Лабораторный практикум по курсу органической химии (120

лым и темным полями и добиваются резкой границы между ними. Вращая рукоятку призменного блока, совмещают границу между темным полем и светлым полем с центром креста в поле зрения зрительной трубы (рис. 6).

Рис. 6. Поля зрения отсчетной (а) и зрительной (б) труб

Определяют значение показателя преломления по пересечению горизонтальной линией шкалы отсчета в поле зрения отсчетной трубы. Проводят три измерения и берут среднее арифметическое из трех значений.

Сравнивают полученное значение с табличным значением 1,3722. Рассчитывают абсолютную и относительную погрешности. После проведения измерений рефрактометр приводят в горизонтальное положение.

Используя данные таблицы, рассчитывают теоретические значения молярной рефракции для молекул одинакового состава, но различного строения:

CH3 — COO — C2H5; CH3 — CO — CH2 — O — CH3

Сравнивают полученные значения с экспериментальным значением, рассчитанным на основе измеренного показателя преломления и данных о молярной массе и плотности уксусноэтилового эфира (0,901 г/см3). Студентам необходимо сделать вывод о строении синтезированного вещества, нарисовать в лабораторном журнале строение молекулы по методу валентных связей, показать перекрывание орбиталей и указать количество - и p-связей.

21

4. Разделение жидких смесей органических веществ методом перегонки. Обработка результатов эксперимента с помощью компьютерной программы «L-микро»

Цель работы — получение кривой перегонки смеси органических веществ с использованием компьютерной программы «L-Хи- мия-практикум» и определение состава смесей жидкостей по кривой перегонки.

Теоретическая часть

Перегонка, или дистилляция (от лат. distillatio — стекание каплями), представляет собой процесс разделения жидких смесей на отличающиеся по составу фракции, основанный на различии температур кипения компонентов смеси. Осуществляется путем нагревания смеси жидкостей, частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара. В зависимости от физических свойств компонентов жидких смесей применяют различные способы перегонки (дистилляции).

Если из исходной смеси отгоняются не одна фракция, а несколько, перегонка называется фракционной, или дробной.

В лабораторных условиях применяют метод простой перегонки. Простую перегонку проводят частичным испарением кипящей жидкой смеси, непрерывным отводом и последующей конденсацией образовавшихся паров. При этом содержание низкокипящих компонентов в паровой и жидкой фазах непрерывно уменьшается. Отогнанная фракция (дистиллят) представляет собой более летучие (низкокипящие) компоненты, а неотогнанная жидкость (кубовый

остаток) — менее летучие (высококипящие) компоненты.

В реальных условиях в результате однократного цикла «испарение — конденсация» достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей. Чтобы избежать испарения вместе с компонентами, кипящими при низкой температуре, компонентов, кипящих при более высокой температуре, используют лабораторный дефлегматор. Дефлегматор — специальная насадочная

22

колонка с большой внутренней поверхностью. Обычно принимают, что выходящие из него жидкость и пар находятся в равновесии, так как на внутренней поверхности дефлегматора многократно происходит процесс испарения и конденсации. При использовании дефлегматора добиваются большей, чем при простой перегонке, степени разделения смеси. Перегонка в равновесных условиях отличается простотой и особенно удобна в тех случаях, когда температуры кипения чистых веществ резко различаются или же когда требуется лишь обогатить смесь одним из компонентов.

Графическая зависимость температуры кипения от массы отогнанной жидкости представляет собой кривую перегонки (рис. 7). По кривой перегонки можно определить температуру отгоняемого компонента жидкости, массовую долю компонентов в смеси и частично судить о чистоте исходных компонентов смеси. В реальных условиях возможен перегрев смеси жидкости, что приводит к искажению кривой перегонки. Поэтому нагревание рекомендуется проводить медленно и плавно, чтобы равновесие между паром и жидкостью успевало установиться.

23

В данной работе для перегонки используется смесь двух органических жидкостей — пропанола-1 (пропилового спирта) и ацетона (диметилкетона, пропанона).

Пропанол-1 (пропиловый спирт) CH3CH2CH2OH представляет собой прозрачную подвижную жидкость с характерным спиртовым запахом, Tкип = 97,2 ◦C, d204 = 0,803. Смешивается с водой; образует азеотропную смесь, кипящую при температуре 87,4 ◦C. Пропанол-1 получают в качестве побочного продукта при производстве этанола. Применяется в органическом синтезе.

Ацетон (диметилкетон, пропанон) CH3COCH3 — летучая бесцветная жидкость с характерным запахом, Tкип = 56,2 ◦C, d204 = = 0,792. Является хорошим растворителем для лаков, искусственного ацетатного волокна, кинопленки, ацетилена и др. Существует много способов получения ацетона. Одним из распространенных и недорогих способов является кумольный способ совместного получения фенола и ацетона.

