы. Анализ повторяют еще 2-3 раза, причем очередную пробу вводят в хроматограф только после выхода всех компонентов анализируемой смеси из блока детектора. Аналогичным образом получают хроматограммы растворов веществ-"свидетелей". Данные о времени удерживания индивидуальных компонентов пробы и площадях их пиков автоматически определяются специальным устройством – интегратором и записываются на хроматограмме для каждого компонента отдельно. При отсутствии интегратора эти характеристики определяются вручную (с помощью линейки).

Сопоставлением времен удерживания и площадей пиков каждого вещества-"свидетеля", полученных в результате хроматографирования его чистого раствора и образца нефти (нефтепродукта), устанавливают наличие (или отсутствие) данного вещества в анализируемом образце и определяют его содержание в образце по формуле:

,

где n_пр и n_св – массовые доли индивидуального вещества соответственно в образце нефти (нефтепродукта) и в его растворе-"свидетеле", S_пр и S_св – площади пиков данного вещества соответственно на хроматограмме образца нефти (нефтепродукта) и на хроматограмме "свидетеля" (средние значения 3-4 определений).

В тетрадь для лабораторных работ записывают основные характеристики режима хроматографирования: марку (тип) хроматографа, температуру испарения пробы, температуру колонки, температуру детектора, газ-носитель и скорость его перемещения в колонке, состав неподвижной фазы, на которой происходит разделение веществ в колонке.

Полученные хроматограммы аккуратно зарисовывают в тетрадь с указанием времен удерживания веществ и площадей их пиков.

Вопросы, на которые необходимо ответить при составлении выводов по выполненной лабораторной работе:

1. Содержание каких соединений в нефти или нефтепродукте позволяет определять данная методика.

2. Какой является эта методика – качественной или количественной.

3. Какая разновидность хроматографии лежит в основе проведенного опыта.

4. Какие поверхностные явления лежат в основе метода хроматографии.

5. Какие индивидуальные соединения и в каком количестве обнаружены Вами в изученном образце.

Опыт 2Б Исследование состава смеси органических соединений методом тонкослойной хроматографии (УИРС)

Одним из наиболее распространенных, эффективных и оперативных методов исследования состава многокомпонентных смесей органических соединений является хроматография в тонком слое адсорбента, или тонкослойная хроматография (ТСХ).

Метод ТСХ, как и любой другой хроматографический метод, основан на явлениях адсорбции и десорбции разделяемых веществ (см. пояснения к опыту 2А) поверхностями твердых тонкоизмельченных адсорбентов. Для разделения анализируемой смеси веществ на отдельные компоненты необходимо воздействие на них дополнительной подвижной фазы (жидкой или газообразной), которую пропускают через слой адсорбента в одном направлении в течение выполнения анализа. Благодаря этому разделяемые компоненты с различной скоростью (в зависимости от соотношения скоростей их адсорбции и десорбции) перемещаются в слое адсорбента в направлении движения подвижной фазы. В методе ТСХ в качестве адсорбента обычно используют тонкий слой высокодисперсных частиц SiO₂ (силикагель) или Al₂O₃, нанесенный на стеклянную, полимерную или алюминиевую пластину. Каплю исследуемого вещества (если оно жидкое) или его раствор в подходящем растворителе наносят микрошприцем на линию старта, расположенную в нижней части пластины (рис. 9.5 «а»), и подсушивают для удаления растворителя. В зависимости от предполагаемого состава анализируемой смеси ее наносят на линию старта тонкослойной пластины несколько раз (на некотором расстоянии друг от друга (рис. 9.5 «а»). Справа от каждой капли раствора анализируемой смеси наносят растворы т.н. соединений-«свидетелей» – индивидуальных веществ установленного строения, для которых известны значения R_f в различных системах хроматографирования и характер окрашивания их пятен при обработке специальными проявителями.

