2928
.pdf
20
Следует отметить, что, хотя карбоновые кислоты слабее неорганических типа HCI, H2SO4 и др., работа с ними (особенно с ледяной уксусной) требует соблюдения правил по технике безопасности при работе с кислотами. Производные кислот, особенно сложные эфиры, обладают характерным запахом, легко воспламеняются, работа с ними должна проводиться в вытяжном шкафу.
Опыт 21. Свойства уксусной кислоты
а) Налейте в пробирку (закрепленную в штативе) 2-3 мл уксусной кислоты и поместите в нее немного магния. Подожгите выделяющийся газ. Что наблюдаете? Составьте уравнение реакции.
б) Насыпьте в чистую пробирку немного окиси меди и прилейте уксусной кислоты. Нагрейте пробирку. Каков цвет раствора? Составьте уравнение реакции.
в) В пробирку с раствором углекислого натрия прилейте 2-3 мл уксусной кислоты. Что происходит? Почему идет реакция уксусной кислоты с солями угольной кислоты? Будет ли реагировать уксусная кислота с солями серной и соляной кислот? Составьте уравнения реакций взаимодействия уксусной кислоты с карбонатом натрия.
Свойства муравьиной кислоты
Опыт 22. Окисление муравьиной кислоты оксидом серебра
В пробирку с газоотводной трубкой налейте 1-2 мл азотнокислого серебра и добавьте по каплям разбавленный раствор аммиака до растворения образовавшегося осадка. Затем прилейте немного муравьиной кислоты. Приготовьте вторую пробирку с известковой водой. Закройте пробирку с муравьиной кислотой пробкой с газоотводной трубкой и нагрейте ее. Газоотводная трубка должна быть при этом погружена в известковую воду.
Что происходит в пробирках? Почему? Напишите уравнения реакции взаимодействия гидроксида аммония с азотнокислым серебром, окисления муравьиной кислоты и взаимодействия двуокиси углерода с гидроксидом кальция.
21
Опыт 23. Образование уксуснокислого железа
В одну пробирку налейте 2-3 мл уксусной кислоты, в другую 2-3 мл уксуснокислого натрия и прибавьте в каждую пробирку по несколько капель раствора хлорного железа. В пробирке с уксуснокислым натрием появляется темно-красное окрашивание, характерное для уксуснокислого железа. Почему не появляется темно-красное окрашивание в пробирке с уксусной кислотой? Напишите уравнения реакций.
Опыт 24. Окисление щавелевой кислоты
В пробирку поместите несколько кристаллов щавелевой кислоты, добавьте 0,5 мл 10 %-го раствора серной кислоты и 0,5 мл раствора KMnO4. Осторожно нагрейте смесь до начала кипения, при этом окрашенная перманганатом жидкость обесцвечивается. Что происходит со щавелевой кислотой? Подберите коэффициенты в окислительно-восстановительной реакции по методу электронного баланса:
СООН
+ KMnO4 + H2SO4 = K2SO4 + MnSO4 + CO2 + H2O.
СООН
Лабораторная работа № 7
ОКСИКИСЛОТЫ. ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ
Кислородосодержащие соединения, с которыми вы ознакомились в предыдущих работах, содержат функциональные группы одного типа. В данной работе предстоит изучить особенности соединений, в которых присутствуют несколько различных функциональных групп. Такие вещества называются соединениями со смешанными функциями. Например, в оксикислотах (молочной, яблочной, лимонной) одновременно содержатся спиртовая и карбоксильная группы. Обратите внимание, что химические свойства таких соединений складываются не только из реакций, характерных для каждого типа функциональных групп, но и реакций особых. Последние зависят от взаимного расположения спиртовой и кислотной групп.
В ряду оксикислот проявляется пространственная изомерия, причиной которой является присутствие в молекулах асимметрического атома углерода и,
22
следовательно, асимметрия всей молекулы. Научитесь определять асимметрические атомы углерода, в которых все четыре заместителя различны. Необходимо также правильно определять число стереоизомеров, усвоить различия в конфигурации D- и L- оптических антиподов. Обратите внимание на сходство химических свойств и различную физиологическую активность этих веществ, играющих важную роль в жизненных процессах. Многие реакции в живых организмах протекают лишь с участием веществ с определенной пространственной конфигурацией. Поэтому организм усваивает или вырабатывает в процессе жизнедеятельности вещества, являющиеся оптическими изомерами.