Практическая часть

Прибор для перегонки смеси органических жидкостей состоит из реакционной трехгорлой колбы, дефлегматора, прямого холодильника, химического стакана или приемной колбы на 100 мл, мерного цилиндра на 100 мл, воронки, насадки Вюрца, нагревательного прибора, подставки под весы, штативов с лапками и муфтами, шлангов, пробок и кипелок. Оборудование измерительной системы «L-микро» состоит из компьютера, термодатчика и весов (рис. 8).

Перед началом процесса перегонки выполняют следующие действия.

1.Включают ток охлаждающей воды.

2.Проверяют, чтобы сливные шланги были опущены в сливную воронку под тягой, проверяют положение колбы в нагревательном приборе, проверяют герметичность закрытия всех пробок и положение термодатчика в пробке под насадку Вюрца.

3.В химическом стаканчике взвешивают на электронных весах 80...100 г заданной смеси органических веществ. Взвешивание осуществляют следующим образом. Включают весы кнопкой

24

Рис. 8. Установка для перегонки жидкостей:

1 — трехгорлая колба; 2 — пробка; 3 — дефлегматор; 4 — насадка Вюрца; 5 — термодатчик; 6 — прямой холодильник; 7 — приемный стакан; 8 — электронные весы

«ON/ZERO» (кнопка включения/выключения), вначале загораются все сегменты индикатора на весах, затем автоматически выводится значение «0,00». На платформу весов ставят стаканчик с воронкой, весы показывают массу тары. Если в левом углу индикатора весов высвечивается звездочка (*), показания весов можно считывать. Для того чтобы получить массу чистой смеси без тары, массу тары на весах следует обнулить. Для этого кнопку «ON/ZERO» удерживают в течение не более 2 с. На индикаторе выводится значение «0,00». Затем в стаканчик наливают смесь жидкостей и записывают массу смеси в лабораторный журнал.

25

Внимание! Выполнять какие-либо действия с тарой (передвигать на платформе весов и др.) при включенных весах запрещается.

4.Выключают весы, удерживая кнопку «ON/ZERO» в течение 3 с до появления надписи «OFF».

5.Переливают в трехгорлую реакционную колбу смесь и закрывают все горла пробками.

6.Снова включают весы, помещают на них пустую приемную колбу или стакан, обнуляют массу стакана.

7.Включают компьютер, выбирают режим «Учебный процесс», далее программу «L-Химия-практикум» → «Выбор работы» → «РМС» → «Перегонка» → «Получение кривой перегонки».

8.Включают на передней панели колбонагревателя тумблер со значком «Обогрев снизу». Контрольная лампочка на передней панели плитки должна загореться.

9.В лабораторном журнале отмечают время начала перегонки.

10.На мониторе компьютера выбирают сценарий «Проведение измерений», затем нажимают экранную кнопку «Пуск». На экране появляются цветные точки кривой перегонки, а в правом нижнем

иправом верхнем углах — значения температуры и массы отгоняемой жидкости.

11.Отгоняют жидкость до тех пор, пока в реакционной колбе останется примерно 20 % массы первоначально взятой смеси жидкостей.

Внимание! Выпаривать жидкость до конца нельзя!

12.Завершают эксперимент при температуре 98...100 ◦C. После завершения эксперимента нажимают экранную кнопку «Стоп».

13.Выключают нагреватель, выключают весы.

14.Полученные в работе файлы открывают в программе Excel. Сохраняют все данные под именем, соответствующим индексу группы и дате эксперимента.

15.Выходят на рабочий стол компьютера, закрыв все страницы, посредством значка в верхнем правом углу экрана.

16.Строят диаграмму зависимости массы отгоняемой жидкости от температуры.

26

Обработка результатов эксперимента

Результаты эксперимента рекомендуется записать на USB-уст- ройство.

По диаграмме зависимости массы отгоняемой жидкости от температуры определяют:

а) массу ацетона, которая определяется на оси ординат по значению массы до первой горизонтальной площадки, символизирующей конец отгонки низкокипящей жидкости;

б) температуру кипения ацетона.

Проводят расчет массовойw доли ацетона в смеси, %:

=mац · 100 %,

mсм

где mац — масса ацетона; mсм — масса исходной смеси.

В лабораторном журнале приводят теоретические сведения по данной лабораторной работе, структурные формулы ацетона и пропанола, температуру кипения и плотность пропанола и ацетона, ход выполнения эксперимента, диаграмму кривой перегонки, расчет массовой доли ацетона в смеси.

Примерный вид диаграммы кривой перегонки на экране компьютера, полученной с помощью программы «L-микро», показан на рис. 7.

5. Изучение кинетики радикальной полимеризации метилметакрилата

Цель работы — изучение кинетики радикальной полимеризации метилметакрилата с инициатором — пероксидом бензоила.

Теоретическая часть

Данная лабораторная работа знакомит студентов со свойствами полимеров. Полимеры — это высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов граммов на моль, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев, связанных между собой ковалентными связями. По происхождению полимеры делятся на природные

27

(белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы) и синтетические (полиэтилен, полистирол, капрон, полиметилметакрилат, фенолоформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др.).

