Bài giảng Hóa hữu cơ - Bài 9: Kỹ thuật thí nghiệm hữu cơ

Nội dung text: Bài giảng Hóa hữu cơ - Bài 9: Kỹ thuật thí nghiệm hữu cơ

1. BÀI 9: KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM HỮU CƠ I. AN TOÀN TRONG THÍ NGHIỆM 1. Sử dụng hóa chất 2. Sử dụng các dụng cụ thuỷ tinh II. CÁC DỤNG CỤ THUỶ TINH 1. Cốc 2. Bình cầu và bình chưng cất 3. Các loại sinh hàn 4. Các loại phễu lọc, bình lọc: 5. Phễu chiết, phễu nhỏ giọt 6. Cột chưng cất phân đoạn 7. Máy khuấy, cách khuấy: III. CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ HỢP CHẤT HỮU CƠ 1. Kết tinh 2. Chưng cất (Chưng cất thường, phân đoạn, lôi cuốn hơi nước) 3. Chiết IV. ĐUN NÓNG, LÀM LẠNH, LÀM KHÔ 1. Đun nóng 2. Làm lạnh 3. Làm khô V. CÁC HẰNG SỐ VẬT LÝ QUAN TRỌNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHÚNG 1. Ðo nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ tại đó chất rắn chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng: 2. Đo nhiệt độ sôi (điểm sôi) 3. Đo tỷ trọng VI. CÁCH TÍNH HIỆU SUẤT PHẢN ỨNG I. An toàn trong thí nghiệm: 1. Sử dụng hóa chất: Biết sử dụng đúng hóa chất, các dụng cụ mang lại hiệu quả kinh tế, tránh được các biến cố nguy hiểm xảy ra Do đó cần phải lưu ý các điểm sau: - Các chất, dung môi dễ cháy không để gần lửa, không đun ngọn lửa trần. - Các chất, dung môi độc khi pha chế và sử dụng tiến hành trong tủ hút và phải cẩn thận: VD: không đổ nước vào acid đậm đặc, natri kim loại không để gần nước
2. - Không ngửi trực tiếp các chất dễ cháy, dễ bay hơi 2. Sử dụng các dụng cụ thủy tinh: - Khi cho ống thủy tinh qua nút phải cẩn thận rất dễ gãy. - Không được cho nước nóng, nước sôi vào dụng cụ thủy tinh đang lạnh hoặc ở nhiệt độ thường rất dễ bể. - Nếu bị đứt tay bằng thủy tinh cho chảy máu vài giây để chất bẩn ra hết rồi dùng cồn 90( rửa và băng lại. II. Các dụng cụ thủy tinh: 1.Cốc ( hình 1). 2. Bình cầu và bình chưng cất: Bình cầu có nhiều loại khác nhau: loại nút nhám, loại không nút nhám, loại đáy tròn, loại đáy bằng, bình 2 cổ, bình 3 cổ. Bình chưng cất 1 nhánh của Wurt, bình chưng cất Claisen. 3. Các loại sinh hàn: ( hình 3) - Sinh hàn không khí. - Sinh hàn ruột thẳng. - Sinh hàn ruột bầu. - Sinh hàn ruột xoắn. 4. Các loại phễu lọc, bình lọc: ( hình 4) a,b: phễu lọc thường bằng thủy tinh. c,d: phễu lọc ở áp suất thấp. e: phễu lọc bằng sứ, hoặc bằng thủy tinh - gọi là phễu lọc Bucner. f: phễu lọc xốp bằng thủy tinh của Solt. 5. Phễu chiết, phễu nhỏ giọt 6. Cột chưng cất phân đoạn: ( hình 6) - a: Cột chưng Vigrơ. - b: Cột chưng Glin. - c: Cột chưng Hempen ( có các liên kết). - d: Cột chưng có đĩa chưng ( 1 cột chưng với các đĩa) 7. Máy khuấy, cách khuấy: ( hình 7) a) Các kiểu cách khuấy. b) Máy khuấy cơ. c) Máy khuấy từ. III. Các phương pháp tinh chế hợp chất hữu cơ:
