1

ĆWICZENIE 4

ELEMENTARNA ANALIZA JAKOŚCIOWA

ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Celem ćwiczenia jest identyfikacja związku organicznego – ustalenie nazwy i

wzoru (sumarycznego i strukturalnego).

1. Próby wstępne – demonstracja

- próba spalania,

- wykrywanie węgla i wodoru,

- próba Beilsteina,

- stapianie z metalicznym sodem – przesącz sodowy.

2. Obserwacja substancji pod mikroskopem.

3. Wykrywanie azotu, siarki, fluorowców w przesączu.

4. Obliczenie wzoru uproszczonego na podstawie składu procentowego pierwiastków.

5. Badanie rozpuszczalności związku – zakwalifikowanie związku do określonej grupy

rozpuszczalności.

6. Wyznaczenie temperatury topnienia związku – demonstracja.

7. Ustalenie wzoru rzeczywistego związku i jego nazwy na podstawie zebranych

informacji – „Poradnik fizykochemiczny”.

2

Analiza jakościowa związków organicznych

Analiza jakościowa związków organicznych sprowadza się do wykrycia rodzaju

atomów pierwiastków tworzących cząsteczkę. W związku z tym, że większość związków

organicznych zawiera oprócz atomów węgla i wodoru jedynie atomy kilku innych

pierwiastków, takich jak: azot, siarka, tlen, fluorowce (chlor, brom jod), fosfor, względnie -

znacznie rzadziej, selen, krzem i niektóre metale, analiza jakościowa nie przedstawia

większych trudności.

Przed przystąpieniem do analizy należy wykonać tzw. próby wstępne, do których

należy:

- określenie stanu skupienia substancji, ewentualnie obserwacja kryształów pod

mikroskopem,

- ustalenie, czy jest to związek organiczny, wykonując próbę spalania i wykrywanie węgla i

wodoru,

- stwierdzenie, czy substancja zawiera fluorowce, na podstawie próby Beilsteina,

- zakwalifikowanie związku w stanie stałym do określonej grupy rozpuszczalności,

wykonując próby rozpuszczalności,

- przygotowanie substancji do wykrywania pozostałych pierwiastków (azotu, siarki i

fluorowców) – stapianie z metalicznym sodem.

Próba spalania

Analizę jakościową związku organicznego rozpoczyna się zwykle od próby spalania.

Jeżeli badana substancja pali się płomieniem (często kopcącym), lub po odpowiednim

prażeniu daje czarną pozostałość, która stopniowo zanika, substancja ta zawiera węgiel.

Wykonanie: ok. 0,1g badanej substancji umieszcza się na łyżce porcelanowej lub w

porcelanowym tygielku i ogrzewa się początkowo bardzo ostrożnie w płomieniu palnika,

następnie silniej, wreszcie praży się. Należy obserwować zachodzące zjawisko.

Wykrywanie węgla i wodoru

Węgiel i wodór można łatwo wykryć przez ogrzewanie związku z tlenkiem

miedziowym, dzięki czemu utlenia się do dwutlenku węgla, a wodór do wody:

O

H

CO

Cu

CuO

H

C

2

2

,

3

Wykonanie: ok. 0,1g substancji uprzednio osuszonej miesza się z 1-2g wyprażonego tlenku

miedziowego. Probówkę zatyka się korkiem z rurką zgiętą pod takim kątem, aby

wywiązujące się gazy mogły być odprowadzane pod warstwę klarownego roztworu

wodorotlenku wapniowego (wody wapiennej) znajdującego się w drugiej probówce. Po

odpowiednim zestawieniu aparatury ogrzewa się zawartość probówki z substancją

początkowo bardzo ostrożnie, potem stopniowo, aż do ciemnej czerwieni. Powstający w tych

warunkach CO

2

powoduje zmętnienie wody wapiennej, względnie powstanie białego osadu:

O

H

CaCO

OH

Ca

CO

2

3

2

2

Jeżeli w chłodniejszej części tej probówki pojawią się na ścianach kropelki wody, świadczą

one o obecności wodoru w badanej substancji.

Wyniki doświadczenia nie są miarodajne jeśli badana substancja była wilgotna lub

zawierała wodę krystalizacyjną.

