Органическая химия. Учебно-методическое пособие для студентов заочного отделения биологических специальностей вузов

вании добавляют 0,5 мл этилового спирта (осторожно, смесь сильно разогревается!). Оранжевый цвет смеси меняется на зеленый. Зеленую окраску имеют соединения хрома (III), которые образуются в результате восстановления дихромата. В пробирке, куда добавили этиловый спирт, ощущается запах уксусного альдегида, напоминающий запах яблок (нюхать осторожно).

Ниже приведено уравнение реакции окисления этилового спирта:

3 C2H5OH + K2Cr2O 7 + 4 H2SO4

3 CH3C(H)O + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O.

Опыт 2. Окисление изоамилового спирта хромовой смесью.

Окисление изоамилового спирта (3-метилбутанола-1) хромовой смесью проводят аналогично вышеописанному. Ниже приведено уравнение реакции окисления изоамилового спирта:

3(CH3)2CHCH2CH2OH + K2Cr2O 7 + 4 H2SO4

3 (CH3)2CHCH2C(H)O + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O.

Опыт 3. Окисление этилового спирта перманганатом калия.

Спирты также легко окисляются и перманганатом калия в различных средах (щелочной, нейтральной, кислой).

В пробирку приливают 1 мл раствора перманганата калия (имеет розово-фиолетовый цвет) и 1 мл раствора серной кислоты. К полу- ченной смеси добавляют 0,5—1 мл этилового спирта, пробирку встряхивают несколько раз. Этиловый спирт окисляется до уксусного альдегида (ощущается запах яблок), а перманганат восстанавливается до двухвалентного марганца, при этом наблюдается обесцвечивание раствора. Ниже приведено уравнение реакции.

5C2H5OH + 2 ÊÌnÎ4 + 3 H2SO4

5 CH3C(H)O + 2 ÌnSO4 + K2SO4 + 8 H2O.

Этот опыт можно провести как занимательный. Для этого пипеткой аккуратно, не смачивая стенок, вносят в сухую пробирку, закрепленную в штативе, 1 мл концентрированной серной кислоты. Затем по стенке другой пипеткой осторожно приливают 1 мл этилового спирта так, чтобы получилось два слоя. После этого шпателем насыпают приблизительно 0,5 г перманганата калия (марганцовки). Через некоторое

21

время на границе двух слоев появляются яркие вспышки, ощущается запах уксусного альдегида.

Качественная реакция на многоатомные спирты

Многоатомные спирты легко отличить от одноатомных с помощью качественной реакции с гидроксидом меди (II) в щелочном растворе. При этом голубой осадок свежеосажденного гидроксида меди (II) растворяется с образованием ярко-синего раствора комплексов меди (II) с многоатомными спиртами.

Реактивы: этиленгликоль, глицерин, 2%-ный раствор сульфата меди (II), 10%-ный раствор щелочи (гидроксида натрия или калия).

Оборудование: пипетки, пробирки.

Опыт 4. Взаимодействие этиленгликоля с гидроксидом меди (II).

В пробирку наливают 3—4 капли 2%-ного раствора CuSO4 и 2—3 мл 10%-ного раствора щелочи (NaOH или КОН). К образовавшемуся осадку гидроксида меди (II) голубого цвета приливают несколько капель этиленгликоля и смесь перемешивают. Голубой осадок гидроксида меди (II) растворяется и образуется раствор гликолята меди василькового цвета (ярко-синяя окраска).

Уравнение реакции:

Опыт 5. Взаимодействие глицерина с гидроксидом меди (II). Опыт проводят аналогично вышеописанному. При этом образуется ÿðêî-ñè- ний раствор глицерата меди. Ниже приведено уравнение соответствующей реакции:

22

Свойства фенолов

Фенолы имеют сходные со спиртами свойства, поскольку в их молекулах та же функциональная группа, что и в молекулах спиртов, — гидроксил, ОН. Однако фенолы отличаются от спиртов более выраженными кислотными свойствами. Например, фенолы реагируют со щелочами, тогда как для спиртов эта реакция не характерна.