3. Có nhiều phương pháp tinh chế. Sau đây sẽ trình bày một số phương pháp đơn giản và thông dụng sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm và trong Công nghệ. 1. Kết tinh: Kết tinh dùng để tách các chất rắn ra khỏi hỗn hợp của chúng. Phương pháp kết tinh đơn giản nhất là phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hòa. Hòa tan chất rắn cần kết tinh trong dung môi thích hợp ở nhiệt độ sôi ( thường là nhiệt độ sôi của dung môi). Ðến khi chất tan tan hoàn toàn ( không thừa dung môi). Nếu dung dịch có màu thì thêm than hoạt tính ( hàm lượng 1→ 2% hàm lượng chất tan) và đun sôi dung dịch, rồi lọc nóng ngay loại chất bẩn ( giai đoạn lọc nóng thao tác nhanh). Dung dịch sau khi lọc để nguội từ từ sẽ kết tinh. Có thể lặp lại 2→ 3 lần. - Có thể tạo mầm tinh thể bằng hạt, bằng đũa thủy tinh. Tinh thể kết tinh đem làm khô. Ðiều quan trọng là phải biết chọn và thử dung môi hòa tan: các chất phân cực dễ tan trong dung môi phân cực, các chất không phân cực dễ tan trong dung môi không phân cực. Các dung môi phân cực: nước, alcon, ete, este, acid axetic. Các dung môi không phân cực: benzen, hexan, xyclohexan, CCl4, Cacbon diSunfua - Có thể dùng hỗn hợp dung môi. Chú ý: Các dung môi được chọn phải thỏa mãn một số tính chất sau: - Phải tan tốt chất hòa tan và rất ít tan ở nhiệt độ thường và lạnh. - Không phản ứng hóa học với chất tan. - Các tạp chất không tan với dung môi chọn ở nhiệt độ cao hoặc hòa tan tốt ở nhiệt độ thường và lạnh. - Dung môi chọn phải dễ dàng bay hơi khỏi bề mặt tinh thể. - Nhiệt độ sôi của dung môi phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chất rắn khoảng 10→ 15%. 2. Chưng cất ( chưng cất thường, phân đoạn, lôi cuốn hơi nước). - Chưng cất thường: các chất có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 150°C, bền với nhiệt độ, không bị phân hủy ở nhiệt độ sôi thì chưng cất thường. - Các chất có nhiệt độ sôi lớn hơn 150°C hoặc kém bền với nhiệt, kếm bền với chất oxi hóa thường được chưng cất dưới áp suất thấp. - Chưng cất có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 180°C hơi được ngưng tụ trong ống sinh hàn bằng nước lạnh. - Chưng cất có nhiệt độ sôi lớn hơn 180°C hơi được ngưng tụ bằng sinh hàn không khí. - Các chất có nhiệt độ sôi lớn hơn 200°C thì không cần sinh hàn. * Các chất có nhiệt độ sôi gần nhau thì phải chưng cất phân đoạn sử dụng các cột sắt đặc biệt như cột Hempen, cột chưng Vigrơ, cột chưng có đĩa chưng (hình 9).
4. Chưng cất phân đoạn là dựa vào sự khác nhau về thành phần hơi và thành phần ở thể lỏng của các cấu tử. Càng về sau thì tướng hơi giàu cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, tướng lỏng sẽ còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao. Nếu tạo thành hỗn hợp đẳng khí là do sự tác dụng tương hỗ phức tạp giữa các phần tử các chất lỏng với nhau ta có thể dùng phương pháp chưng cất phân đoạn dưới áp suất thấp, phương pháp làm lạnh hoặc có thể dùng phương pháp hóa học cho một chất hóa học vào để tác dụng với một trong các chất có trong hỗn hợp tách ra. Ðối với các chất hữu cơ ít tan trong nước, không phản ứng với nước có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ sôi của nước thường dùng phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước: dẫn hơi nước vào hỗn hợp, hơi nước sẽ lôi cuốn nó theo và được làm lạnh ngưng tụ lại. Phương pháp lôi cuốn hơi nước áp dụng cho các chất có nhiệt độ sôi lớn hơn 100°C ( theo sơ đồ). 