Практикум по органической химии часть I
|
|
Скачать 1.17 Mb.
|
|
^
Лабораторный синтез органических соединений включает следующие основные этапы: I. Синтез (химическая реакция):
В результате процесса образуется так называемая реакционная масса; II. Обработка реакционной массы (отделение нужного продукта от растворителей, побочных веществ и т.д.): а) выделение продукта – отделение целевого вещества от побочных продуктов, оставшихся исходных реагентов, растворителя, удаление примесей и получение продуктов в виде сырья для очистки (технический продукт); б) очистка полученных продуктов – получение целевого продукта в чистом виде. Операции очистки определяются агрегатным состоянием получаемого вещества, а также его химическими и физическими свойствами; ^ (определение температур плавления или кипения, показателя преломления, хроматографические методы) или установление их строения с помощью УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии. Для ранее синтезированных соединений обычно бывает достаточно сравнения некоторых физико-химических свойств полученного продукта со справочными (литературными) данными. Знание общих методов и приемов работы, является необходимым условием для начала занятий по органической синтезу. При этом следует учитывать характерные отличия органических веществ и реакций от неорганических. Органические соединения в своем большинстве летучи, имеют температуру кипения в пределах от 20 до 250 ºС, многие из которых легко воспламеняются; кристаллические вещества плавятся при сравнительно низких температурах, редко превышающих 150–250 ºС. Органические реакции зачастую нельзя проводить в открытых сосудах. Многие органические вещества часто изменяются при хранении, т. е. способны разлагаться, окисляться, осмоляться под действием кислорода воздуха, поэтому во многих случаях предварительно требуется очищать исходные вещества перед началом синтеза. При выполнении синтеза, выделении и очистке, полученных веществ используют ряд стандартных операций – нагревание, охлаждение, измельчение, растворение, перемешивание, фильтрование, экстракция, высушивание, отгонка растворителей, перегонка при атмосферном и пониженном давлении, перегонка с паром, возгонка, кристаллизация, хроматография. Поэтому очень важно понимать сущность каждого из указанных физико-химических процессов. Все перечисленные выше процессы, как это очевидно, являются фазовыми превращениями, при которых участвующие в них вещества в большинстве случаев изменяют агрегатное состояние. Наиболее общим и в то же время наиболее простым правилом, выражающим связь между температурой, давлением и концентрацией компонентов, является правило фаз Гиббса. Правило фаз Гиббса, вытекающее, из второго начала термодинамики, может быть выражено простым уравнением: z = s – f – r + 2 (1) где z – число степеней свободы; s – число компонентов; f – число фаз; r – число химических реакций, в системе в состоянии равновесия. Степени свободы – это независимые параметры, определяющие состояние системы (температура, давление и концентрация), которые могут быть изменены в определенных допустимых границах при сохранении первоначального числа фаз. ^ – это число входящих в систему химических индивидуумов. Фазой – называется однородная часть системы, отграниченная от остальных частей определенной поверхностью и имеющая отличные от нее физические свойства. 3.1 ВзвешиваниеВ курсе неорганической и аналитической химии студент уже встречался с различными видами весов и процессом взвешивания. Весы, используемые в лабораторной практике, можно подразделить на три типа, предназначенные для: –грубого взвешивания (точность до нескольких граммов); –точного взвешивания (точность 1 – 10 мг); –аналитические (точность от 0,1 мг и выше). Так как многие вещества, используемые в лаборатории органического синтеза являются легколетучими или токсичными, процесс взвешивания следует проводить особенно аккуратно.  Рис.19 Виды лабораторных весов Необходимо соблюдать несколько общих правил работы на аналитических весах:
Взвешивание жидкостей, особенно летучих, вызывает большие затруднения. Поэтому для отмеривания необходимых порций жидких веществ и растворов, а также для определения их объемов применяют мерную посуду (рис. 20) – измерительные (мерные) цилиндры, мензурки, мерные (градуированные) пробирки, мерные колбы, бюретки и пипетки. Работа с мерной посудой обычно не вызывает затруднений. Однако следует соблюдать определенные правила.