Wykrywanie fluorowców - próba Beilsteina

Wykonanie: na drucie lub siatce miedzianej, wyprażonej w płomieniu palnika aż do zaniku

zielonego zabarwienia i ochłodzonej, umieszcza się szczyptę badanej substancji lub jej kroplę

i wprowadza się do nieświecącego płomienia palnika. W tych warunkach następuje rozkład

związku organicznego z wytworzeniem lotnych połączeń halogenomiedziowych, barwiących

nieświecący płomień na kolor intensywnie zielony.

Stapianie z metalicznym sodem

Pozostałe pierwiastki znajdujące się w analizowanym związku organicznym (azot,

siarkę, fluorowce) wykrywa się dopiero po przekształceniu ich w połączenia jonowe, dobrze

rozpuszczalne w wodzie. W tym celu wykonuje się stapianie z metalicznym sodem, które

powoduje rozkład związku, a pierwiastki, z których jest zbudowany, przekształcają się w

aniony. Azot, siarka i fluorowce, znajdują się w roztworze w postaci anionów: cyjankowego

CN

-

, siarczkowego S

2-

, chlorkowego Cl

-

, bromkowego Br

-

, jodkowego J

-

:

N S Cl Br J

NaCN Na S NaCl NaBr NaJ

Na

, , ,

,

,

,

,

,

2

Poszczególne aniony wykrywa się, metodami, stosowanymi w analizie jakościowej

nieorganicznej.

Wykonanie: w małej, suchej fiolce np. o wymiarach ok. 60x5mm umieszcza się na przemian

drobne kawałeczki metalicznego sodu z rozdrobnioną substancją. Tak przygotowaną fiolkę,

umieszczoną pionowo w łapie metalowej, ogrzewa się słabym płomieniem aż sód stopi się.

4

Następnie fiolkę rozgrzewa się do temperatury tzw. czerwonego żaru i gorącą fiolkę wrzuca

się do parowniczki zawierającej około 10 cm

3

wody destylowanej. Jeżeli probówka nie pęknie

można rozbić ją za pomocą szklanej bagietki, probówkę rozdrabnia się i miesza zawartość

parownicy. Parowniczkę z roztworem ogrzewa się do wrzenia i sączy. Przesącz, który

powinien być bezbarwny względnie jasnożółty i alkaliczny, służy do wykrywania azotu,

siarki i fluorowców.

Wykrywanie azotu

Metoda Lassaigne

’

a: ok. 2 cm

3

przesączu po stopieniu ze sodem przenosi się do

probówki, dodaje około 0,1 - 0,2 g sproszkowanego FeSO

4

, mieszaninę ogrzewa się łagodnie

aż do zagotowania, wstrząsając probówką. Następnie dodaje się rozcieńczonego kwasu

siarkowego (VI) H

2

SO

4

aż do uzyskania odczynu kwaśnego.

4

2

6

4

4

6

SO

Na

CN

Fe

Na

FeSO

NaCN

Pod wpływem tlenu z powietrza część jonów żelaza (II) utlenia się do żelaza (III), które po

dodaniu kwasu siarkowego (VI) występują w postaci siarczanu (VI) żelaza (III) Fe

2

(SO

4

)

3

:

Fe

2+

2

O

Fe

3+

2Fe

3+

+ 3H

2

SO

4

Fe

2

(SO

4

)

3

+6H

+

Wytrącenie się niebieskiego osadu błękitu pruskiego Fe

4

[Fe(CN)

6

]

3

(lub pojawienie się

niebieskiego zabarwienia roztworu), świadczą o obecności azotu:

2Fe

2

(SO

4

)

3

+ 3Na

4

Fe(CN)

6

Fe

4

[Fe(CN)

6

]

3

↓+ 6Na

2

SO

4

.