Реактивы: 5%-ный раствор фенола, 5%-ный раствор гидроксида натрия (или гидроксида калия), бутиловый или изоамиловый спирт, бромная вода (раствор брома в воде), 1—3%-ный раствор хлорида железа (III).

Оборудование: пробирки, пипетки.

Опыт 6. Взаимодействие фенола с растворами щелочей. В пробирку наливают 1 мл раствора фенола и добавляют 1 мл раствора щелочи. Наблюдается полное растворение фенола в щелочи. Одновременно в другую пробирку наливают 1 мл бутилового или изоамилового спирта и добавляют раствор щелочи. В этом случае растворения спирта в щелочи не происходит (наблюдаются два слоя жидкостей: нижний водный и верхний спиртовой), т.к. спирты со щелочами не реагируют. Уравнение реакции:

Ñ6Í5ÎÍ + NaÎÍ Ñ6Í5ÎNa + Í2Î.

Опыт 7. Взаимодействие фенола с бромной водой. В пробирку помещают 1 мл водного раствора фенола и при встряхивании по каплям прибавляют бромную воду (раствор имеет желто-бурую окраску). Раствор бромной воды обесцвечивается и выпадает белый осадок 2,4,6-трибромфенола.

Уравнение реакции:

Br

Опыт 8. Качественная реакция на фенолы. Качественной реакцией на фенолы является взаимодействие их с раствором хлорида железа

23

(III): при этом образуются ярко окрашенные феноляты железа (III). В пробирку наливают 1 мл раствора фенола и прибавляют 1 каплю раствора хлорида железа (III). Моментально появляется интенсивное фиолетовое окрашивание вследствие образования фенолята железа (III). Схема реакции в упрощенном виде:

3 Ñ6Í5ÎÍ + FeCl3 (Ñ6Í5Î)3Fe + 3 ÍCl.

Лабораторная работа 3. Карбонильные соединения

К карбонильным соединениям относятся органические вещества, содержащие в молекуле функциональные карбонильные группы С=О. Типичными карбонильными соединениями являются альдегиды и кетоны. В альдегидах карбонильная функциональная группа концевая, т.е. она находится на конце молекулы. В кетонах карбонильная группа не концевая и располагается в середине молекулы:

O O

R C H ; R C R

Альдегиды Кетоны

Качественные реакции на альдегиды и кетоны

Реактивы: 10%-ный раствор формальдегида, ацетон, фуксинсернистая кислота, насыщенный солянокислый раствор 2,4-динитрофенил- гидразина, 0,5%-ный водный раствор нитропруссида натрия, 1 н. раствор гидроксида натрия.

Оборудование: пробирки, пипетки, стаканы химические (100 мл), лед.

Опыт 1. Реакция с фуксинсернистой кислотой. В пробирку наливают 1 мл раствора фуксинсернистой кислоты и добавляют несколько капель 10%-íîãî раствора формальдегида. Через несколько минут в пробирке с реакционной смесью появляется розово-фиолетовая окраска. Схема реакции:

Опыт повторяют с раствором ацетона.

24

Опыт 2. Реакция с 2,4-динитрофенилгидразином. Карбонильные соединения можно легко обнаружить по реакции их с 2,4-динитрофе- нилгидразином, в результате чего образуются окрашенные в желтый цвет плохо растворимые гидразоны, которые выпадают в виде желтых осадков. В пробирку наливают 1 мл солянокислого раствора 2,4-äè- нитрофенил-гидразина и добавляют 3—5 капель раствора формальдегида. Наблюдают выделение желтого осадка 2,4-динитрофенилгидра- зона формальдегида. При необходимости пробирку со смесью охлаждают ледяной водой. Схема реакции:

Опыт ¹ 3. Реакция с нитропруссидом натрия. В пробирку наливают 1 мл воды и 3—5 капель ацетона, а затем добавляют 1 мл раствора нитропруссида натрия. После приливания нескольких капель раствора щелочи смесь приобретает красно-фиолетовую окраску, которая постепенно переходит в желтую. Опыт повторяют с раствором формальдегида.

Реакции окисления альдегидов

Альдегиды, в отличие от кетонов, легко способны окисляться различными окислителями: дихроматом калия или натрия, перманганатом калия, оксидами и гидроксидами металлов, кислородом и др.

Реактивы: 5%-ный раствор формальдегида, 10%-ный раствор гидроксида натрия, 2%-ный раствор сульфата меди (II), 10%-ный раствор азотной кислоты, 1%-ный раствор нитрата серебра, 5—10%-ный раствор аммиака.

Оборудование: пробирки, пробиркодержатели, «кипятильники» (кусочки битого фарфора), водяные бани, термометры.

25

Опыт 4. Окисление формальдегида аммиачным раствором гидроксида серебра (реакция серебряного зеркала). В пробирке сначала готовят аммиачный раствор гидроксида серебра: к 2—3 ìë 1%-íîãî раствора нитрата серебра прибавляют по каплям при встряхивании 5— 10%-íûé раствор аммиака до тех пор, пока образующийся сначала осадок полностью не растворится. К полученному бесцветному раствору прибавляют несколько капель 5%-íîãî раствора формальдегида и опускают пробирку на несколько минут в водяную баню с температурой воды 60—70°Ñ. На стенках пробирки постепенно выделяется слой серебра в виде зеркала, иногда серебро выделяется в виде темного осадка. Формальдегид окисляется до муравьиной кислоты. Уравнение реакции:

Í2ÑÎ + 2 [Ag(NH3)2]OH ÍCOÎÍ + 2 Ag + 4 NH3 + H2O.

Опыт 5. Окисление формальдегида гидроксидом меди (II). В пробирке вначале получают свежеосажденный гидроксид меди (II). Для этого к 3—5 каплям 2%-íîãî раствора сульфата меди (II) добавляют 2 мл 10%-íîãî раствора гидроксида натрия и сразу наблюдают выпадение голубого осадка гидроксида меди (II). К полученному осадку приливают 2 мл 5%-íîãî раствора формальдегида. Пробирку закрепляют в пробиркодержателе, бросают в нее кусочек битого фарфора («кипятильник») и верхнюю часть жидкости нагревают до начинающегося кипения. Голубая окраска меняется сначала на зеленую, затем на желтую (осадок), а затем на красную (осадок). Эта реакция, как и реакция серебряного зеркала, является качественной реакцией на альдегиды. Уравнение реакции:

Í2ÑÎ + 2 Ñu(ÎÍ)2 ÍCOÎÍ + 2 Ñu2Î + Í2Î.

Лабораторная работа 4. Карбоновые кислоты и их производные

Карбоновые кислоты — это органические вещества, содержащие в молекуле карбоксильные функциональные группы — СООН.

Общие свойства карбоновых кислот

Реактивы: 5—10%-ные растворы муравьиной, уксусной, пропионовой, соляной кислот. Универсальная индикаторная бумага со шкалой рН, раствор метилового оранжевого; цинк гранулированный; 5%-

26

ный раствор гидроксида натрия; кристаллический карбонат натрия; кристаллический гидрокарбонат натрия; «ледяная» (концентрированная) уксусная кислота, изоамиловый спирт, концентрированная серная кислота.

Оборудование: пипетки, пробирки, пробки с обратным холодильником (вставленными в них стеклянными трубками), пробиркодержатели, штатив, «кипятильники» (кусочки битого фарфора), водяная баня.

Опыт 1. Сравнение силы карбоновых и минеральных кислот. На полоску индикаторной бумаги наносят поочередно по 1 капле растворов органических кислот и соляной кислоты. С помощью шкалы определяют рН этих растворов. Результаты опыта записывают в рабочей тетради, сравнивают эти результаты и делают выводы о силе органи- ческих и неорганических (минеральных) кислот. Записывают уравнения процессов диссоциации использованных в опытах кислот:

RCOOH RCOO + H ; ;

HCl H + Cl ..

Опыт 2. Взаимодействие карбоновых кислот с металлами. Карбоновые кислоты, как и неорганические, реагируют с активными металлами. При этом образуются соли — карбоксилаты и выделяется водород.

В пробирку наливают 2—3 мл раствора муравьиной кислоты и опускают в него кусочек гранулированного цинка. Сразу наблюдают выделение пузырьков газа — водорода. В растворе образуется цинковая соль муравьиной кислоты — формиат цинка. Уравнение реакции:

2 НСООН + Zn (НСОО)2Zn + Í2.

Аналогичный опыт повторяют и с раствором уксусной кислоты. При этом образуется цинковая соль уксусной кислоты — ацетат цинка и выделяется водород. Уравнение реакции:

2 ÑÍ3ÑÎÎÍ + Zn (ÑÍ3ÑÎÎ)2Zn + Í2.

Опыт 3. Взаимодействие карбоновых кислот с оксидами металлов. При взаимодействии карбоновых кислот с оксидами металлов образуются соли и вода (сходство с минеральными кислотами).

В пробирку наливают 2—3 мл раствора уксусной кислоты и добавляют в него на кончике шпателя порошкообразный оксид меди (II).

27

Пробирку со смесью закрепляют в пробиркодержателе, помещают туда кусочек битого фарфора («кипятильник») и нагревают в пламени газовой горелки. Через некоторое время раствор приобретает голубую окраску. Это говорит о том, что черный порошок оксида меди (II) прореагировал с уксусной кислотой и в растворе образовалась соль — ацетат меди, имеющая голубую окраску. Уравнение реакции:

2 ÑÍ3ÑÎÎÍ + CuÎ (ÑÍ3ÑÎÎ)2Cu + Í2Î.

Опыт 4. Взаимодействие карбоновых кислот со щелочами. Карбоновые кислоты вступают в реакции нейтрализации со щелочами, образуя соли и воду.

В пробирку наливают 2—3 мл раствора уксусной кислоты, добавляют туда каплю индикатора метилового оранжевого (можно использовать универсальную лакмусовую бумажку). Индикатор (или лакмусовая бумажка) окрашивается в красный цвет. Затем по каплям добавляют раствор гидроксида натрия и наблюдают за изменением окраски индикатора от красной до желтой. Это говорит о том, что уксусная кислота прореагировала с гидроксидом натрия, при этом образовались ацетат натрия и вода. Уравнение реакции:

ÑÍ3ÑÎÎÍ + NaÎÍ ÑÍ3ÑÎÎNa + Í2Î.

Опыт 5. Взаимодействие карбоновых кислот с солями. Карбоновые кислоты реагируют с солями более слабых минеральных кислот, например с солями угольной кислоты — карбонатами.

В пробирку наливают 2—3 мл раствора уксусной кислоты и добавляют в него на кончике шпателя порошкообразный карбонат натрия (соду). Сразу наблюдают выделение пузырьков газа — оксида углерода (IV), или углекислого газа. В растворе образуется натриевая соль уксусной кислоты — ацетат натрия. Уравнение реакции:

2 ÑÍ3ÑÎÎÍ + Na2ÑÎ3 2 ÑÍ3ÑÎÎNa + ÑÎ2 + Í2Î.

Опыт повторяют с раствором уксусной кислоты и гидрокарбонатом натрия (пищевой содой). Уравнение реакции:

ÑÍ3ÑÎÎÍ + NaÍÑÎ3 ÑÍ3ÑÎÎNa + ÑÎ2 + Í2Î.

Опыт 6. Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами. Карбоновые кислоты способны образовывать сложные эфиры при нагре-

28

вании их со спиртами в присутствии каталитических количеств концентрированной серной кислоты. Эта реакция называется реакцией этерификации (ester — сложный эфир).

