ТЕМА:Продукти промислового органічного синтезу

ЛЕКЦІЯ

(№ 5, 6, 7; 6 годин)

ТЕМА: Продукти промислового органічного синтезу

МЕТА: Вивчити особливості органічного синтезу, показники якості сировини та продукції, елементарний аналіз

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

1. Загальні відомості про виробництво органічних речовин

2. Контроль якості сировини та продукції

3. Показники якості органічних речовин

4. Елементарний аналіз

5. Стандартні методи визначення функціональних груп.

Органічні речовини займають важливе місце в хімічній, нафтохімічній і нафтопереробній промисловості. Пластмаси, синтетичні волокна, органічні фарбники і палива, синтетичний каучук, мастила, ліки – далеко не повний перелік органічних продуктів, що випускається промисловістю.

На відміну від неорганічних речовин, які є електролітами, органічні речовини нерозчинні у воді і не дисоціюють на іони. Тому методи аналізу цих речовин відрізняються.

Для аналізу більшості органічних речовин використовують специфічні методи, які засновані на хімічних властивостях функціональних груп, які містяться в цих речовинах.

Для визначення елементів, які входять до складу органічної сполуки використовують методи якісного елементарного аналізу. Однак цих відомостей недостатньо, оскільки до складу майже всіх органічних речовин входить: С, Н₂, N₂, O₂, S, галогени і деякі інші.

Методи кількісного елементного аналізу дозволяють встановити, в якій кількості входять ці елементи до складу аналізованої сполуки. Ці методи засновані на молекулярних реакціях, які протікають повільніше, ніж іонні. Іноді на основі цих даних можна встановити до якого класу органічних сполук відносять аналізовану речовину.

В ряді випадків кількісний елементний аналіз служить методом якості технічного органічного продукту.

Правильні результати аналізу можна отримати лише при точному дотриманні умов проведення реакції, яку використовують для даного аналізу.

Про якісний і кількісний склад молекули можна судити за фізичними властивостями органічних речовин.

а) температура плавління – температура, при якій речовина з твердого стану переходить в рідкий.

Речовини, які розкладаються при нагріванні, характеризуються температурою розкладання – температура, при якій починається зміна речовини.

Чиста речовина має точно визначену температуру плавління. Домішки знижують температуру плавління. Якщо температура плавління нижче стандартного, аналізована речовина містить домішки більше допустимого, якщо навпаки – речовина чистіша, ніж речовина, прийнята в якості стандартної.

На практиці визначають температурний інтервал плавління, тобто інтервал між початком плавління, появою першої краплі рідини і кінцем плавління – повним перетворенням речовини в рідкий стан. Для чистого продукту цей інтервал становить 0,5-1⁰С. Перед визначенням речовину спочатку висушують і подрібнюють в агатовій ступці, так як на температурний інтервал впливають присутність вологи і величина частинок.

Для визначення температури плавління використовують капілярний метод, метод визначення під мікроскопом, контактний метод (самостійно, с. 179-182 [1]).

б) температура затвердіння – температура, яку визначають, охолоджуючи розплавлену речовину. Хімічно чиста речовина має визначену температуру затвердіння, яку домішки знижують (самостійно, с. 182 [1]).

в) температура кипіння – температура, при якій рідина кипить при нормальному тиску (760 мм. рт. ст.), тобто при якій пружність парів речовини дорівнює атмосферному тиску. Хімічно чиста речовина має визначену температуру кипіння. Тому по температурі кипіння судять про якісний і кількісний склад аналізованої речовини. Температуру кипіння визначають мікрометодом і методом перегонки (самостійно, с. 183-185 [1]).

Визначення вологи проводять фізичними, хімічними і фізико-хімічними методами.

§ Фізичні: висушування, азеотропна дистиляція, визначення вмісту по зміні електропровідності, поглинанню інфрачервоних променів.

§ Хімічні: взаємодія води з гідридами лужних і лужноземельних металів, СаС₂, Mg₃N₂, оцтовим ангідридом, реактивом Фішера.

§ Фізико - хімічні: хімічні методи, в яких кінець реакції визначають за допомогою ручних або автоматичних установок.

Вибір методу визначення вологи в органічних речовинах залежить від стійкості аналізованого продукту.

В речовинах, стійких до підвищених температур, вологу визначають їх висушуванням до постійної маси в сушильній шафі при температурі на 10-15⁰С нижче температури плавління. Для цього наважку 5-10 г (в залежності від очікуваного вмісту води), взяту з точністю до 0,0002 г, поміщають у висушений і зважений бюкс. Бюкс з речовиною сушать до постійної маси. Відсотковий вміст вологи х визначають за формулою:

де: g – наважка речовини до висушування, г;

m – маса речовини після висушування, г.

