INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
	CHEMIA OGÓLNA LABORATORIUM
I ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 17 B	22.06.2011
Chemia organiczna I i II TEMAT 13 AUTORZY OPRACOWANIA: Jakub Burdajewicz Marek Stańko

1. Część Teoretyczna

1. Alkohole - związki organiczne zawierające jedną lub więcej grup hydroksylowych połączonych z atomem węgla w hybrydyzacji sp³.

W języku potocznym przez "alkohol" rozumie się zazwyczaj alkohol etylowy (etanol) lub napój alkoholowy.

Najprostsze i najczęściej spotykane w życiu codziennym alkohole, to zawierające jedną grupę hydroksylową w cząsteczce, pochodne alkanów o wzorze ogólnym C_nH_2n+1OH - alkohole monohydroksylowe. Noszą nazwę alkanole (m.in. metanol, etanol, propanol). Analogiczne związki organiczne, w których grupa hydroksylowa połączona jest z węglem w hybrydyzacji sp² to fenole (hydroksylowe pochodne benzenu i innych związków aromatycznych) lub enole (hydroksylowe pochodne alkenów).

Ze względu na obecność silnie elektroujemnego atomu tlenu i związanego z nim atomu wodoru alkohole tworzą wiązania wodorowe, ulegając asocjacji w większe struktury. Niższe alkohole takie jak metanol, etanol i propanol mają niskie temperatury wrzenia i dużą lotność:

• metanol: T_w = 65 °C

• etanol: T_w = 79 °C

• propan-2-ol: T_w = 82 °C

• propan-1-ol: T_w = 97 °C

Niższe alkohole doskonale rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych (np. woda), natomiast wyższe lepiej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych (przeważa część hydrofobowa). Obowiązuje zasada podobne rozpuszcza się w podobnym.

1. Aldehydy są związkami zawierającymi grupę aldehydową (-CHO), która ma bardzo duży wpływ na właściwości tych związków. Podstawnikiem w grupie aldehydowej może być zarówno grupa alkilowa jak i arylowa. Z tego względu wyróżniamy aldehydy alifatyczne i aromatyczne.

Aldehydy są cieczami albo ciałami stałymi, wyjątek stanowi najprostszy aldehyd - aldehyd mrówkowy, formaldehyd, który jest gazem. Aldehydy powstają na skutek utlenienia alkoholi pierwszorzędowych. Obecność wiązania podwójnego w grupie karbonylowej powoduje, że aldehydy wykazują dosyć dużą aktywność chemiczną. Aldehydy ulegają reakcjom utleniania. Mają one silne właściwości redukcyjne. Na ogół aldehydy są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie. Znajdują szerokie zastosowanie w syntezach organicznych, ponieważ ulegają one reakcjom między innymi z amoniakiem, cyjanowodorem. Te związki organiczne ulegają polimeryzacji. Aldehydy aromatyczne (takie jak na przykład aldehyd benzoesowy, anyżowy), które posiadają bardzo przyjemne zapachy oraz nienasycone aldehydy terpenowe (np. cytronelal) są spotykane w świecie roślin.

Nazwy aldehydów tworzy się poprzez dodanie do nazwy łańcucha głównego końcówki -al., albo z nazwy odpowiedniego kwasu, przez zamianę słowa kwas przez słowo aldehyd. Niektóre aldehydy posiadają nazwy zwyczajowe, np aldehyd mrówkowy – metanal.

Aldehydy znalazły zastosowanie w syntezach organicznych (otrzymywanie tworzyw sztucznych i barwników), w przemyśle spożywczym i kosmetycznym (jako aromaty spożywcze i składniki kompozycji zapachowych). Są stosowane także w garbarstwie (aldehyd glutarowy). Wodny roztwór aldehydu mrówkowego, zwany formaliną jest używany do konserwacji preparatów biologicznych.

1. Kwasy karboksylowe – grupa organicznych związków chemicznych zawierająca grupę karboksylową.

Atom wodoru w grupie karboksylowej może się łatwo odszczepiać w formie jonu wodorowego, co zgodnie z teorią Arrheniusa nadaje tym związkom charakter kwasowy. Kwasy karboksylowe tworzą chętnie wiązania wodorowe z grupami nukleofilowymi - aminową, hydroksylową i innymi. Kwasy karboksylowe z krótkimi grupami alkilowymi są dobrze rozpuszczającymi się w wodzie cieczami o ostrym, nieprzyjemnym zapachu i toksycznych własnościach. Wraz ze wzrostem długości grupy alkilowej wzrasta temperatura topnienia tych kwasów. Kwasy karboksylowe zawierające poniżej 10 atomów węgla są cieczami w temperaturze pokojowej, a zwierające więcej niż 10 atomów węgla, ciałami stałymi. Kwasy monokarboksylowe zawierające 4–28 atomów węgla o prostym łańcuchu noszą nazwę kwasów tłuszczowych (czasem pojęcie kwasów tłuszczowych rozszerza się na wszystkie alifatyczne niecykliczne kwasy karboksylowe). Nazwy systematyczne kwasów karboksylowych tworzy się od nazwy węglowodoru, który ma w cząsteczce tą samą liczbę atomów węgla dodając końcówkę -owy
Kwasy karboksylowe tworzą szereg homologiczny.

W nazewnictwie kwasów karboksylowych przyjmuje się nazwy zwyczajowe, wywodzące się najczęściej od nazwy miejsca ich występowania, np. HCOOH – kwas mrówkowy. Kwasy karboksylowe są mało lotne. Wraz ze wzrostem wielkości cząsteczki wzrastają temperatury topnienia i wrzenia kwasów karboksylowych. Wszystkie kwasy łatwo krystalizują.
Kwasy zawierające od 1 do 4 atomów węgla w czasteczce mieszają się z wodą w każdym stosunku,
a zawierające do 12 atomów węgla w czasteczce, rozpuszczają się dobrze w alkoholu.
Niższe kwasy karboksylowe są cieczami o ostrym zapachu, kwasy o średniej wielkości są oleistymi cieczami
o przykrej woni, a kwasy długołańcuchowe ciałami stałymi lub cieczami w zależności od stopnia nienasycenia.
Kwasy karboksylowe są aktywnymi chemicznie związkami, a ich właściwości chemiczne wynikają z obecności grupy karboksylowej.

1. Estry – grupa organicznych związków chemicznych będąca produktem kondensacji kwasów karboksylowych i alkoholi. Estrami nazywa się też produkty kondensacji alkoholi i kwasów nieorganicznych.

Bezpośrednia reakcja między kwasem karboksylowym i alkoholem nazywa się estryfikacją. Reakcja ta jest odwracalna, zachodzi w środowisku kwaśnym.

Oprócz bezpośredniej syntezy z kwasu karboksylowego i alkoholu można je też otrzymywać w wyniku reakcji chlorków kwasowych lub bezwodników kwasów karboksylowych z alkoholami oraz w wyniku reakcji transestryfikacji – czyli reakcji wymiany jednego estru z drugim.

Estry są związkami wrażliwymi na silne kwasy i zasady. W wyniku działania silnych zasad na wiązanie estrowe powstaje z powrotem alkohol i sól kwasu karboksylowego. Silne kwasy również prowadzą do rozkładu estrów. Reakcja rozkładu estrów katalizowana zasadowo w przypadku tłuszczów prowadzi do otrzymania mydeł i dlatego nazywa się ją zmydlaniem estrów, nawet wtedy gdy nie chodzi o estry będące tłuszczami.

Estry niższych kwasów karboksylowych i alkoholi alifatycznych o krótkich łańcuchach węglowych są cieczami słabo mieszającymi się z wodą, o intensywnym i dość przyjemnym zapachu. Są one jednak w większych dawkach toksyczne, a niektóre są też rakotwórcze. Estry te są stosowane jako rozpuszczalniki organiczne o średniej polarności.

Estry kwasów karboksylowych z długimi grupami alkilowymi, czyli z kwasami tłuszczowymi i alkoholami alifatycznymi o długich łańcuchach węglowych, są głównymi składnikami wosku naturalnego. Z kolei estry kwasów tłuszczowych i gliceryny to tłuszcze.

Ważne są też estry kwasów nieorganicznych i cukrów (patrz np. azotan celulozy, DNA). Zawsze jednak jeden ze związków musi być kwasem, a drugi posiadać grupę hydroksylową (patrz np. siarczan dietylu).

Otrzymywanie

Estry powstają w reakcji:

• kwasów karboksylowych z alkoholami,

• kwasów nieorganicznych z alkoholami.

Właściwości fizyczne

Estry niższych kwasów karboksylowych i alkoholi są cieczami słabo mieszającymi się z wodą, o intensywnym i dość przyjemnym zapachu, toksyczne w większych dawkach. Estry kwasów tłuszczowych i gliceryny to tłuszcze.

Właściwości chemiczne

Estry w wodzie ulegają hydrolizie, podobnie jak sole słabych kwasów nieorganicznych. Z wodorotlenkiem sodu lub potasu ulegają zmydlaniu.

Najważniejsze reakcje

• hydroliza,

• zmydlanie (reakcja estrów kwasów tłuszczowych i gliceryny z wodorotlenkiem sodu lub potasu).

Zapach estrów

Wiele estrów posiada intensywny, przyjemny zapach. Najliczniejszą grupą tego rodzaju estrów są pochodne kwasu octowego i kwasu masłowego:

1. Część Eksperymentalna

Chemia organiczna I:

1. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI GLICERYNY.

Odczynniki: gliceryna, woda, 10% roztwór CuSO₄ , 10% roztwór NaOH .

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety, papierki wskaźnikowe

1. Właściwości fizyczne.

Sposób wykonania: Do probówki wlaliśmy około 4 cm³ gliceryny, a następnie ostrożnie, po ściankach probówki, wkropliliśmy taką samą ilość wody. Po zbadaniu mieszaniny, papierek wykazał, że roztwór posiada pH obojętne.

1. Reakcja gliceryny z wodorotlenkiem miedzi (II).

Sposób wykonania: Poprzez dodanie do 1cm³ 10% roztworu siarczanu miedzi (II), 1cm³ 10% roztworu zasady sodowej, otrzymaliśmy szafirowy galaretowaty osad wodortlenku miedzi (II): 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Po dolaniu do niego 2cm³ gliceryny i dokładnym wstrząśnięciu, osad się rozpuścił.

Produktem tej reakcji jest glicerynian miedzi (II)

1. REAKCJA ALDEHYDU MRÓWKOWEGO Z AMONIAKALNYM ROZTWOREM TLENKU SREBRA (PRÓBA TOLLENSA).

Odczynniki: 1% AgNO₃, 10% NaOH, 15% r-r amoniaku, formalina.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety, łaźnia wodna.

Sposób wykonania: Do dokładnie umytej i odtłuszczonej probówki wlaliśmy 5 cm³ 1% roztworu azotanu srebra, dodaliśmy jedną kroplę 10% roztworu wodorotlenku sodu, a następnie stale mieszając, dodaliśmy kroplami 15% roztwór amoniaku, aż do rozpuszczenia wytrąconego początkowo osadu. Do przygotowanego w ten sposób odczynnika Tollensa wlaliśmy 1 cm³ formaliny, wymieszaliśmy i umieściliśmy probówkę w łaźni wodnej o temp. 60⁰C.

Po pewnej chwili roztwór zaczyna się odbarwiac a na ściankach probówki powstaje tzw. Lustro. Na dnie utworzył się czarny osad.

1. REAKCJA ALDEHYDU MRÓWKOWEGO Z WODOROTLENKIEM MIEDZI (II) ( PRÓBA FEHLINGA , ZWANA TAKŻE PRÓBĄ TROMMERA).

Odczynniki: 2%CuSO₄, 10% NaOH, formalina.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety, łaźnia wodna.

Sposób wykonania: Do dokładnie umytej i odtłuszczonej probówki wlaliśmy 5 cm³ 2% roztworu siarczanu miedzi (II) , a następnie dodawliśmy stopniowo wodorotlenku sodowego, aż do stopniowego wytrącenia się niebieskiego osadu. Wlaliśmy do probówki 1 cm³ formaliny i całość ogrzewaliśmy w łaźni wodnej o temp. 60⁰C.

Podczas obserwacji roztowru w łaźni zauważyliśmy rozjaśnienie się osadu i przybranie barwy lazurowej całego roztworu.

1. REAKCJA ALDEHYDU MRÓWKOWEGO Z NADMANGANIANEM POTASU.

Odczynniki: formalina, roztwór nadmanganianu potasu.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety.

Sposób wykonania: Do probówki wlaliśmy 1cm³ formaliny, po czym wkraplaliśmy powoli roztwór nadmanganianu potasu, wstrząsając zawartość probówki. Otrzymany w wyniku utleniania związek miał kolor brunatny.

Chemia organiczna II:

1. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI KWASÓW MONOKARBOKSYLOWYCH.

   2. Kwas octowy

Odczynniki: roztwór NaOH, roztwór kwasu octowego, fenoloftaleina .

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety.

Sposób wykonania: Do probówki wlaliśmy 5 cm³ rozcieńczonego roztworu wodorotlenku sodowego, dodaliśmy nieco roztworu fenoloftaleiny (powstało zabarwienie malinowe), a następnie dodaliśmy powoli roztworu kwasu octowego, aż do odbarwienia zawartości probówki. W tej reakcji kwas karboksylowy CH₃COOH reaguje z NaOH dając sól CH₃COONa, o odczynie obojętnym.

2. Kwas mrówkowy

Odczynniki: roztwór kwasu mrówkowego, woda destylowana, oranż metylowy.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety.

Sposób wykonania: Do probówki nalaliśmy 1 cm³ kwasu mrówkowego i 5 cm³ wody destylowanej. Następnie dodaliśmy kilka kropli oranżu metylowego. Wskaźnik w roztworze zabarwił się na czerwono.

1. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI KWASÓW DIKARBOKSYLOWYCH.

   2. Kwas szczawiowy

Odczynniki: kwas szczawiowy, roztwór CaCl₂ , woda destylowana, papierki wskaźnikowe.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety.

Sposób wykonania: Do probówki z wodą wrzuciliśmy kilka kryształków kwasu szczawiowego i zbadaliśmy odczyn otrzymanego roztworu papierkiem wskaźnikowym, mocno czerwony kolor wskazuje na skrajnie niską wartość pH. Po dodaniu kilku kropli roztworu soli wapniowej CaCl₂ nie stwierdziliśmy zmiany pH.

1. PORÓWNANIE MOCY KWASÓW KARBOKSYLOWYCH.

3.1.

Odczynniki: kwas mrówkowy, kwas octowy, lakmus, woda destylowana.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety.

Sposób wykonania: W dwóch probówkach umieściliśmy około 1 cm³ kwasu :
1) mrówkowego, 2) octowego i dodaliśmy do każdej probówki 5 cm³ wody destylowanej. Całość lekko wstrząsnęliśmy a następnie dodliśmy do każdej probówki po kilka kropli lakmusu. W obu probówkach uzyskaliśmy zabarwienie czerwone, co świadczy o właściwościach kwasowych obu mieszanin.

3.2.

Odczynniki: kwas mrówkowy, kwas octowy, węglan sodu lub potasu, woda destylowana.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety.

Sposób wykonania: Do dwóch probówek z kwasami mrówkowym i octowym dodaliśmy zamiast lakmusu, kilka kryształków węglanu sodu.

1. 2CH₃COOH + Na₂CO₃ 2CH₃COONa + H₂O + CO₂ – ulatniający się gaz to CO₂

2. 2HCOOH + Na₂CO₃ 2HCOONa + H₂O + CO₂ – również tutaj ulatnia się dwutlenek węgla, ale przebieg reakcji był dynamiczniejszy.

1. OTRZYMYWANIE ESTRÓW.

Odczynniki: alkohol etylowy, lodowaty kwas octowy, stężony kwas siarkowy.

Sprzęt laboratoryjny: probówki, pipety, łaźnia wodna.

Sposób wykonania: Do dwóch probówek wlaliśmy po 2 cm³ alkoholu etylowego i po 2 cm³ lodowatego kwasu octowego. Do pierwszej probówki dodaliśmy około 1 cm³ stężonego kwasu siarkowego i wstrząsnęliśmy zawartość probówki. Tak przygotowane mieszaniny umieściliśmy na 10 min w łaźni wodnej o temperaturze 70-80⁰C.

1. C₂H₅OH + CH₃COOH CH₃COOC₂H₅ + H₂O – powstaje ester – octan etylu, o owocowym zapachu (m.in. brzoskwinia, ananas, malina)

2. C₂H₅OH + H₂SO₄ C₂H₅OSO₃H + H₂O – powstał więc kwas etylosiarkowy, który w temperaturze 170⁰C może utworzyć etylen – eten.

1. Podsumowanie i Wnioski

• Gliceryna łączy się w dowolnym stosunku z wodą, dając odczyn obojętny.

• W reakcji gliceryny z wodorotlenkiem miedzi (II) grupy hydroksylowe gliceryny są donorami par elektronowych, między tymi grupami a atomami miedzi powstają wiązania koordynacyjne. Jest to reakcja charakterystyczna i pozwala na rozpoznanie alkoholu wielowodorotlenowego.

• Czarny osad na dnie, przy próbie Tollensa świadczy o niedokładnie umytym i odtłuszczonym naczyniu, przy spełnieniu wszystkich koniecznych warunków, lustro powinno pojawić się tylko na ściankach.

• W próbie Trommera (ćw. 2), która służy do wykrywania aldehydów, powinniśmy po ogrzaniu otrzymać czerwone zabarwienie roztworu, otrzymany przez nas roztwór koloru lazurowego mógł być wynikiem zbyt krótkiego rozgrzania.

• Nadmanganian potasu, w kontakcie z alkoholami i aldehydami jest silnym utleniaczem. Utlenił on formalinę do kwasu karboksylowego, a powstały brunatny kolor, świadczył o przeprowadzaniu reakcji w środowisku obojętnym.

1. Literatura

   • S. Hejwowska, R. Marcinkowski, J. Staluszka „Chemia 3”, Operon, Gdynia 2005

   • Bobrański B. „Chemia organiczna.”, PWN, Warszawa 1992