Wykrywanie siarki

Jeżeli badana substancja zawiera siarkę, po dodaniu FeSO

4

, przy wykrywaniu azotu

metodą Lassaigne’a, wytrąca się czarny osad siarczku żelaza (II) FeS, który roztwarza się po

dodaniu rozcieńczonego H

2

SO

4

, z wydzieleniem siarkowodoru H

2

S:

Na

2

S + FeSO

4

FeS↓ + Na

2

SO

4

FeS↓ + H

2

SO

4

FeSO

4

+ H

2

S↑

Reakcja z nitroprusydkiem sodu: do 1cm

3

roztworu po stopieniu ze sodem (przesączu)

dodaje się kilka kropli świeżo przygotowanego, rozcieńczonego roztworu nitroprusydku

sodowego. Pojawienie się zabarwienia czerwonofioletowego, zanikającego po chwili,

świadczy o obecności siarki:

Na

2

S + Na

2

Fe(CN)

5

NO Na

4

Fe(CN)

5

NOS.

5

Wykrywanie fluorowców

Reakcja z azotanem (V) srebra: około 1cm

3

przesączu zakwasić w probówce

rozcieńczonym kwasem azotowym (V) HNO

3

i dodać kroplami roztwór azotanu (V) srebra

AgNO

3

. Strącanie się osadu świadczy o obecności fluorowca. Jeżeli substancja zawierała

chlor, tworzy się biały, serowaty osad AgCl, rozpuszczalny w amoniaku (można użyć stęż.) i

wytrącający się z powrotem po zakwaszeniu HNO

3

:

3

3

3

NaNO

AgCl

AgNO

NaCl

HNO

3

4

3

2

3

2

2

3

2

3

2

2

2

2

NO

NH

AgCl

HNO

Cl

NH

Ag

O

H

Cl

NH

Ag

O

H

NH

AgCl

W przypadku obecności bromu i jodu w analizowanej substancji, po dodaniu roztworu

AgNO

3

do przesączu zakwaszonego HNO

3

, powstają żółte osady bromku srebra AgBr i jodku

srebra:

3

3

NaNO

AgBr

AgNO

NaBr

3

3

NaNO

AgJ

AgNO

NaJ

Ustalenie wzoru uproszczonego związku.

Po określeniu składu jakościowego badanego związku, ustala się jego wzór

uproszczony , zwany również empirycznym, na podstawie wyników analizy ilościowej .

Przykład obliczeń: na podstawie analizy jakościowej i ilościowej ustalono, że badana

substancja zawiera ona węgiel, wodór, azot i tlen. Ich procentowa zawartość jest następująca:

C - 20,00%, H - 6,71%, N - 46,65%, O - 26,64% ( = 100,00%).

Na podstawie składu procentowego poszczególny pierwiastków należy obliczyć,

liczbę atomów węgla, wodoru, azotu i tlenu we wzorze empirycznym: C

x

H

y

N

z

O

f

Stosunek ilościowy poszczególnych pierwiastków jest wprost proporcjonalny do ich

mas atomowych pomnożony przez ich ilości:

20,00 : 6,71 : 46,65 : 26,64 = 12,011x : 1,00794y : 14,00674z : 15,9994f

x:y:z:f =

9994

,

15

64

,

26

:

00674

,

14

65

,

46

:

00794

,

1

71

,

6

:

011

,

12

00

,

20

x:y:z:f = 1,6651 : 6,6571 : 3,3305 : 1,6651

/

:1,6651

x:y:z:f = 1 : 4 : 2 : 1

Wzór C

1

H

4

N

2

O

1

jest wzórem empiryczny badanej substancji.

6

Rozpuszczalność połączeń organicznych

Celem ćwiczenia jest identyfikacja badanej substancji przez rozpuszczanie jej w

określonych rozpuszczalnikach. Rozpuszczalność substancji jest ściśle związana z budową

substancji. O rozpuszczalności substancji w pewnym stopniu decyduje podobieństwo budowy

substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Związki o charakterze polarnym rozpuszczają się

łatwiej w rozpuszczalnikach polarnych, natomiast związki o charakterze niepolarnym

trudniej.

Szkło i aparatura: probówki, zakraplacze.

Odczynniki: woda destylowana, 5% NaOH, 5% HCl, 5% NaHCO

3

,

stęż. H

2

SO

4

,

85% H

3

PO

4

, benzen.

Wykonanie: do probówki pobrać badaną substancję w ilości 0,1 g (lub 0,2 cm

3

) i rozpuścić

łącznie w 3 cm

3

danego rozpuszczalnika, dodając każdorazowo po 1 cm

3

rozpuszczalnika i

wytrząsając po każdej dodanej porcji.