Вологість речовин, які розкладаються при нагріванні, визначають по методу Діна і Старка.

Для ідентифікації рідких органічних речовин та для оцінки їх чистоти використовують простий і чуттєвий метод рефрактометрії. Чистоту оцінюють порівнянням знайденого показника заломлення із взятої з таблиці константою для чистої речовини. Речовину вважають чистою, якщо його показник заломлення відрізняється від вказаного в літературі не більш, ніж на 0,001. При проведенні ідентифікації речовини із виміряних показників заломлення і густини речовини розраховують молекулярну рефракцію:

Також її можна визначити по структурній формулі речовини як суму атомних рефракцій і інкрементів для кратних зв’язків.

Якщо значення знайденої і знайденої експериментально молекулярної рефракції співпадуть, то структура речовини підтверджується.

При аналізі органічних сполук виходять з характерних властивостей функціональних груп аналізованої речовини. Наприклад:

§ Для визначення органічних кислот використовують метод нейтралізації; для визначення галогенпохідних – аргентометрію

§ Для кількісного визначення альдегідів і кетонів використовують здатність карбонільної групи реагувати з гідроксиламіном

§ Для ароматичних амінів використовують реакцію взаємодії з нітритом натрію в кислому середовищі

§ Для аналізу фенолів, або сполук з подвійним зв’язком використовують їх взаємодію з бромом.

Тобто, в залежності від будови органічної речовини для визначення його можна використовувати різні методи. Найважливіша задача – визначення вмісту основної речовини і домішок в технічних продуктах.

Таким чином, загальні методи аналізу органічних речовин можна класифікувати наступним чином:

§ Якісне визначення елементів, які входять до складу органічної речовини (якісний елементний аналіз);

§ Кількісне визначення елементів, які входять до складу органічної речовини (кількісний елементний аналіз);

§ Якісний аналіз органічних речовин по функціональним групам;

§ Кількісний аналіз органічних речовин по функціональним групам;

§ Найпростіші одиничні методи аналізу органічних речовин.

Елементним аналізом називають визначення кількісного вмісту окремих елементів в органічних речовинах. Таким чином визначають кількісний вміст вуглецю, водню, азоту, хлору, фосфору і сірки.

Завданням елементарного якісного аналізу є визначення елементів, що утворюють цю органічну сполуку.

Якісний аналіз органічних сполук повинен обов'язково передувати кількісному аналізу, оскільки методика останнього видозмінюється залежно від того, які елементи входять до складу досліджуваної речовини. Якісний аналіз має також і самостійне значення як один із способів ідентифікації органічних сполук.

Для відкриття усіх елементів(за винятком кисню), що входять до складу органічних речовин, існують добре розроблені якісні реакції. Про присутність кисню судять на основі результатів кількісного аналізу.

Атоми елементів, що утворюють молекулу органічної речовини, зазвичай сполучені ковалентними зв'язками, і тому органічні сполуки не здатні диссоціювати у водних розчинах з утворенням відповідних іонів. Між тим велика частина якісних реакцій використовуваних в аналітичній хімії для визначення окремих елементів, є іонними реакціями. Тому першим завданням аналізу органічної речовини є руйнування його молекули; при цьому атоми, що утворюють її, переходять в мінеральні з'єднання, що легко відкриваються звичайними реакціями аналітичної хімії. Найбільш звичайними способами руйнування органічних речовин є: 1) окислення і 2) сплав з лужними металами - натрієм або калієм.

Для визначення вмісту вуглецю і водню органічну речовину спалюють до СО₂ і Н₂О й потім визначають кількість продуктів згорання. Здатність речовини при нагріванні (прожарюванні) в фарфоровому тиглі або на платиновому шпателе горіти коптять небо полум'ям або розкладатися з утворенням обвуглене залишку є достатнім доказом присутності в ньому вуглецю. Але далеко не всі органічні речовини здатні горіти або обвуглюватися при нагріванні. Загальним способом, придатним для відкриття вуглецю у всіх органічних сполуках, що дозволяє одночасно виявити присутність водню, є прожарювання їх з окисом міді.

Окис міді, необхідну для цієї реакції, піддають наступній попередній обробці. У невелику порцелянову чашку поміщають близько 2 г порошкоподібної окису міді, нагрівають на пальнику або в муфельній печі до темно-червоного розжарювання, прожарюють кілька хвилин і дають охолонути.