Опыт 25. Образование кислой и средней калиевых солей винной кислоты
К 1 мл водного раствора винной кислоты добавляют каплю раствора фенолфталеина и приливают по каплям раствор едкого калия при постоянном перемешивании. Довольно быстро, еще при кислой реакции смеси, выпадает обильный кристаллический осадок. При дальнейшем введении щелочи осадок постепенно растворяется и при достижении щелочной реакции исчезает.
Раствор разделяют на две части и одну оставляют для опыта № 26. Ко второй части раствора добавляют по каплям разбавленную серную кислоту. При этом снова выделяется осадок или муть, исчезающие при дальнейшем добавлении кислоты.
Многие соли винной кислоты (тартраты) хорошо растворимы в воде, но кислая калиевая соль малорастворима. Напишите реакции образования кислой и средней соли винной кислоты. Какие реакции происходят при добавлении к средней калиевой соли винной кислоты серной кислоты? Запишите уравнения этих реакций.
Опыт 26. Взаимодействие виннокислой соли с гидроксидом меди
Осаждают в пробирке голубой гидроксид меди, действуя на 0,5 мл сульфата меди небольшим избытком раствора щелочи. Затем добавляют раствор средней виннокислой соли (из опыта № 25). Гидроксид меди растворяется и образуется прозрачная темно-синяя жидкость.
Химизм реакции
Благодаря наличию в молекуле виннокислой соли двух соседних гидроксильных групп с относительно подвижными атомами водорода, эта соль об-
23
разует с гидроксидом меди в щелочной среде растворимые комплексные соединения типа алкоголятов многоатомных спиртов.
|
СООК |
|
СООК |
|
|
СООК |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Н |
.О ––– |
|
|
|
СНОН |
|
НС –––О |
. . |
. . |
|
СН |
|||
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
+ Сu(ОН) |
2 |
|
|
|
2 |
|||
|
|
|
|
Сu |
|
|
+ 2 Н О. |
|||
|
|
СНОН |
|
НС ––О. |
Н |
О ––– СН |
||||
|
СООК |
|
|
СООК |
|
|
СООК |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Эти соединения, содержащие двухвалентную медь, легко окисляют многие альдегиды и сахара с выделением в осадок меди (+1), а частично даже металлической меди, что используется для количественного определения сахаров.
Для этой цели наиболее часто применяется смешанная калиевонатриевая соль винной кислоты, из которой по реакции с гидроксидом меди (+2) получают реактив, называемый фелинговой жидкостью. Напишите уравнение данной реакции.
Опыт 27. Определение удельного оптического вращения плоскости поляризации растворов оптически активных веществ
Органические соединения, имеющие асимметрический атом углерода, обладают оптической активностью, т. е. способны вращать плоскость поляризованного света. Для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными растворами или жидкостями пользуются прибором, называемым поляриметром.
Вданной работе используется круговой поляриметр СМ.
Вполяриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на три части поля зрения. Свет от матовой электрической лампы, пройдя через конденсор и поляризатор, средней частью пучка проходит через кварцевую пластинку, оранжевое защитное стекло и анализатор, а двумя крайними частями пучка – только через оранжевое защитное стекло и анализатор. Вид поля зрения прибора представлен на рис. 3.
Уравнивание тройного поля зрения производится путем вращения анализатора вокруг горизонтальной оси. Если между анализатором и поляризатором ввести трубку с оптически активным раствором, то равенство яркостей
24
всех частей поля зрения, т. е. фотометрическое равенство, нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором. Разность двух отсчетов, соответствующих фотометрическому равновесию поля с оптически активным раствором и без него, определяет угол вращения плоскости поляризации данным раствором.
Значение угла оптического вращения зависит как от природы самого вещества, так и от его концентрации в растворе.