Рисунок 9.5 – Примерный вид тонкослойной пластины

до и после проведения анализа

Затем пластину помещают в специальную герметичную камеру, содержащую элюент – определенный растворитель или смесь растворителей. Анализируемые вещества должны быть нанесены на пластину таким образом, чтобы линия старта была несколько выше уровня элюента. Элюент выполняет роль подвижной фазы, способствующей разделению смеси на компоненты. Для получения объективных и воспроизводимых результатов камера для хроматографирования должна быть насыщена парами элюента. Для ускорения процесса насыщения в камеру помещают лист фильтровальной бумаги (высота листа должна быть равна высоте камеры, а его ширина – примерно 1/2 длины окружности камеры). В процессе хроматографирования элюент постепенно поднимается по тонкослойной пластине, увлекая за собой компоненты анализируемой смеси, при этом по мере увеличения длины пробега растворителя происходит все большее их разделение.

При достижении фронтом растворителя определенной длины пробега (обычно 10 см) пластину достают из камеры и высушивают до полного испарения элюента. Затем наступает завершающая стадия анализа, связанная с обнаружением на тонкослойной пластине разделенных компонентов и их идентификацией. Если компоненты исследуемой смеси интенсивно окрашены, то они обнаруживаются в виде цветных пятен. Однако большинство органических соединений бесцветны, поэтому для их обнаружения тонкослойную пластину «проявляют», т.е. обрабатывают растворами специальных веществ-индикаторов (проявителей). Проявители, в зависимости от строения обнаруживаемых соединений, вступают с ними в те или иные специфические цветные реакции. В результате обработки проявителями разделенные соединения проявляются на пластине в виде пятен различной окраски (рис. 9.5 «б»). Растворы проявителей обычно наносят на тонкослойные пластины распылением с помощью пульверизатора. Для проявления пятен парами иода тонкослойную пластину помещают в герметичную камеру, содержащую небольшое количество кристаллов иода.

Для идентификации обнаруженных соединений используют следующие результаты анализа:

1. Характер проявления соединения и окраска его пятна. После хроматографирования алюминиевую или пластмассовую пластину разрезают на отдельные части, каждую из которых проявляют одним из имеющихся проявителей. Иногда взаимодействие проявителя с определяемыми веществами идет медленно, в этом случае тонкослойную пластину слегка подогревают для ускорения процесса.

Примерный вид подготовленной и проявленной пластины представлен на рис. 9.5 «б».

2. Показатель R_f, который определяется как отношение расстояния, пройденного центром пятна соединения от линии старта, к длине пробега элюента: R_f = l_соед /l_{элюента}. При одинаковых условиях (составе элюента, длине его пробега и температуре) R_f для одного и того же индивидуального соединения имеет постоянную величину.

Наиболее часто используемые проявители и тип определяемых с их помощью соединений приведены в таблице 1.13.

Таблица 1.13

Проявители	Тип определяемых органических соединений	Возможная окраска пятен проявляемых соединений
Подкисленный водный раствор KMnO4	Ненасыщенные соединения (алкены, алкины и их производные). Насыщенные полигидроксизамещенные соединения	От желтой до белой (в зависимости от строения соединения). От слабо-розовой до белой (в зависимости от числа групп ОН в молекуле соединения)
Подкисленный водный раствор 2,4-динитрофенилгид-разина (2,4-ДНФГ)	Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны)	От лимонно-желтой до красной
Водно-спиртовый щелочной раствор бромфенолового синего (БФС)	Карбоновые кислоты	Желтая
Водный раствор FeCl3	Фенолы	Различная (коричневая, темно-желтая, красная и др.)
Пары иода	Все соединения	Различная (белая, коричневая, сиреневая и др.)

Метод ТСХ используется для исследования качественного и количественного состава различных органических веществ, в том числе нефтяных углеводородов и гетероатомных соединений. Разделение смеси углеводородов нефти и их идентификация методом ТСХ представляет собой сложную задачу, т.к. эти соединения вследствие сходства их строения обладают близкими физико-химическими характеристиками, в т.ч. близкими значениями R_f. Данный метод более эффективен для определения нефтяных гетероатомных соединений, которые содержат различные функциональные группы (OH, SH, NH, C=O, COOH и др.), вследствие чего имеют различные значения R_f и по-разному проявляются растворами, приведенными в табл. 3.

Реактивы: 5-10 %-ный раствор (в спирте или другом легколетучем растворителе) модельной смеси органических соединений, содержащей один или несколько труднокипящих предельных и непредельных углеводородов и их производные (фенол, альдегид и карбоновая кислота); растворы проявителей: подкисленный 0,5 %-ный водный раствор KMnO₄, 0,4 %-ный раствор 2,4-динитрофенилгидразина (2,4-ДНФГ) в 2н HCl, раствор бромфенолового синего в водно-спиртовом NaOH, 1 %-ный водный раствор FeCl₃, кристаллы иода (в закрытой стеклянной емкости).

Посуда и оборудование: герметично закрывающаяся стеклянная камера для хроматографирования, содержащая элюент (смесь толуола и этанола в объемном соотношении 10 : 3, либо смесь хлороформа и ацетона в объемном соотношении 1 : 2, либо чистый хлороформ) и листок фильтровальной бумаги; пульверизатор для опрыскивания тонкослойных хроматограмм; набор стандартных тонкослойных пластин на алюминиевой или полимерной основе; микрошприц или тонкие стеклянные капилляры для нанесения растворов на пластины; газожидкостной хроматограф, бумажные фильтры (5 шт.).

Методика проведения опыта:

На тонкослойную пластину с помощью линейки и мягкого карандаша аккуратно наносят линию старта и линию окончания пробега растворителя (см. рис. 9.5 «а»). Внимание! Пластина по ширине не должна превышать внутренний диаметр камеры для хроматографирования! На линию старта в соответствии с рис. 4а с помощью микрошприца или стеклянного капилляра наносят капельки растворов исследуемого образца и веществ-свидетелей. Диаметр капелек на поверхности адсорбента, как правило, не должен превышать 3-4 мм. Расстояние между отдельными каплями не должно быть меньше 1 см. По указанию преподавателя, для увеличения концентрации хроматографируемых веществ, в одну и ту же точку старта можно нанести несколько капель одного раствора (для предотвращения значительного увеличения диаметра капли на адсорбенте каждая последующая капля наносится после улетучивания растворителя).

После улетучивания растворителя из нанесенных капель пластину с помощью пинцета помещают в заранее подготовленную герметично закрытую хроматографическую камеру, содержащую элюент и лист фильтровальной бумаги (линия старта должна быть на 3-5 мм выше уровня элюента), наблюдают за движением элюента вверх по пластине. После достижения фронтом элюента линии окончания пробега пластину вынимают из камеры, высушивают, разрезают на части в соответствии с рис. 9.5 «б», с помощью пульверизатора каждую часть проявляют отдельным проявителем. Внимание! Пульверизатор необходимо тщательно промывать водой перед сменой проявляющего раствора! Для проявления парами J₂ соответствующую часть пластины помещают в камеру с иодом и после проявления пятен вынимают. В связи с неустойчивостью продуктов взаимодействия иода с некоторыми соединениями пятна быстро обводят карандашом и отмечают их окраску. Зарисовывают в тетрадь внешний вид проявленных хроматограмм так, как указано на рис. 9.5 «б». По окраске пятен обнаруженных веществ делают выводы о наличии в их молекулах кратных связей и тех или иных функциональных групп, а также об их принадлежности к определенному классу органических соединений. С помощью линейки определяют величину R_f для каждого обнаруженного соединения.

Вопросы, на которые необходимо ответить при составлении выводов по выполненной лабораторной работе:

1. На каких физико-химических явлениях основывается метод ТСХ.

2. Чем обусловливается разделение компонентов смеси в тонком слое адсорбента.

3. Сколько индивидуальных соединений обнаружено Вами в исследованном образце.

4. Содержат ли они кратные связи и функциональные группы (укажите, какие именно), к каким классам органических соединений они предположительно относятся.

5. Укажите возможные области применения метода ТСХ.