Для відкриття вуглецю і водню беруть тугоплавку вузьку пробірку (100Х100 мм), всипають в неї близько 0,5 г окису міді, додають близько 1 мг досліджуваної речовини, добре перемішують його з окисом міді мідним дротом і зверху насипають ще 1-1,5 г окису міді. Пробірку закривають гумовою пробкою, через яку проходить П-образно вигнута скляна трубка. Зміцнивши пробірку злегка похило в штативі, опускають зовнішній кінець скляної трубки в іншу пробірку, в яку наливають баритові воду. Після цього починають нагрівати невеликим полум'ям газового пальника спочатку верхній шар окису міді, а потім нижню частину пробірки, де знаходиться досліджувана речовина, змішане з окисом міді. Якщо до складу речовини входить вуглець, то в результаті його окислення окисом міді утворюється вуглекислий газ, що викликає помутніння баритової води і випадання осаду вуглекислого барію.

Присутність водню виявляють по осадженню крапель води у верхній частині пробірки і на стінках газовідвідної трубки.

Відкриття азоту

Азотвмісні органічні речовини при сплаві з металевим натрієм (або калієм) розкладаються з утворенням ціаністого натрію (чи калію), який може бути легко виявлено за допомогою реакції утворення берлінської лазурі.

У маленьку суху тугоплавку пробірку (60Х5 мм) поміщають невеликий (розміром з горошину) шматочок металевого натрію і додають 1-2 мг досліджуваної речовини. Пробірку захоплюють зажимом для пробірок і спочатку обережно підігрівають у полум'ї пальника, після того як речовина почне обвуглюватися, нагрівають до початку червоного розжарювання. Ще гарячу пробірку занурюють в невелику кількість води (6-10 мл), що знаходиться в порцеляновій чашці. Пробірка при цьому розтріскується а надлишок натрію вступає в реакцію з водою. Водний розчин підігрівають і фільтрують через маленький фільтр. До 2-3 мл фільтрату * 1 додають декілька крапель насиченого на холоду розчину сірчанокислого закисного заліза (попередньо прокип'яченого і містить тому домішка солі окисного заліза). Суміш, яка повинна мати лужну реакцію (перевірити лакмусовим папірцем), кип'ятять півхвилини, швидко охолоджують і підкисляють розбавленою соляною кислотою. Поява синьо-зеленого забарвлення і поступове утворення синього осаду берлінської лазурі вказує на присутність азоту в досліджуваному речовині:

2NaCN + FeSO₄ а Fe (CN)₂ + Na₂SO₄

Fe (CN) ₂ + 4NaCN а Na₄ [Fe (CN) ₆]

3Na₄ [Fe (CN) ₆] + 4FeCl₃ а Fe₄ [Fe (CN) ₆] ₃ + 12NaCl

За відсутності азоту розчин має жовте забарвлення.

Також азот визначають методом Кьельдаля – сполуки, які містять азот, спалюють в концентрованій H₂SO₄ в присутності каталізатору. При цьому азот переходить в сульфат амонію, з якого дією лугу витіснять аміак, який поглинають і титрують.

Відкриття галоідів

1) Реакція Бейльштейна. Беруть відрізок мідного дроту завдовжки близько 12 см і кінець її згинають в маленьку петлю. Інший кінець дроту закріплюють в пробці, що служить ручкою. Дріт нагрівають у полум'ї газового пальника до тих пір, поки вона не перестане забарвлюватися в зелений колір. Після того як дріт кілька охолоне, але ще залишиться гарячою, поміщають в петлю дроту невелика кількість досліджуваної речовини і знову нагрівають у полум'ї грілки. Фарбування полум'я в синій або зелений колір (викликається освітою летючої при високих температурах галоїдних міді) вказує на присутність галоідів в досліджуваній речовині. За тривалістю фарбування можна приблизно судити про кількісний вміст галоіду * 2.

2) Невелику пробу фільтрату, отриманого при сплаві речовини з металевим натрієм, підкисляють розведеною азотної кислотою і додають декілька крапель розчину азотнокислого срібла * 3. У разі присутності в досліджуваному речовині галоіду випадає осад галоїдного срібла.

Для того щоб дізнатися, який саме з галоидов присутня в речовині, надходять у такий спосіб. Пробу фільтрату, отриманого після сплавлення речовини з натрієм, підкисляють сірчаною кислотою, додають трохи розчину азотнокислого натрію і струшують з невеликою кількістю хлороформу. У присутності йоду хлороформенний шар забарвлюється у фіолетовий колір. Для виявлення брому пофарбований йодом хлороформенний шар відокремлюють за допомогою ділильної воронки (якщо йод не виявлений, то хлороформ відокремлювати не потрібно), до водного шару додають трохи хлорної води і знову струшують з хлороформом. У присутності брому хлороформенний шар набуває коричневого забарвлення.

