Сборник методических указаний по органической химии. 243.МУЛР.ПН.ОП.03.КНГС.001-17. Сборник методических указаний для студентов по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
Тема «Алканы» Лабораторная работа №1 «Качественный анализ органических веществ. Получение и свойства метана» Цель: получить метан лабораторным способом, исследовать его свойства, провести качественный анализ органического вещества. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: особенности строения и свойства органических веществ; получение и свойства метана. Краткие теоретические материалы Органическая химия – химия углеводородов и их производных, т.е. продуктов,образующихся при замене атомов водорода другими атомами или группами атомов. Качественный элементный анализ позволяет определить, из каких элементов построены молекулы данного органического вещества. Наиболее часто в состав органических веществ, помимо углерода и водорода входят кислород, сера, азот и галогены. При выполнении элементного анализа органическое соединение разлагают таким образом, чтобы исследуемые элементы перешли в состав неорганических веществ. При этом углерод переходит в оксид углерода (IV), водород – в воду, азот – в цианид-ион, аммиак или молекулярный азот, сера в сульфид. Определение углерода и водорода 16 основано на окислении органического соединения оксидом меди (II) при нагревании. При этом органическое соединение разлагается с выделением оксида углерода (IV) и воды. Оксид открывают с помощью известковой воды, а воду – по образованию кристаллогидрата сульфата меди: R–CH 3 + n CuO → хCO 2 ↑ + yH 2 O + nCu; CO 2 + Сa(OH) 2 → СaCO 3 ↓ + H 2 O; CuSO 4 + 5H 2 O → CuSO 4 ⋅ 5H 2 O. белый голубой Алканы – углеводороды с незамкнутыми (открытыми) углеродными цепями, в молекулах которых все атомы связаны одинарными связями с общей формулой С n H 2n+2. Простейший представитель алканов метан СН 4 Алканы могут быть получены при сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью при темпера- туре 250…300 °С. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исход- ная карбоновая кислота. В этой реакции образуется СО2, который связывается щелочью. Отщепление от молекулы СО 2 называется декарбоксилированием. Реакция используется обычно для получения низших алканов – метана, этана. Кроме того метан может быть получен гидролизом карбида алюминия. Алканы проявляют большую инертность. В обычных условиях они не реагируют ни с галогенами, ни с окислителями, ни с концентрированными минеральными кислотами. Лишь в особых, жестких условиях они вступают в реакции замещения атомов водорода. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 8, 11, 14 Приборы и реактивы: Штатив с пробирками, , металлический штатив с зажимом, газоотводная трубка асбестированная сетка, спиртовка, спички, сахар-песок, порошок оксида меди (II), ацетат натрия, натронная известь, растворы бромной воды и перманганата калия. 17 Опыт №1 Качественное определение углерода и водорода окислением органических веществ В сухую пробирку поместите 0,2 г сахарного песку, предварительно тщательно перемешанного с 1–2 г порошка оксида меди (II). Закройте пробирку и закрепите в зажиме штатива почти горизонтально с уклоном вниз. Проверьте герметичность прибора: зажмите в руке пробирку со смесью и следите, будут ли выходить пузырьки воздуха из газоотводной трубки. Нагревайте смесь сначала осторожно, затем сильнее, до получения результатов. Оксид меди окисляет органическое вещество. Входивший в его состав углерод образует СО 2 , вызывающий помутнее известковой воды Са(ОН) 2 . Из водорода получается вода, капельки которой конденсируются на стенках в верхней части пробирки. Вода обнаруживается по изменению окраски безводного сульфата меди, помещенного в горлышке пробирки: СuSO 4 белые кристаллы → СuSO 4 ⋅ 5Н 2 О синие. Напишите уравнения реакций: 1) разложения сахара до углерода; 2) окислительно – восстановительную реакцию оксида меди (II) с углеродом; 3) взаимодействие СО 2 с известковой водой. Сделайте вывод. Опыт № 2 Получение и свойства метана Сухую пробирку с приготовленной смесью безводного ацетата натрия и натронной извести (1:2) закройте пробкой с газоотводной трубкой и закрепите горизонтально в зажиме. Нагревайте смесь сначала осторожно, затем сильно, пропуская образующиеся газ поочередно через растворы (по 1мл) бромной воды и перманганата калия. Проверните пробку с газоотводной трубкой горизонтально в бок и подожгите выделяющийся газообразный метан у конца трубки. Метан спокойно сгорает голубоватым пламенем. Прекратите нагревание. 18 Напишите уравнения реакций: 1) получения метана из ацетата натрия и щелочи; 2) горения метана. Объясните окраску пламени, учитывая соотношения С:Н, характер связи. Сделайте вывод о химической активности алканов на примере метана по его отношению к цветным реактивам. Выполните задания: 1. Рассчитайте массу 1л метана; вычислите относительную плотность метана по водороду D Н2 и гелию D Не 2. Вычислите, какой объем воздуха расходуется при полном сгорании 1л метана (в воздухе 21% кислорода, т.е. 1/5 по объему). 3. При проведение элементного микроанализа навески органического вещества было определенно процентное содержание: углерода 80% и водорода 20%. Плотность паров по водороду равна 15. Найдите молекулярную формулу вещества. 4. Определите молекулярную формулу органического вещества, содержащего 82,76% углерода и 17,24% водорода, если его молекулярная масса равна 58. 19 Тема «Алкены» Лабораторная работа №2 «Получение и свойства этилена» Цель: получить этилен лабораторным способом исследовать его свойства, обусловленные наличием непредельной связи. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: способыполучения и характерные свойства этилена. Краткие теоретические материалы Алкены – непредельные углеводороды с незамкнутыми углеродными цепями, молекулы которых содержат одну двойную углерод-углеродную связь с общей формулой C n H 2n . Простейший представитель алкенов этен (этилен) СН 2 =СН 2 Получение алкенов по механизму реакций элиминирования определяется рядом условий: природой уходящей группы, природой растворителя, строением соединения, а в случае дегидратации – концентрацией серной кислоты. Образование алкена протекает при внутремолекулярной дегидратации спирта. Как побочный процесс идет реакция замещения с образованием простого эфира. Преобладание реакций дегидратации над реакциями замещения возрастает при переходе от первичных к третичным спиртам. При повышении температуры также получают развитие реакции элиминирования. Например, при температуре 130°С из этанола образуется диэтиловый эфир, а при температуре 160°С – этилен. 20 При нормальных условиях этилен — бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0 °C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Этилен — химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 8, 11, 14 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, металлический штатив с зажимом, асбестированная сетка, спиртовка, спички, газоотводная трубка, кусочек пемзы, смесь этилового спирта (96%) и серной кислоты (1:3), растворы перманганата калия и бромной воды. Опыт №1 Получение этилена В пробирку с 4 мл смеси спирта – ректификата и концентрированной серной кислоты (1:3) поместите кусочек пемзы для равномерного кипения и предотвращения толчков при последующем нагревании, присоедините газоотводную трубку и закрепите пробирку в штативе. Медленно и осторожно нагревайте пробирку до начала равномерного выделения газа. Реакционная смесь при этом чернеет, так как в присутствии концентрированной серной кислоты появляется ряд продуктов окисления органических веществ, в том числе и уголь (С). Не прекращая нагревания, проделайте опыт № 2. Напишите уравнение реакции внутримолекулярной дегидратации этанола в молекулярном и структурном виде, отметьте роль H 2 SО 4 (конц.) и пемзы. Сделайте вывод. 