Трудно найти какую-либо отрасль промышленности, где бы в настоящее время не применялись полимеры. Это объясняется уникальностью свойств полимеров — механической прочностью, эластичностью, электроизоляционными свойствами, прозрачностью и другими ценными свойствами. Основные типы полимерных материалов — пластические массы, резины, волокна, лаки, краски, клеи, ионообменные смолы и др. Перспективы использования полимеров практически не ограничены. Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов и растений. Синтетические полимеры получают искусственным путем.

Для получения синтетических полимеров в основном используются реакции полимеризации и поликонденсации. Исходными веществами для синтеза высокомолекулярных соединений являются низкомолекулярные вещества (мономеры). В реакциях полимеризации из низкомолекулярного вещества — мономера — получают высокомолекулярное вещество — полимер — в результате последовательного присоединения мономеров к растущей молекулярной цепи полимера. При этом состав элементарного звена полимера совпадает с составом мономера. В реакциях поликонденсации рост молекулярной цепи осуществляется вследствие взаимодействия функциональных групп мономера, сопровождающегося образованием наряду с полимером низкомолекулярных веществ. Такими веществами могут быть вода, аммиак, спирт, хлорид водорода и др. В этом случае состав элементарного звена полимера не совпадает с составом мономеров.

Полиметилметакрилаты получают реакцией полимеризации по одному из четырех методов: в блоке, в растворе, в эмульсии и суспензии. В нашем случае полимеризация осуществляется в блоке при нагревании.

Процессы полимеризации связаны с наличием у растущих молекул полимера активного центра, представляющего собой или радикал (радикальная полимеризация), или ион (ионная полимеризация).

28

Данная лабораторная работа посвящена изучению процесса инициированной радикальной полимеризации метилметакрилата.

Метилметакрилат — метиловый эфир метакриловой кислоты. Метилметакрилат представляет собой бесцветную прозрачную жидкость со специфическим запахом, Tкип = 101 ◦C, d204 = 0,936, слабо растворим в воде, хорошо растворяется в спирте, хлороформе, эфире, бензоле. Метилметакрилат обладает общеядовитым и наркотическим действием, его пары раздражают слизистые оболочки. Он легко полимеризуется с образованием линейного термопластичного полимера полиметилметакрилата. Метилметакрилат не может долгое время храниться в обычных условиях вследствие самопроизвольной полимеризации. Для предотвращения ее при хранении продукта добавляют ингибитор, например гидрохинон, в количестве 0,005...0,01 %.

Полиметилметакрилат — линейный полимер метилметакрилата. Это бесцветный прозрачный полимер, при температуре примерно 110 ◦C размягчается и переходит в вязкотекучее состояние. Полиметилметакрилат — один из термостойких полимеров, он деструктирует только при температуре 330 ◦C. Полиметилметакрилат — один из самых жестких пластиков. Его можно пилить и обрабатывать на токарном станке. Прозрачные листы из полиметилметакрилата, а также ряда других полимеров (полистирола, поликарбоната) называют «органическим стеклом».

Схема превращения метилметакрилата в полимер выглядит следующим образом:

Радикальная полимеризация протекает как цепная реакция и поэтому включает в себя три основные стадии: а) инициирование; б) развитие (рост) цепи; в) обрыв и передача цепи.

29

Ниже приведена схема реакции инициированной радикальной полимеризации мономера CH2 = CHX, включающая все три стадии процесса.

Стадия инициирования. На этой стадии образуются свободные радикалы за счет распада нестойких веществ — инициаторов. Наиболее часто в качестве инициаторов на практике используют пероксиды, например пероксид бензоила. Молекулы этого вещества при нагревании распадаются на два радикала по следующей схеме:

C6H5– CO– O– O– CO– C6H5 A 2C6H5– CO– O′ A 2C6H′5 + 2CO2

Распад молекулы инициатора на свободные радикалы требует гораздо меньших затрат энергии, чем образование свободного радикала при непосредственной активации молекулы мономера. Поэтому введение инициатора резко повышает скорость первой элементарной реакции процесса полимеризации и соответственно суммарную скорость полимеризации.

Радикалы, образовавшиеся при распаде молекулы инициатора (обозначим их как R′), присоединяются по двойной связи к молекулам мономера с образованием нового радикала, начинающего молекулярную цепь будущего полимера:

R′ + CH2 = CHX A R — CH2 — CHX′

Рост цепи. Образовавшиеся на стадии инициирования радикалы вступают в реакцию с молекулами мономера, и в результате такого взаимодействия происходит удлинение молекул радикалов, т. е. осуществляется рост молекулярной цепи будущего полимера:

R — CH2 — CHX′ + CH2 = CHX A R — CH2 — CHX — CH2 — CHX′ R — CH2 — CHX — CH2 — CHX′ + CH2 = CHX A

R — (CH2 — CHX)2 — CH2 — CHX′

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

R — (CH2 — CHX)N−1 — CH2 — CHX′ + CH2 = CHX A

R — (CH2 — CHX)N — CH2 — CHX′

Рост молекулярной цепи полимера происходит до тех пор, пока существуют активные частицы — радикалы и молекулы мономера.

30