3. Chiết: Chiết là quá trình chuyển một chất ở dạng hòa tan hay dạng huyền phù sang một tướng lỏng khác. Muốn chiết một chất ra khỏi một chất khác ta phải chọn dung môi chiết có độ hòa tan nhiều hơn chất kia. - Có một lượng dung môi xác định dùng để chiết không nên chiết một lần mà phải chia ra nhiều lần để chiết có hiệu quả hơn. - Dung môi dùng để chiết thường là: điêtylôle, benzen, ete, dầu hỏa, este, clorofom, CCl4. - Dung môi dùng để chiết có nhiệt độ sôi càng thấp càng tốt. - Dụng cụ chiết: phễu chiết, thiết bị chiết. - Phương pháp chiết: dung dịch chất tan và dung môi chiết cho vào phễu chiết lắc 5 → 15 ', để yên rồi chiết ra. Trường hợp sau khi lắc dung dịch tạo thành nhũ tương không phân lớp được ta cho vào một ít muối NaCl tinh khiết để làm thay đổi tỷ trọng, thì cân bằng thiết lập nhanh hơn hoặc cho vào dung dịch vài giọt rượu làm giảm sức căng bề mặt phân lớp sẽ nhanh hơn. - Chiết một chất rắn ra khỏi hỗn hợp các chất rắn khác người ta thường dùng dụng cụ chiết Sốclết. IV. Ðun nóng, làm lạnh, làm khô: 1. Ðun nóng: Các phản ứng hóa học thực hiện ở nhiệt độ cao cao hơn nhiệt độ bình thường cần phải gia nhiệt. - Ðun các chất dễ cháy, dễ bay hơi, đun bằng hơi nước, đun cách thủy - Các phản ứng hóa học sinh ra khi khí lạnh phải thực hiện trong tủ hút. 2. Làm lạnh: Nhiều phản ứng tỏa nhiệt, nhiều phản ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp cần phải làm lạnh
5. Thường sử dụng các chất để làm lạnh: nước, 3 phần nước đá + 1 phần muối ăn ( có nhiệt độ từ -50 → -20°C), 5 phần tinh thể CaO2. + 4 phần nước đá cho -50°C. - Dùng CO2 rắn + C2H5OH tuyệt đối cho -70°C. - CO2 rắn + ete cho -77°C. - CO2 rắn + acetol cho -78°C. 3. Làm khô: - Làm khô các chất khí O2, H2, N2, CO2, Cl2, HCl - Thường làm khô acid Sunfuaric đậm đặc trong hệ thống bình. - Làm khô chất rắn ngoài không khí, trong tủ xoáy kém bền nhiệt, thường được sấy khô trong chân không. Các chất dễ hút ẩm được sấy khô và bảo quản ở trong bình hút ẩm. * Các chất thường sử dụng làm khô CaCl2 khan (trừ rượu phenol, este, amin ). MgSO4 khan làm khô nước tốt, nhanh đối với các chất hữu cơ. Na2SO4 khan làm khô tốt cho amin, este P2O5 làm khô tốt và nhanh theo yêu cầu độ khô cao. Hợp chất hữu cơ Các chất làm khô R-X (Cl, Br, I ) CaCl2, CaSO4, P2O5 Rượu MgSO4, CaSO4, K2CO3, CaO Ete CaCl2, CaSO4 Adehyt CaCl2, MgSO4, Na2SO4 Acid hữu cơ MgSO4, Na2SO4, CaSO4 Amin KOH, NaOH, K2CO3, CaO Phenol Na2SO4 V. Các hằng số vật lý quan trọng và các phương pháp xác định chúng: Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối, khối lượng phân tử 1. Ðo nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ tại đó chất rắn chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng: - Nếu nhiệt độ nóng chảy của chất hữu cơ chỉ thay đổi trong khoảng 0,5 → 1°C thì xem là tinh khiết. - Phương pháp đo đơn giản: · Dụng cụ và hóa chất. 1 Cốc thủy tinh thể tích 100→ 250 ml. Ống mao dẫn đường kính 1→ 2mm, dài 80→120 mm một đầu bịt kín, một đầu hở. Cách đo: Cho chất rắn vào ống mao dẫn khoảng 0,001→ 0,05 g ( chất rắn thật khô, tán nhỏ) cột chất trong mao dẫn cao khoảng 2 - 5 mm là được. Buộc ống mao dẫn vào nhiệt kế bằng dây cao su, chất rắn trong mao dẫn nằm ngang bầu thủy ngân đum chậm