21 Опыт №2 Свойства этилена а) Взаимодействие этилена с бромной водой (бромирование) и раствором перманганата калия (окисление в мягких условиях) Возьмите 2 маленькие пробирки, налейте в одну 1мл бромной воды, в другую 1мл раствора КМnО 4 . Затем в пробирку, не прекращая нагревания пробирки со смесью спирта и Н 2 S О 4 , опустите газоотводную трубку до дна сначала в пробирку с 1мл бромной воды, затем в пробирку с розовым раствором КMnО 4 Оба раствора быстро обесцвечиваются. Напишите уравнения реакций: 1) бромирования этилена в молекулярном и структурном виде; 2) окисления этилена в молекулярном и структурном виде. б) Горение этилена Не прекращая нагревания, разверните газоотводную трубку в горизонтальное положение, выделяющийся газ подожгите у кончика газоотводной трубки. Напишите наблюдения. Напишите уравнение реакции горения этилена на воздухе. Объясните, почему этилен горит светящимся пламенем. Дайте названия продуктам, объясните причины исчезновения окраски цветных растворов, сделайте вывод о строении и свойствах этилена. Выполните задания: 1. Напишите 10 структурных формул изомеров алкена n=7, дайте им название по международной номенклатуре. 2. Составьте структурные формулы веществ: а) 2-метилбутен-2; б) 2,2,6-триметилгексен-3; в) 2,3-диметилгексен-3; г) 2,2,6-триметил-4- этилгептен-3. 3. Напишите в структурном виде реакцию гидрогалогенирования 3- метилбутенола-1, учитывая правило Марковникова. 4. Опишите пространственную (цис-транс) изомерию для бутена-2. 22 Тема «Алкины» Лабораторная работа № 3 «Получение и свойства ацетилена» Цель: получить ацетилен карбидным способом, доказать наличие ненасыщенных связей. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: способыполучения и характерные свойства ацетилена. Краткие теоретические материалы Алкины – непредельные углеводороды с незамкнутыми углеродными цепями, молекулы которых содержат одну тройную углерод – углеродную связь с общей формулой C n H 2n-2 . Простейший представитель алкинов этин (ацетилен) СН≡СН. В лабораторных условиях ацетилен получают взаимодействием карбида кальция и воды. Ацетилен при обычных условиях – газ. Горит сильно коптящим пламенем. Химические свойства алкинов обусловлены природой тройной связи, особенностями атомов углерода в состоянии sp-гибридизации. Алкины вступают в реакции присоединения: гидрирования, галогенирования, гидрогалогенирования, гидратации (реакция Кучерова); реакции полимеризации; реакции замещения; реакции окисления с частичным или полным разрывом молекулы по тройной связи. Особенностью алкинов, имеющих концевую тройную связь (терминальные алкины), является их способность отщеплять протон под действием сильных оснований, т.е. проявлять кислотные свойства и образовывать солеподобные ацетилениды. 23 Возможность отщепления протона обусловлена сильной поляризацией σ-связи С-Н, так как атом углерода в состоянии sp–гибридизации обладает высокой электроотрицательностью. Образование алкинами ацетиленидов, в отличие от алканов и алкенов, является качественной реакцией на атом водорода при тройной связи и используется для выделения терминальных алкинов их смесей. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 8, 9 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, асбестированная сетка, спиртовка, спички, изогнутая газоотводная трубка, маленькая воронка, фильтровальная бумага, фарфоровая чашка, лучинка, кусочек карбида кальция, фенолфталеин, растворы перманганата калия и бромной воды, нитрат серебра, водный раствор аммиака, вода. Опыт №1 Получение ацетилена и его горение Проводите в вытяжном шкафу, так как неприятно пахнущие газообразные примеси к ацетилену фосфин РН 3 и сероводород Н 2 S ядовиты. В пробирку поместите маленький кусочек карбида кальция, налейте 0,5мл воды, закройте пробкой с изогнутой газоотводной трубкой. Наблюдается бурная реакция, сопровождающаяся выделением тепла (∆Н= –139 ккал). Подожгите ацетилен у конца газоотводной трубки. Пламя коптящее, так как чем больше массовая доля углерода в веществе, тем больше копоти выделяется при его сгорании, к тому же в молекуле присутствует тройная связь, на разрыв которой затрачивается энергия. Размонтируйте прибор, добавьте в пробирку 1-2 капли фенолфталеина – раствор приобретает розовую окраску. 