В зависимости от объема, который должен быть измерен, подбирается посуда соответствующей вместимости. Мерная посуда градуируется в миллилитрах (мл) или литрах (л). 1 мл соответствует 1 см3 , а 1 л – 1 дм3.  ^ Цилиндры (Рис.20) – градуированные стеклянные сосуды с нанесенными на наружной стенке делениями, указывающими объём в миллилитрах. Их применяют в тех случаях, когда измерение объема жидкости не требует большой точности. Вместимость цилиндров может быть от 10 до 2000 мл. Для точного измерения объема жидкости используют пипетки, бюретки и мерные колбы.  ^ Пипетки (рис. 21) – используют для отмеривания и переноса точно определенного объема жидкости. Обыкновенная пипетка представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра с расширением посередине или без него, если пипетка небольшой вместимости (от 0,1 до 2-5 мл). Нижний конец пипетки оттянут в капилляр, а на верхнем конце имеется метка, до которой набирают жидкость. Для отмеривания необходимого объема жидкости нижний конец пипетки, соответствующей вместимости, опускают в жидкость до дна сосуда. С помощью груши набирают жидкость, следя за тем, чтобы кончик пипетки все время находился в жидкости. Жидкость набирают выше метки на 2–3 см, затем быстро закрывают верхнее отверстие указательным пальцем, придерживают пипетку большим и средним пальцами. Затем, слегка ослабив нажим указательного пальца, дают жидкости медленно вытекать из пипетки (рис. 21). Как только нижний мениск жидкости дойдет до метки, палец снова плотно прижимают к верхнему отверстию пипетки. Таким образом, с помощью пипетки отбирается необходимый объем жидкости. Затем пипетку вводят в колбу (или стакан), в которую нужно перенести жидкость, отнимают указательный палец от верхнего отверстия пипетки и дают жидкости стечь по стенке колбы. Оставшуюся при этом жидкость в пипетке не выдувают, так как объем пипетки рассчитан на свободное истечение жидкости. ^ применяют при титровании или для того, чтобы отмерить объем жидкости с точностью до 0,05 мл. Бюретка – стеклянная градуированная трубка, нижний конец которой оттянут и на него надета резиновая трубка со стеклянным шариком. Бюретки закрепляют в штативе. Заполняют бюретку жидкостью сверху через воронку так, чтобы внутри находился раствор без пузырьков воздуха. Для удаления пузырьков воздуха резиновую трубку изгибают таким образом, чтобы кончик капилляра был направлен вверх, и вытесняют жидкостью весь воздух. Затем бюретку заполняют до нулевой отметки.  ^ Мерные колбы (рис.22) используются для приготовления растворов точной концентрации. Это плоскодонные колбы с длинным и узким горлом, на которое нанесена тонкая черта – метка, показывающая границу, до которой следует наливать жидкость, чтобы ее объем при определенной температуре соответствовал объему, указанному на колбе. Для этого в колбу вносят точную навеску сухого вещества или рассчитанный объем исходного более концентрированного раствора. Затем до половины объема колбы наливают дистиллированную воду. Раствор тщательно перемешивают и после этого доливают воду до метки (последние 1-2 мл лучше по каплям с помощью пипетки). Колбу плотно закрывают пробкой и тщательно перемешивают раствор, переворачивая колбу несколько раз. ^ Нагревание и охлаждение (теплопередача) – важнейшие средства регулирования хода химических процессов. Температура влияет не только на скорость органических реакций, но часто и на их направление. Охлаждение необходимо при проведении некоторых реакций, выделении продуктов реакций, а также при хранении нестойких веществ. Процесс теплопередачи может осуществляться посредством теплопроводности, конвекции или излучения. Теплопроводность – процесс передачи теплоты через твердое тело, например через стенку колбы. Конвекция возможна там, где частицы веществ не имеют фиксированного положения, т.е. в жидкостях и газах. В этом случае теплота передается при помощи движущихся частиц. Излучение – это передача теплоты тепловыми лучами с длиной волны в пределах 0,8 – 300 мкм. Чаще всего теплопередача осуществляется одновременно всеми тремя способами. 3.3.1 НагреваниеСкорость каждой химической реакции зависит от условий, в которых она проводится. Важнейшим из этих условий является концентрация реагирующих веществ и температура зависимость скорости (v) бимолекулярных реакций от концентрации выражается уравнением: v = k CA CB (1) где CA – концентрация вещества А CB – концентрация вещества В k – константа скорости, зависящая от природы реагирующих веществ и от температуры. Приведенное уравнение показывает, что скорость бимолекулярных реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Органические реакции, как правило, протекают достаточно медленно, поэтому для получения максимального выхода, довольно часто увеличивают продолжительность или повышают температуру реакции. С повышением температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается примерно в 2,5 раза. При использовании нагревания для ускорения органических реакций, следует учитывать тот факт, что при повышенной температуре продукты реакции могут разлагаться, а также могут усиливаться побочные реакции. Кроме того процесс нагревания используется при выделении и очистке веществ (перегонка, возгонка, растворение, плавление), при определении физических констант веществ (температуры плавления, кипения и т.д.).  ^ а – нагревание с использованием теплоносителя; б – установка для нагревания с контролем температуры В химической лаборатории нагревание проводят в основном при помощи электрических приборов (электроплиток, колбонагревателей и т.