Если Р граммов вещества, растворенного в П граммах растворителя, и плотность раствора обозначить n, то
С = |
100 Р |
п, |
(3) |
|
Р+ П |
|
|
С – концентрация, т. е. количество вещества, содержащегося в 100 см3 раствора. Наполним этим раствором трубку длиной L дециметров, тогда угол оптического вращения будет равен
200 |
|
P |
200 |
|
|
C |
L , |
(4) |
|||
α =[α] |
D |
|
n L =[α] |
D |
|
|
|||||
П + P |
100 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где α – определяемый угол оптического вращения; С – концентрация раствора;
200
[α] D – удельное вращение, т. е. угол поворота плоскости поляризации (в градусах) слоя раствора в один дециметр при концентрации 100 г вещества в 100 см3 раствора при температуре 20 оС и для света с длиной волны линии натрия.
Удельное вращение является важной характеристикой оптически активного вещества, измеряя его значения, можно судить о чистоте того или иного вещества.
Так как угол оптического вращения зависит от концентрации вещества, то с помощью поляриметра можно определить концентрацию растворов таких веществ.
25
Описание прибора
Поляриметр круговой СМ состоит из следующих основных частей (рис. 3): головки анализатора, поляризационного устройства, осветителя, штатива, трубки для растворов.
Головка анализатора является основной рабочей частью прибора и состоит из неподвижного лимба 6, вращающихся одновременно фрикциона 15 и двух нониусов 1 и 5, анализатора 7 и зрительной трубки 2. Головка анализатора соединяется с поляризационным устройством при помощи соединительной трубы 16, в которую вкладывают трубку для раствора 8. На лимбе нанесена градусная шкала от 0 до 360о.
Поляризационное устройство служит для поляризации света и состоит из частей 10-13.
Трубки для растворов изготавливаются из стекла и имеют выпуклость для пузырьков воздуха, которые мешают анализу.
Рис. 3. Схематический разрез прибора:
1 – нониус 1; 2 – зрительная трубка; 3 – отсчетные лупы; 4 – муфта; 5 – нониус 2; 6 – лимб в градусах; 7 – анализатор; 8 – стеклянная трубка для растворов;
9 – шторка; 10 – оранжевое защитное стекло; 11 – диафрагма с кварцевой пластиной; 12 – поляризатор; 13 – осветительная линза; 14 – источник света; 15 – фрикцион; 16 – соединительная труба.
26
1. Определение нулевого положения прибора
Определение нулевого отсчета производят без трубки или с трубкой, наполненной растворителем. Перемещением муфты 4 зрительной трубки устанавливают окуляр по глазу на резкое изображение разделяющих линий тройного поля зрения (рис. 4). После этого вращением фрикциона 15 поворачивают анализатор и добиваются равномерного затемнения тройного поля зрения (рис. 5). Установку на равномерную затемненность тройного поля зрения повторяют пять раз.
Каждый раз берут отсчеты по нониусу. Средняя величина из пяти отсчетов является нулевым отсчетом прибора или поправкой на нуль.
Если нулевой штрих нониуса при установке на равенство оказался относительно нулевого штриха лимба смещенным по часовой стрелке, то поправке на “0” приписывается знак “+”, если против часовой стрелки - знак “–”.
Рис. 4. Вид поля зрения после ввода наполненной трубки и вторичной установки окуляра на резкость изображения разделяющих линий тройного поля
Рис. 5. Начальное положение нониуса после установки поля зрения на равную затемненность при введенной трубке для жидкости без раствора
27
2. Определение угла вращения плоскости поляризации и расчет удельного оптического вращения оптически активных веществ
По указанию преподавателя выбираете раствор оптически активного вещества с известной концентрацией.
Перед началом измерений трубку растворов (рис. 3) и покровные стекла промывают дистиллированной водой, последние протирают салфеткой или фильтровальной бумагой. С одной стороны на трубку кладут покровное стекло, резиновую прокладку и заворачивают накидной гайкой. Во избежание появления натяжений в покровных стеклах, влияющих на правильность отсчета, гайки нельзя заворачивать туго.
В трубку вставляют воронку и заливают исследуемый раствор. Вынув воронку, заполняют трубку доверху и накладывают покровное стекло с боку, сдвигая часть жидкости таким образом, чтобы в трубке не было пузырьков воздуха. Если в трубке остался небольшой пузырек воздуха, то его перемещают в распирающуюся часть трубки, где он не будет мешать определению. Трубку помещают в соединительную трубу 16 (рис. 3) и закрывают шторкой.