24 Напишите уравнения реакций: 1) в молекулярном и структурном виде получения ацетилена карбидным способом; 2) горения ацетилена. Сделайте вывод, указав рН среды, объясните причины появления копоти при горении. Опыт № 2 Свойства ацетилена а) Обесцвечивание цветных реактивов В пробирку с карбидом кальция добавьте еще 1мл воды, закройте пробкой с изогнутой газоотводной трубкой и выделяющийся газ поочередно пропустите через растворы бромной воды и подкисленного перманганата калия (по 1 мл). Растворы обесцвечиваются. Напишите уравнения реакций: 1) в молекулярном и структурном виде бромирования ацетилена по типу присоединения до 1, 1, 2, 2 – тетрабромэтана через 1, 2 – дибромэтен; 2) окислительно-восстановительную реакцию окисления ацетилена до муравьиной кислоты. Сделайте вывод об особенностях строения ацетилена. б) Образование металлических производных ацетилена К 5 мл 10%–го раствора нитрата серебра добавьте 10%–й раствор аммиака до полного растворения образующегося вначале темно-серого осадка оксида серебра. Через полученный прозрачный раствор пропускают ацетилен, получаемый из карбида кальция. Выпавший осадок ацетиленида серебра отфильтровывают, сушат. Небольшое количество порошка помещают в фарфоровую чашечку и поджигают длинной лучинкой. Напишите уравнения реакций: 1) образования ацетиленидов; 2) разложение ацетиленидов при действии хлороводородной кислоты. Сделайте вывод о свойствах терминальных алкинов. 25 Выполните задания: 1. Вычислите массовую долю раствора гидроксида кальция, полученного при взаимодействии карбида кальция массой 32 кг с водой объемом 200 л. 2. На технический карбид кальция массой 120 кг подействовали водой. При этом образовался газ объемом 33,6 м 3 . Определите массовую долю чистого карбида кальция в техническом. 3. Составьте уравнение реакции получения С 2 Н 2 термическим крекингом метана. 4. Охарактеризуйте химические свойства алкинов (на примере пропина), напишите уравнения реакций и укажите условия их проведения: а) присоединения (H 2 , Br 2 , HBr, HOH); б) горения; в) замещения (с аммиачным раствором AgNO 3 ); 26 Тема «Ароматические углеводороды» Лабораторная работа № 4 «Свойства ароматических углеводородов» Цель: изучить некоторые физические и химические свойства бензола и его гомологов. Сравнить реакционную способность бензола и толуола. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: способыполучения и характерные свойства ароматических углеводородов. Краткие теоретические материалы Арены – ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец (в том числе конденсированных). Общая формула ароматических углеводородов C n H 2n-6. Примеры — бензол, толуол, нафталин, антрацен, фенантрен. Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне. Бензольное ядро обладает высокой прочностью, чем и объясняется склонность ароматических углеводородов к реакциям замещения. В отличие от алканов, которые также склонны к реакциям замещения, ароматические углеводороды характеризуются большой подвижностью атомов водорода в 27 ядре, поэтому реакции галогенирования, нитрования, сульфирования и др. протекают в значительно более мягких условиях, чем у алканов. Несмотря на то, что бензол по составу является ненасыщенным соединением, для него не характерны реакции присоединения. Типичными реакциями бензольного кольца являются реакции замещения атомов водорода – точнее говоря, реакции электрофильного замещения. Реакция сульфирования осуществляется концентрированной серной кислотой или олеумом (олеум – это раствор серного ангидрида в безводной серной кислоте). В процессе реакции водородный атом замещается сульфогруппой, приводя к моносульфокислоте. Бензольное ядро более устойчиво к окислению, чем алканы. Даже перманганат калия, азотная кислота, пероксид водорода в обычных условиях на бензол не действуют. При действии же окислителей на гомологи бензола ближайший к ядру атом углерода боковой цепи окисляется до карбоксильной группы и дает ароматическую кислоту. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки.Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку). Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 8, 9, 14 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, асбестированная сетка, спички, спиртовка, пробиркодержатель, стакан, фарфоровая чашка, газоотводная трубка, порошок железа, бензойная кислота, бензол, толуол, этанол натронная известь, диэтиловый эфир, бензол, бромная вода, раствор перманганата калия, серная кислота, вода. 28 Опыт № 1 Получение бензола и изучение его свойств а) Получение бензола В ступке приготовьте тонко измельченную смесь из 2 г бензойной кислоты и 4 г натронной извести. Полученную смесь пересыпьте в пробирку и закройте пробкой с газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки опустите в сухую пробирку, охлаждаемую водой со льдом (или снегом). Пробирку со смесью тщательно прогрейте в пламени спиртовки до образования прозрачного раствора. При дальнейшем нагревании в приемной пробирке образуется бензол, который обычно кристаллизуется. Он имеет характерный запах. Опишите наблюдаемые явления. Какое агрегатное состояние имеет бензол? Напишите уравнение реакции получения бензола в молекулярном и структурном виде. б) Растворимость бензола в растворителях Полученный бензол разделите на три пробирки. В первую добавьте 1 мл воды, во вторую – 1 мл этанола, в третью – 1 мл диэтилового эфира. Взболтайте содержимое пробирок и наблюдайте растворимость в данных растворителях. Сделайте вывод о растворимости бензола в воде и органических растворителях в) Горение бензола Поместите в фарфоровую чашечку 1 каплю бензола и подожгите его ( опыт проводите в вытяжном шкафу!). Составьте уравнение горения бензола на воздухе. Отметьте характер горения и сравните с горением метана. г) Отношение к галогенам и окислителям при нормальных условиях В две пробирки налейте по 0,5 мл очищенного бензола. В первую добавьте 1 мл бромной воды, во вторую – 1 мл раствора перманганата калия и одну каплю раствора серной кислоты и смеси энергично встряхните и дайте отстояться (опыт проводите в вытяжном шкафу!). Сделайте вывод о растворимости брома в воде и бензоле. 29 Опыт № 2 Бромирование бензола и толуола В две сухие пробирки налейте по 1 мл бензола, толуола. В каждую пробирку добавьте по 1 мл раствора бромной воды. Пробирки осторожно нагрейте в пламени спиртовки до слабого кипения. После охлаждения в пробирку с бензолом добавьте несколько крупинок порошка восстановленного железа и снова осторожно подогрейте смесь 2–3 минуты. Затем содержимое пробирки вылейте в пробирку с 2 мл воды. Аналогично проводят опыт и с толуолом. Возможно ли протекание реакции бензола и толуола с раствором брома? Зачем добавляют восстановленное железо? Какой из них бромируется легче, почему? Напишите уравнения бромирования бензола и толуола в присутствии железа и без него. Сделайте выводы о бромировании аренов с присутствием железа без него. Опыт № 3 Окисление гомологов бензола В пробирку налейте 0,5 мл толуола и добавьте такое же количество раствора перманганата калия, подкисленного каплей раствора серной кислоты. Содержимое пробирки встряхивайте в течение 1–2 минут. Опишите наблюдаемые явления и составьте уравнение реакции окисления толуола. Какие продукты образуются в результате реакций? Выполните задания: 1. Напишите уравнения реакций в молекулярном и структурном виде сульфирования и нитрования аренов назовите продукты реакций. 2 . Напишите структурные формулы аренов: 1,2-диметил-4,5-диэтилбензол; 1,3,5- триметилбензол; фенилацетилен; стирол; бензилхлорид. 30 |