д.), часто с применением нагревательных бань (водяных, масляных, песчаных, металлических). При выборе нагревателя учитывают необходимую степень и скорость нагревания, а также специальные указания в методике синтеза. ^ Водяная баня. Для получения температур не выше 100 ºС применяют водяные бани. Температуру водяной бани регулируют изменением мощности плитки. При работе на водяной бане колбу с жидкостью следует погружать в баню таким образом, чтобы уровень жидкости в колбе и в бане были на одном уровне. При нагревании жидкости выше температуры кипения может произойти перегрев, а затем взрывоопасное вскипание. Во избежание этого следует использовать «кипелки» - кусочки неглазурованного фарфора. Ни в коем случае нельзя добавлять «кипелки» к нагретой реакционной массе, это может привести к вскипанию и выбросу реакционной массы, иногда даже через холодильник. ^ Работа с диэтиловым эфиром и другими низкокипящими и легковоспламеняющимися растворителями требует особых мер предосторожности. Вначале, следует вдали от реакционной колбы нагреть водяную баню, затем убрать нагревательный прибор в сторону, и только после этого погрузить колбу с реакционной массой в баню. ^ . Для нагревания выше 100ºС часто используют нагревание непосредственно на плитке. При использовании асбестовой сетки обеспечивается равномерность обогрева. Довольно часто воздушные бани используются для нагревания реакционной массы в фарфоровой посуде. ^ Для температур от 100 до 250 ºС применяют масляные бани. В качестве наполнителя используют минеральные масла. Для проведения синтеза баню наполовину заполняют маслом, а реакционный сосуд помещают в баню таким образом, чтобы уровень вещества в сосуде был на одном уровне с маслом. Максимальная температура, достигаемая с помощью таких бань, зависит от сорта применяемого масла. Иногда минеральное масло заменяют гликолевыми, глицериновыми или парафиновыми. Лучшим теплоносителем для масляных бань является силиконовое масло, выдерживающее длительное нагревание до 300-360 ºС. Недопустимо попадание воды в баню, так как масло при нагревании начинает пениться и разбрызгиваться. При работе на масляной бане, необходимо вести контроль температуры, как в реакционной колбе, так и самой бане. При сильном нагревании масла могут частично разлагаться и «дымить», поэтому работу с ними следует проводить в вытяжном шкафу. При длительном нагревании до высокой температуры масло в бане может вспыхнуть^ �. Следует накрыть баню листом асбеста. Песчаные бани. Для нагревания до 400 ºС используют песчаные бани. Песчаные бани обладают большой тепловой инерцией и с трудом позволяют регулировать температуру, поэтому их по возможности заменяют другими нагревательными банями. ^ Для нагревания в интервале 300-400 ºС применяют металлические бани. В качестве металлических бань чаще всего применяют легкоплавкие сплавы Вуда (Тпл 81 ºС; Bi – 50, Pb – 25, Sn – 12,5, Cd – 12,5 %) и сплав Розе (Тпл 98 ºС; Bi – 50, Pb – 25, Sn – 25 %), которые позволяют нагревать реакционную массу до 600 ºС. Данные бани обладают высокой теплопроводностью и позволяют осуществить быстрый и очень равномерный обогрев. После проведения синтеза реакционную колбу и рабочие термометры следует сразу же вынуть из бани и обтереть сухой ветошью. Недостатком металлических бань является высокая цена и при больших размерах бани – большой вес. 3.3.2 ОхлаждениеПри проведении экзотермических реакций часто в результате выделения значительных количеств тепла может произойти перегрев реакционной смеси, связанный или с потерей летучих соединений, или с разложением вещества. В таких случаях приходится принимать меры для отвода избыточного тепла. Простейшим способом является погружение сосуда в охлаждающую смесь. Для проведения реакций при температуре ниже комнатной, реакционную колбу также погружают в охлаждающую до требуемой температуры смесь. При выборе охлаждающего средства (хладагента) следует учитывать необходимую температуру и количество тепла, которое необходимо отвести. Самым дешевым и удобным хладагентом является вода.  ^ а – кристаллизатор с охлаждающей смесью; б – сосуд Дюара Для охлаждения до температуры 15-20 ºС используется холодная водопроводная вода (нисходящие и обратные холодильники, бани). Для охлаждения до 0 ºС применяют водяные бани со льдом; до – 20-50 ºС – бани с охладительными смесями льда или снега с солью (таблица 1), а до более низких температур (от -60 ºС до -100 ºС и ниже) твердую углекислоту или жидкий азот и органический растворитель (таблица 2). Для приготовления солевой смеси соль хорошо растирают в ступке и тщательно перемешивают с мелко колотым льдом. При работе с твердой углекислотой или жидким азотом их прибавляют при перемешивании небольшими порциями (углекислоту – кусочками) к налитому в сосуд Дьюара растворителю до тех пор, пока значительная часть растворителя не затвердеет. При этом надо помнить, что в первый момент смешивания наблюдается сильное вспенивание из-за выделения углекислого газа или азота, соответственно. Т а б л и ц а 1. ^
Т а б л и ц а 2. ^
Более низкую температуру можно получить, используя жидкий азот (до –196 ºС) в сосуде Дюара (рис. 24, б). Для охлаждения до температуры -20 ºС в качестве сосуда для бани используют кристаллизатор (рис. 24, а). При работе с сухим льдом, жидким азотом и банями на их основе необходимо соблюдать осторожность, чтобы не получить обморожений. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
отлично
2
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям