Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экспериментальные методы в химии. Учебное пособие
.pdf
МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
В ИНДИВИДУАЛЬНОМ ВИДЕ
Работа № 1. ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ИЗ ВОДЫ
Цель работы: очистить методом кристаллизации твердое вещество,
научиться собирать прибор для перекристаллизации и определить процентное содержание его в смеси.
Оборудование: колбы конические, воронка, стеклянная палочка,
шпатель, цилиндр, электрическая плитка, весы, фильтровальная бумага.
Реактивы: ацетанилид, фумаровая кислота, стеариновая кислота,
бензойная кислота, салициловая кислота, фталевая
Теоретические основы
Кристаллизация (перекристаллизация) – важный способ очистки органических веществ. Определение температуры плавления позволяет
при этом легко оценить чистоту полученного вещества.
Загрязненное кристаллическое вещество при нагревании растворяют
в подходящем растворителе, фильтруют раствор горячим и дают выкристаллизоваться при охлаждении.
Кристаллизация используется для разделения также смеси твердых
веществ и очистки их от различных
сталлизацией будет проведена успешно при следующих условиях:
1) если растворимость вещества резко зависит от температуры;
2) если растворимость очищаемого вещества в данном растворителе
резко отличается от растворимости примесей;
3) если растворитель индифферентен по отношению к очищаемому
веществу.
Растворитель не должен химически реагировать с кристаллизуемым
веществом. Он также должен
растворимости. Поскольку в большинстве случаев растворяющая способность растворителя особенно быстро возрастает вблизи температуры
кипения, раствор готовят путем кипячения с обратным холодильником.
Растворимость очищаемого вещества при комнатной температуре
должна быть небольшой, так как будут большие потери при остывании
вещества, которое в этом случае останется в
давать с данным веществом крутую кривую
загрязнений. Очистка вещества кри-
маточном растворе.
кислота, вода.
11
Д. А . ШИПИЛОВ, Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ХИМИИ
Растворимость должна резко возрастать с повышением температуры, и желательно, чтобы температура кипения растворителя была ниже
температуры плавления очищаемого вещества не менее чем на 10–15 °С,
иначе вещество может выделиться из раствора в виде масла, а это затруднит очистку. Окончательный выбор растворителя можно определить
опытным путем.
В тех случаях, когда не
удается подобрать растворитель для перекристаллизации, применяют смеси, состоящие из двух, а иногда из трех растворителей. Здесь следует учитывать, что все растворители смеси должны смешиваться друг с другом.
При кристаллизации вещества следует опытным путем подобрать
соответствующий растворитель в пробирках с малым количеством
пробы. Кристаллизацию легко вызвать трением стеклянной
палочки
о стенки сосуда при сильном охлаждении смеси или растиранием капли
масла в летучем растворителе (при его сильном охлаждении), а также
можно прибавить несколько кристаллов очищенного вещества в качестве затравки.
Если очищаемое вещество при нагревании хорошо растворяется
в одном растворителе и не кристаллизуется из него при охлаждении,
а в другом
не растворяется, то кристаллизуют его из смеси этих растворителей. Можно использовать следующие смеси: этилового спирта
и воды, этилового спирта и бензола, бензола и петролейного эфира,
ледяной уксусной кислоты и воды, этилового спирта и эфира, ацетона и воды, ацетона и петролейного эфира и другие. В этом случае
вещество растворяют
в небольшом количестве первого растворителя при нагревании, а затем к горячему раствору прибавляют другой
растворитель до тех пор, пока не появится слабое помутнение. Затем
смесь опять нагревают до исчезновения помутнения и оставляют стоять в охладительной смеси. При этом выделяется чистое вещество,
которое отфильтровывают.
Иногда из-за адсорбции окрашенных примесей
при кристаллизации получаются окрашенные вещества. Эти примеси могут быть извлечены из раствора до кристаллизации различными адсорбентами.