6. 1 phút tăng chừng 2°C, nhiệt độ tại đó, chất rắn bắt đầu hóa lỏng, nhiệt độ tại đó chất rắn chảy hết. Trị số điểm nóng chảy bằng trung bình cộng 2 điểm nóng chảy đó. 2. Ðo nhiệt độ sôi: ( điểm sôi) Nhiệt độ sôi tạo thành áp suất bên ngoài. - Áp suất cao nhiệt độ sôi cao, ap giảm nhiệt độ sôi giảm. Ta thường dùng công thức: to = t + Δt ( to: đo ở 766 mm Hg) Δ t = k (760 - p)(t + 273) (k:là hằng số thay đổi tùy theo bản chất chất lỏng) Các chất ankyl halogenua, hydro cacbon, ete, este có k = 0,00012. - Chất lỏng tinh khiết có nhiệt độ sôi nhất định. Không thay đổi trong quá trình sôi, chất lỏng không tinh khiết thay đổi trong quá trình sôi * Xác định điểm sôi theo phương pháp Siwotoboff: 1 ống mao dẫn bịt kín 1 đầu có dường kính 1→ 2 mm, dài 80→ 120 mm, ống thứ 2 đươnìg kính 4mm dài 70 mm. Lấy 0,5 ml chất lỏng muốn xác định điểm sôi cho vào ống lớn và đầu hở của ống mao dẫn nhỏ nhúng vào chất lỏng trong ống lớn. Ống lớn được độn vào nhiệt kế và đặt vào becher có nước tấm. Ðun becher từ từ với vận tốc khoảng 2°C trong một phút. Không khí thoát ra chậm thành u bọt nhỏ từ đầu của ống mao dẫn nhỏ. Nhiệt độ sôi là nhiệt độ tại đó các bọt khí này thoát nhanh và liên tục. Kết quả chính xác hơn ta ngừng đun, dòng bọt thoát ta sẽ chậm lại. Khi bọt cuối cùng xuất hiện và chất lỏng có khuynh hướng bị hút vào ống dẫn. Ta đọc nhiệt độ ở đó sẽ chính xác hơn. 3. Ðo tỷ trọng: Tỷ trọng của một chất được xác định theo công thức: D = m / V m: khối lượng của chất; V: thể tích của chất Trong phòng thí nghiệm thường xác điûnh tỷ trọng tương đối, nghĩa là so sánh với một chất lỏng khác, thường lấy nước cất để so sánh: DH2O DH2O là tỷ trọng của nước ở 4°C 15 20 - Tỷ trọng tương đối thường đo ở nhiệt độ = 15°C hoặc 20°îC ( D4 , D4 ) - Xác định tỷ trọng tương đối bằng Arêomet ( hình vẽ). VI. Cách tính hiệu suất phản ứng: Tính lượng sản phẩm tạo thành lý thuyết XA + yB → iC + JD MA là khối lượng phân tử chất A MB là khối lượng phân tử chất B MC là khối lượng phân tử chất C Hàm lượng lý thuyết được tạo thành tính theo A là
7. a là số gam chấút A đem phản ứng . Trong phản ứng hóa học hữu cơ để tăng hiệu suất người ta cho dư 1 trong 2 chất tham gia phản ứng thường là chất rẻ hơn , chất dễ loại sau phản ứng trong 1 số trường hợp đóng cả vai trò dung môi cho phản ứng . Vì vậy việc tính hiệu suất phải được tính theo chất tham gia phản ứng nào ít hơn . Nếu chất A cho thừa theo lý thuyết thì tính hiệu suất theo chất b và ngược lại . Hiêu suất tính theo %= m, / m . 100 m là lượng theo lý thuyết m, là lượng nhận được bằng thực nghiệm - Trường hợp phản ứng hữu cơ thuận nghịch có hiệu suất không cao . Tính hiệu xuất chính xác . Tính như sau : Ví dụ : phản ứng este hóa . CH3COOH + C2H5OH D CH3COOC2H5 + H2O x x x x + m a - x b - x x x + m m : Số mol nước ban đầu , x : Số mol este tạo thành theo lý thuyết . a , b : Số mol ban đầu của CH3 COOH và C2H5OH . Hiệu suất : x' : phần thực nghiệm nhận được .