В сухой пробирке смешивают 2 мл изоамилового спирта, 2 мл ледяной уксусной кислоты и 1 каплю концентрированной серной кислоты. Пробирку соединяют с обратным холодильником (резиновая пробка с вставленной в нее стеклянной трубкой). Реакционную смесь нагревают на кипящей водяной бане 8—10 мин, после чего охлаждают и выливают в стакан с холодной водой. Сложный эфир (изоамиловый эфир уксусной кислоты, или изоамилацетат) всплывает, т.к. он не растворим в воде и его плотность меньше плотности воды. Уравнение реакции:

ÑÍ3ÑÎÎÍ + (ÑÍ3)2ÑÍÑÍ2ÑÍ2ÎÍÑÍ3СООСН2ÑÍ2ÑÍ(ÑÍ3)2 + H2O.

Обратите внимание на запах сложного эфира. Пары изоамилацетата вызывают раздражение дыхательных путей, они могут вызвать кашель, поэтому нюхать изоамилацетат нужно осторожно. Изоамиловый эфир уксусной кислоты имеет грушевый запах и называется «грушевой эссенцией», применяется при приготовлении газированных напитков.

Свойства муравьиной кислоты

В молекуле муравьиной кислоты, кроме карбоксильной группы — СООН, типичной для карбоновых кислот, имеется карбонильная группа — С(О)Н, характерная для альдегидов, поэтому она вступает в реакции, типичные для альдегидов, например реакцию серебряного зеркала. В этом заключаются ее отличительные свойства по сравнению с другими карбоновыми кислотами.

Реактивы: 10%-ный раствор муравьиной кислоты (или формиата натрия), 1%-ный раствор нитрата серебра, раствор аммиака (концентрированный или 5—10%-ный), концентрированная серная кислота.

Оборудование: пробирки, пробиркодержатели, бани водяные, изогнутые газоотводные трубки, пипетки, «кипятильники» (кусочки битого фарфора).

29

Опыт 7. Взаимодействие муравьиной кислоты с аммиачным раствором гидроксида серебра (реакция серебряного зеркала). Сна- чала готовят в пробирке аммиачный раствор гидроксида серебра. Для этого к 0,5—1 ìë 1%-íîãî раствора нитрата серебра добавляют по каплям концентрированный раствор аммиака (можно использовать 5— 10%-íûé раствор аммиака) до тех пор, пока первоначально образующийся осадок оксида серебра полностью не растворится в избытке аммиачного раствора. Затем к полученному прозрачному раствору добавляют 0,5 мл раствора муравьиной кислоты или формиата натрия. Пробирку с реакционной смесью нагревают несколько минут на водяной бане (температура воды в бане 60—70°Ñ). Металлическое серебро выделяется в виде зеркального налета на стенках пробирки или в виде темного осадка. Уравнение реакции:

НСООН + 2 [Ag(NH3)2]OH CO2 + 2 H2O + 2 Ag + 4 NH3,

èëè:

НСООН + Ag2O CO2 + H2O + 2 Ag.

Опыт 8. Разложение муравьиной кислоты при нагревании с концентрированной серной кислотой (опыт следует выполнять в вытяжном шкафу!). В сухую пробирку вносят 1 мл муравьиной кислоты или 1 г ее соли (например, формиата натрия) и 1 мл концентрированной серной кислоты. В пробирку бросают кусочек битого фарфора («кипятильник»), закрывают пробкой с газоотводной трубкой и осторожно нагревают. Муравьиная кислота разлагается с образованием оксида углерода (II) СО, или угарного газа, и воды. Уравнение реакции:

НСООН СО + Н2Î.

Оксид углерода (II) поджигают у отверстия газоотводной трубки, угарный газ горит голубоватым пламенем. Уравнение реакции:

ÑÎ + Î2 ÑÎ2.

После окончания работы пробирку с реакционной смесью необходимо охладить, чтобы прекратить выделение ядовитого угарного газа. Оксид углерода (II) получают обычно этим способом.

30