3) Для визначення хлору використовують метод спалювання, метод омилення.

Відкриття сульфуру

1) На невеликій пробі фільтрату, отриманого після сплавлення досліджуваної речовини з металевим натрієм, додають декілька крапель свіжоприготованого дуже розведеного розчину нитропруссида натрію Na 2 [Fe (CN) 5 (NO)]. Поява інтенсивного червоно-фіолетового фарбування вказує на присутність сірчистого натрію в розчині (і, отже, на наявність сірки в досліджуваній речовині).

2) до 1 мл того ж фільтрату доливають до 2-3 мл 10%-ного розчину їдкого натра, до якого попередньо додано кілька крапель розчину оцтовокислого свинцю. Освіта чорного осаду сірчистого свинцю вказує на присутність сірки в досліджуваній речовині.

5. Відкриття інших елементів

Крім перерахованих вище елементів, у складі органічних сполук можуть зустрічатися фосфор, миш'як і різні метали.

Для відкриття фосфору речовину сплавляють з металевим натрієм (як при визначенні азоту), розплав розчиняють у воді, фільтрують, беруть 1 мл фільтрату, додають 3 мл концентрованої азотної кислоти і кип'ятять протягом 1 хв. Потім до отриманого розчину додають подвійний об'єм розчину молібденовокислого і нагрівають до 60 °. У присутності фосфору випадає жовтий осад фосфорномолибденовокислого амонію.

Фосфор може бути також виявлений після сплавлення речовини (близько 0,02 г) у нікелевому тиглі з сумішшю 2 г безводного вуглекислого натрію і 3 г перекису натрію. Розплав по охолодженні розчиняють у воді, підкисляють азотною кислотою і відкривають фосфор реакцією з молібденовокислого амонієм.

Миш'як виявляють по освіті темно-сірий дзеркала металевого миш'яку при сплаві досліджуваної речовини з металевим натрієм. Якщо лужний розчин, отриманий при розчиненні розплаву в воді, підкислити соляною кислотою і пропустити через нього сірководень, то виділяється жовтий осад трехсерністого миш'яку.

Для відкриття різних металів досліджувана речовина прожарюють в тиглі, переводячи метали у відповідні оксиди або вуглекислі солі (срібло, золото і платина виділяються при цьому в вигляді вільних металів). Отриману золу розчиняють в розведеної соляної кислоти (у разі утворення металевого королька - в азотній кислоті або царській горілці) і розчин відчувають на присутність різних катіонів звичайними методами аналітичної хімії.

Хімічні методи визначення органічних сполук засновані на реакціях їх функціональних груп.

Для аналізу різних сполук з однаковими групами використовують методи, засновані на одній і тій же реакції. Завдяки впливу будови молекули на реакційну здатність функціональних груп, умови проведення реакції різні.

Для кількісної характеристики суміші кислот, які мають незначну різницю в фізичних і хімічних властивостях, а також коли невідома точна молекулярна маса аналізованої кислоти, використовують умовний хімічний показник – кислотне число (к.ч.) або число нейтралізації, або коефіцієнтом нейтральності.

Кислотним числом називають кількість міліграмів КОН, необхідного для нейтралізації вільних кислот, які містяться в 1 г аналізованої речовини.

Кислотне число визначають для жирів, масел, смол, і воно є характеристикою якості готової продукції

Йодне число характеризує вміст ненасичених сполук в жирах і смолах і є важливим показником їх якості. Воно показує, скільки грамів галоїду в перерахунку на йод може приєднатися до 100 г даної речовини.

Бромне число – це кількість грамів брому, яке приєднується до 100 г речовини. За його допомогою визначають подвійні зв’язки в спиртах, альдегідах, кетонах, простих і складних ефірах і кислотах.

Число омилення (ч.о.) відповідає кількості міліграмів КОН, необхідного для нейтралізації вільних кислот і омилення ефірів, які містяться в 1 г аналізованої речовини.

Ефірне число відповідає кількості міліграмів КОН, необхідному для омилення складних ефірів, які містяться в 1 г аналізованої речовини, і визначається як різниця між числом омилення і кислотним числом.

Реакцію омилення проводять лугом. Швидкість омилення залежить від концентрації ОН^—іонів в розчині і температури, природи ефіру.

Дата добавления: 2015-08-28