Так, некоторые из них можно удалить из полярных растворов активированным углем, который добавляют к раствору в измельченном виде
в количестве 3–5% от массы вещества. Смесь с адсорбентом кипятят
10–60 мин до обесцвечивания и
сразу же фильтруют. Если раствор
12
Работа № 1. ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ИЗ ВОДЫ
полностью не обесцветился, то обработку повторяют еще раз. Нельзя
добавлять порошок активированного угля к нагретому раствору, так
как это вызывает бурное вскипание жидкости, что может привести
к ее выбросу.
Ход работы № 1
1. Получить вещество у преподавателя.
2. Взвесить 1 г выданного вещества в стакан.
3. Налить 50 мл воды.
4. При нагревании на плитке добиться полного растворения ве-
щества.
5. Остудить раствор.
6. Отфильтровать осадок на воронке со складчатым фильтром.
7. Перенести осадок в другой стакан и сушить до постоянной массы.
8. Взвесить вещество, определить выход его после
перекристалли-
зации.
13
Работа № 2. ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ
ИЗОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Оборудование: круглодонная колба, воронка, обратный холодильник,
шпатель, цилиндр, электрическая плитка, весы, фильтровальная бумага,
бумага для взвешивания, штатив с лапкой, кипелки, коническая колба,
стеклянная палочка.
Реактивы: сера, четыреххлористый углерод.
Теоретические основы
В колбу, снабженную обратным холодильником, помещают очищаемый продукт, кипятильники (кусочки битого фарфора) и растворитель
в таком количестве, чтобы он лишь покрывал вещество. При кипячении вещество может полностью не раствориться, тогда через обратный
холодильник приливают еще некоторое количество растворителя. Если
раствор не прозрачен и содержит взвесь, то его горячим пропускают
через складчатый фильтр. Для работы можно применять и электрические плитки с закрытым обогревом.
После перекристаллизации вещество может содержать некоторое количество растворителя, который удаляется при высушивании продукта. Выбор способа высушивания вещества определяется его природой.
Сушить можно на воздухе, между листами фильтрованной бумаги (при
комнатной температуре), в сушильном шкафу (
при повышенной температуре), в эксикаторе и вакуум-эксикаторе над осушителем, поглощающим пары растворителя, в приборе для высушивания в вакуум-пистолете (при повышенной температуре).
О чистоте полученного вещества судят по температуре плавления.
В случае заниженной температуры плавления кристаллизацию проводят
еще раз, в том же растворителе, или лучше подобрав другой
.
Растворимость – количество граммов вещества, растворимое в 100 г
растворителя (см. табл. 1).
14
Работа № 2. ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ИЗОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Растворимость некоторых веществ в воде
при разных температурах
Таблица 1
Название
Растворимость в воде, г
при 20 °С при 100 °С
Сахароза 230 487
Бензойная кислота 0,29 2,5
Фумаровая кислота 0,7 9,8
Ацетанилид 0,56 18
Калия нитрат 31,6 243,6
Мочевина 104,7 733
Салициловая кислота 1,8 22
Стеариновая кислота 0,03 2,2
Ход работы № 2
1. Получить вещество у преподавателя.
2. Взвесить выданное вещество.
3. Собрать прибор (см. рис. 1).
4. Пересыпать вещество в колбу и налить в нее растворитель.
5. Для равномерного кипения положить кипелки.
6. Нагрев проводить на воздушной бане.
7. Колба снабжена обратным холодильником.
8. После полного растворения вещества и его последующего охлаж-
дения провести отделение раствора от
осадка фильтрованием.
Для перекристаллизации выдано вещество, нерастворимое в воде
или незначительно растворимое в воде: сера, бензойная кислота, стеариновая кислота.
15
Работа № 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЧИСТОТЫ ВЕЩЕСТВА
Цель работы: определить температуру плавления как показателя
чистоты вещества и сравнить его с литературными данными.
Оборудование: ступка, пестик, шпатель, электрическая плитка, тер-
мометр, фильтровальная бумага.
Реактивы: фруктоза, бензофенон, пирокатехин, п-нитротолуол, резорцин, бензойный ангидрид, малеиновый ангидрид, адипиновая кислота, коричная кислота, антраниловая
кислота.