Substancję uważa się za rozpuszczoną, jeżeli podane ilości rozpuszczą się w 3 cm

3

rozpuszczalnika. Jeżeli substancja nie rozpuszcza się natychmiast, należy wstrząsać probówkę

przez 1-2 minuty. Wszystkie próby wykonuje się w temperaturze pokojowej.

Przy oznaczaniu rozpuszczalności danej substancji postępować według załączonego schematu

i na tej podstawie zakwalifikować substancję do odpowiedniej grupy związków.

Poniżej przedstawiono schemat postępowania przy badaniu rozpuszczalności związku.

W schemacie znak „+” oznacza rozpuszczalność, a „-” nierozpuszczalność, E

1

- dobrze

rozpuszczalne, E

2

- związki polarne, kw

1

- mocne kwasy, kw

2

- słabe kwasy, Z - związki

zasadowe, R - związki obojętne, N - związki nie reagujące, O

1

- związki o słabszej

zasadowości i mniejszej apolarności, O

2

- związki apolarne (przewaga wpływów apolarnych).

Wyniki badań zestawia się w tabeli grup rozpuszczalności.

7

Schemat rozpuszczalności związków organicznych:

Woda

+__

_ _ -

↓

↓

Benzen (eter)

NaOH

+ -

+

-

↓

↓

E

1

E

2

NaHCO

3

HCl

+ - + - -

kw

1

kw

2

Z R

H

2

SO

4

+ -

↓

H

3

PO

4

N

+ -

O

1

O

2

Grupy rozpuszczalności związków organicznych

Grupy

Woda

Eter

NaOH

NaHCO

3

HCl

H

2

SO

4

H

3

PO

4

E

1

+

+

E

2

+

-

kw

1

-

+

+

kw

2

-

+

-

Z

-

-

+

R

-

-

-

O

1

-

-

-

+

+

O

2

-

-

-

+

-

N

-

-

-

-

8

Podział substancji organicznych należących do poszczególnych grupy rozpuszczalności:

E

1

- związki rozpuszczalne w benzenie (lub eterze) i wodzie: niższe homologi alkoholi, aldehydów,

ketonów, kwasów, estrów, fenoli, bezwodników, amin, nitryli, polifenoli;

E

2

- związki rozpuszczalne w wodzie i nierozpuszczalne w eterze : kwasy wielokarboksylowe i

hydroksykwasy, glikole, alkohole poliwodorotlenowe, określone amidy, aminokwasy, związki

poliaminowe,kwasy sulfonowe i sulfinowe, sole;

kw

1

i kw

2

- związki rozpuszczalne w 5% NaOH: kwasy, fenole, imidy, I i II rzędowe związki

nitrowe, merkaptany, tiofenole, kwasy sulfonowe, sulfinowe, alkilosiarkowe, sulfonamidy, niektóre

dwuketony;

Z - związki rozpuszczalne w 5% HCl: aminy I i II rzędowe, aminy alifatyczne, aryloalkiloaminy, III

rzędowe aminy alifatyczne i niektóre III rzędowe aryloalkiloaminy, hydrazyny;

O

1

, O

2

- związki nie zawierające azotu lub siarki, rozpuszczalne tylko w stężonym H

2

SO

4

:

węglowodory nienasycone, niektóre polialkilowe węglowodory aromatyczne, alkohole, aldehydy,

ketony, estry bezwodniki, etery, acetale, laktany, chlorki kwasowe;

N - związki nie zawierające azotu lub siarki, nie rozpuszczalne w stężonym H

2

SO

4

: węglowodory

nasycone alifatyczne, alicykliczne, aromatyczne, pochodne chlorowcowe węglowodorów 1, 2 i 3,

etery diarylowe;

R - związki zawierające azot lub siarkę, nie podane w grupach poprzednich: związki nitrowe III

rzędowe, amidy i pochodne aldehydów i ketonów, nitryle, aminy z podstawnikami ujemnymi,

związki nitrozowe, azo-, hydrazo-, sulfony, sulfonamidy, pochodne amin II rzędowych, siarczki,

siarczany.