Поворотом анализатора устанавливают тройное поле на равномерную затемненность (рис. 5) и определяют, на сколько полных градусов повернуть нуль нониуса по отношению к лимбу, затем по штриху нониуса, совпадающему с градусным штрихом лимба отсчитывают доли градуса. К числу градусов, взятых по лимбу, прибавляют отсчет по нониусу и определяют угол поворота.
Таких определений делают пять и берут среднее значение из них. Из полученного среднего значения угла поворота вычитают поправку на ноль, обязательно учитывая знак поправки.
П р и м е р. При определении начального положения при пустой трубке для растворов прибор показал +0,1о (рис. 5), а после ввода наполненной трубки 3,65о (рис. 6), тогда угол оптического вращения равен 3,65-0,1=3,65о
Рис. 6. Конечное положение нониуса после установки на равное затемнение тройного поля при наполненной трубке
28
После определения угла оптического вращения рассчитывают удельное оптическое вращение по формуле
200 |
|
α 100 |
|
|
|
[α] |
|
= |
, |
(5) |
|
D |
|||||
|
|
|
L C |
|
|
где α – угол вращения плоскости поляризации;
L – длина трубки для растворов в дм (на трубке написана ее длина в см); С – концентрация раствора в г в 100 см3.
Опыт 28. Определение концентрации раствора глюкозы по углу оптического вращения
Поскольку угол оптического вращения зависит от концентрации раствора, то, зная удельное оптическое вращение вещества, можно определить его концентрацию.
Из формулы (5) следует, что
|
|
|
|
C = |
α 100 |
, |
(6) |
||||
|
|
|
200 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
[α] |
D |
L |
|
|
|
обозначив величину |
100 |
|
для каждого вещества равным К, получаем |
|
|||||||
20 |
0 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
[α] |
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С = К α . |
|
(7) |
||||
Выбирая трубки различной длины и зная удельное оптическое вращение вещества, можно сделать его равным единице.
Длина прилагаемой к прибору трубки взята из расчета К= 1 для глюкозы
200
(L= 1,90 дм, [α] D = 52,60 ). Тогда концентрация раствора в г/в 100 мл будет равна углу вращения плоскости поляризации.
Для других веществ необходимо кроме длины трубы знать удельное оптическое вращение, приведенное в табл. 1.
29
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|||
№ |
Оптически активное |
Формула |
Удельное оптическое |
|||
п/п |
вещество |
|
|
вращение |
||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
α |
С Н О |
6 |
+ 52,5о |
|
|
Глюкоза ( |
) |
6 12 |
|
||
2 |
Лактоза ( |
α |
С Н О |
11 |
+ 90о |
|
|
|
) |
12 22 |
|
||
3 |
Лактоза ( |
β |
) |
С Н О |
11 |
+ 35о |
|
|
12 22 |
|
|||
4 |
Мальтоза |
|
С12Н22О11 |
+ 128,6о |
||
5 |
|
|
α |
СН СН(ОН)СООН |
+ 3,82о(15о) |
|
|
Кислота молочная ( ) |
3 |
|
|
||
6 |
Кислота молочная ( l ) |
СН3СН(ОН)СООН |
- 2,26о |
|||
По указанию преподавателя выбираете раствор оптически активного вещества. Определить угол оптического вращения, как указано в опыте 27. Зная удельное оптическое вращение вещества, определенное в опыте 27 или используя табл. 1 по формуле (6), определяете концентрацию раствора глюкозы.
В лабораторную тетрадь записываете данные определений угла оптического вращения и расчет концентрации раствора.
Лабораторная работа № 8
УГЛЕВОДЫ
Углеводы – вещества, широко распространенные в живой природе, так как являются продуктами жизнедеятельности растений и играют роль запасных питательных веществ.
Состав многих углеводов соответствует их названию Сn(H2O)m, но важно понять их функциональную принадлежность: они являются оксиальдегидами и оксикетонами. Важно усвоить принцип, по которому все углеводы подразделяются на простые – моносахара, и сложные – дисахариды и полисахариды.
Особое внимание следует уделить многообразию структурных форм углеводов, обусловленному таутомерными превращениями. На примере наиболее распространенных моносахаридов – глюкозы и фруктозы – научитесь изображать не только открытые незамкнутые формулы строения, но и циклические – полуацетальные. Взаимный переход этих форм в водных растворах называют таутомерией.