Теоретические основы
Определение температуры плавления твердого вещества
Температура плавления является характерной константой
для твердого вещества. Наряду с другими физическими константами, она используется для идентификации органических соединений.
Температурой плавления вещества называют температуру, при которой твердое вещество находится в равновесии с собственным расплавом. Чистые вещества обладают очень резко выраженной точкой
плавления, незначительные
загрязнения иногда сильно понижают
температуру его плавления. Обычно чистое вещество плавится в узком температурном интервале (см. табл. 2).
Многие органические вещества плавятся с разложением, которое большей частью явно обнаруживается по окрашиванию расплава или выделению газов. Эта температура разложения обычно не резко выражена, сильно зависит от скорости нагревания (быстрое
нагревание приводит к более
высокому значению температуры разложения) и поэтому очень часто
не может быть точно воспроизведена. Некоторые вещества вообще не имеют характерной точки перехода и обугливаются при сильном нагревании.
С достаточно высокой точностью температуру плавления твердого
вещества можно определить в специальном приборе для определения
температуры плавления. Он состоит
из металлического корпуса, наполненного теплоизолирующим материалом. В нижнюю часть прибора вмонтирована нагревательная спираль, намотанная на стеклянную
трубку, посредством клемм спираль через реостат или ЛАТР подключается к источнику тока. В полость над спиралью помещают термометр,
вставленный в трубку.
16
Работа № 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧИСТОТЫ ВЕЩЕСТВА
Проба вещества плавится за счет тепла, поступающего от нагретого
шарика термометра, и, так как ее масса очень мала, плавление наступает
практически в момент достижения температуры плавления, даже при достаточно большой скорости нагревания. Наблюдение за плавлением вещества удобнее всего вести через ручную монокулярную лупу.
Описанный метод позволяет определить температуру плавления
вещества за 2–7 мин с точностью 0,5–2,0 °C в интервале температур от 50
до 350 °С.
Для определения температуры плавления из стеклянной трубки вытягивают капилляр с внутренним диаметром 1 мм и высотой
40–50 мм. Один конец капилляра запаивают, осторожно внося его
в пламя горелки. Небольшое количество вещества, тонко измельченного в ступке, перемещают на дно
капилляра и плотно утрамбовывают, капилляр с веществом перевертывают и бросают несколько раз
запаянным концом вниз в вертикально стоящую стеклянную трубку
длиной 50–70 см, плотно набивая столбик капилляра высотой 0,5 см.
Открытый конец капилляра опускают в вещество. Для определения
температуры плавления используют стеклянный прибор, состоящий
из длинногорлой круглодонной колбы и широкой пробирки,
куда
вставляют термометр с капилляром. К термометру присоединяют капилляр (конец его должен быть на уровне шарика термометра) и укрепляют их в широкой пробирке. В колбу наливают (½ объема) серную
кислоту или силиконовое масло (приборы, содержащие эти жидкости,
можно нагревать только до 250 °С). После этого в колбу опускают
пробирку с термометром
и капилляром.
Температуры плавления некоторых веществ
Вещество Температура плавления, °С
Ацетанилид 115
Янтарный ангидрид 120
Малеиновый ангидрид 52,6
Бензанилид 130
Пентаацетилглюкоза 133
Таблица 2
17
Д. А . ШИПИЛОВ, Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ХИМИИ
Окончание табл. 2
Вещество Температура плавления, °С
Коричная кислота 135
Бензойный ангидрид 42
Малоновая кислота 135,6
Антраниловая кислота 145
Адипиновая кислота 152
Фенантрен 101
Бензотриазол 100
Резорцин 110
п-нитротолуол 51
Пирокатехин 105
Бензофенон 48
Фруктоза 102–103
Глюкоза*Н
О 83
2
Определение показателя преломления для жидких веществ
Показатель лучепреломления относится к важнейшим характеристикам вещества и может быть использован для проверки его чистоты.
Значение показателя преломления зависит от температуры, и с ростом
температуры величина его падает. В зависимости от длины волны света и концентрации раствора значение показателя преломления меняется.
При обозначении
ну волны (
показателя преломления указывают температуру и дли-
). Прибор, на котором определяют показатель преломления,
называется рефрактометр.
Исследуемою жидкость по каплям наносят на верхнее полушарие
измерительной головки прибора, которую перед началом работы протирают ватой, смоченной эфиром для удаления с призмы посторонних
примесей. Каплю вещества наносят с помощью стеклянной палочки
или капилляра, не касаясь призмы, затем осторожно закрывают верхнее
полушарие измерительной головки и осветительное зеркало устанавливают в таком положении, чтобы свет попадал через окошко головки в осветительную призму и равномерно освещал все поле зрения. Вращая ма-
18
Работа № 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧИСТОТЫ ВЕЩЕСТВА
ховичок и наблюдая в окуляр зрительной трубы, находят границу раздела
света и тени, точно совмещают эту границу раздела с перекрестьем сетки
и отмечают значения по шкале показателя преломления.
Показатель преломления измеряется с точностью до четвертого знака
после запятой. Целые числа и первые три цифры после запятой отсчитывают по шкале, а
десятичные оценивают на глаз.
После измерений призму протирают ватным тампоном, смоченным эфиром, и оставляют в раскрытом состоянии до высыхания растворителя.
Ход работы № 3
1. Измельчите в ступке выданное вам твердое вещество.
2. На термометре определите температуру плавления, нанеся
на ртутный шарик термометра небольшое количество исследуемого вещества.
3. Нагревание проводите на плитке с закрытой спиралью со скоростью нагрева 5–10 °С в минуту.
4. Термометр не должен касаться поверхности электрической плитки.
5. Для большей точности измерения определите
температуру плав-
ления три раза и найдите среднюю величину.
6. Определив температуру плавления, назовите вещество, выданное
вам (опираясь на данные таблицы № 2).
7. Для жидкого вещества определите показатель преломления.
19
Работа № 4. ВОЗГОНКА (СУБЛИМАЦИЯ)
Цель работы: научиться очищать вещества методом сублимации
и определить температуру плавления возгоняемого вещества.
Оборудование: фарфоровая чашка, стеклянная воронка, электриче-
ская плитка, фильтровальная бумага, иголка, пинцет или щипцы, вата.
Реактивы: бензойная кислота, йод.
Теоретические основы
Возгонка – переход вещества из твердого состояния непосредственно
(без плавления) в газообразное. Возгонка подчиняется общим законам
испарения. Обратный процесс – конденсация вещества из газообразного
состояния, минуя жидкое, непосредственно в твердое состояние – называется десублимацией.
Возгонку можно проводить при нормальном давлении или в вакууме.
Она используется для очистки некоторых веществ. Повторной возгонкой
можно
добиться обычно более высокой степени чистоты вещества, чем
перекристаллизацией. Возгонка с целью очистки вещества применяется, прежде всего, в тех случаях, когда очистка перекристаллизацией затруднена наличием смолистой и трудноотделимой примеси или в случае
слишком высокой или слишком малой растворимости вещества в обычных растворителях. Кроме того, методом возгонки можно очищать
и очень малые количества вещества.
В лабораторных условиях используют два часовых стекла одинакового размера (рис. 5а) либо фарфоровую чашку с воронкой (рис. 5б).
Диаметр воронки должен быть несколько меньше диаметра чашки. Носик
воронки закрывают ватой. Возгоняемое вещество помещают на нижнее
часовое стекло или в фарфоровую чашку и покрывают кружком
фильтровальной бумаги, в которой проделаны отверстия: этот кружок служит
для того, чтобы возогнанное вещество не попало снова в неочищенную
массу. Стекло или чашку медленно нагревают на песчаной бане до температуры ниже температуры плавления на 10–20 °С. Даже небольшое перегревание может способствовать быстрому термическому разложению
возгоняемого вещества.
Не следует повышать
скорость возгонки за счет усиления нагревания, так как при этом кристаллы растрескиваются, осколки их долетают
до возогнанного вещества и загрязняют его.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]