Embed Size (px)
Citation preview
GRUNDARBETEN I KEMI
HELSINGFORS UNIVERSITET
KEMISKA INSTITUTIONEN
2017
GRUNDARBETEN I KEMIVersion november 2017
Redigerat FD Kjell Knapas och FD Leena Kaisalo
Översatt till svenska FD Kristian Meinander och FM Mika Berg
3
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
INLÄRNINGSMÅLEN FÖR DET OORGANISKA LABORATORIEPASSET 4RENHET VID ANALYTISKT ARBETE 5LABORATORIEUTRUSTNING 6ARBETE I SYNTES OCH KARAKTERISERING AV EN KELATFÖRENING 9ARBETE II KALORIMETRI 14ARBETE III GASBRÄNNARE OCH LÅGREAKTIONER 17ARBETE IV REAKTIONSHASTIGHET 18ARBETE V STARK OCH SVAG SYRA 19ARBETE VI LÖSLIGHETSPRODUKTEN FÖR KALCIUMHYDROXID 23ARBETE VII GALVANISKA CELLER 24ALLMÄNT OM DET ORGANISKA PASSET 25
INLÄRNINGSMÅL 25 UTFÖRANDET AV ARBETEN 25 ARBETSUTRUSTNING 25 ARBETSSÄKERHET 26 SLIPAT GLAS 27 UTAN SLIP 28ARBETSMETODER 31 UTFÖRANDET AV REAKTIONER 31
UPPVÄRMING AV REAKTIONSBLANDNING 31MEKANISK OMRÖRNING 32
ISOLERING 33FILTRERING 33EXTRAHERING 33
RENING 34OMKRISTALLISATION 34DESTILLERING 35SULBIMERING 36KROMATOGRAFISKA METODER 41
RAPORTERING AV SYNTESERNA 42SYNTESER 45
meso-1,2-DIBROM-1,2-DIFENYLETAN 45 ACETYLSALICYLSYRA 46 ETYLPROPANAT 47 BENSOIN 49 REDUKTION AV BENSOIN 50
p-METYLACETOFENON 51p-BENSOKINON 52
INFRARÖDSPEKTROSKOPI 53
4
INLÄRNINGSMÅLEN FÖR DET OORGANISKA LABORATORIEPASSET
· att inse laborationsarbete som en del av kemivetenskapen och analys samt syntes som
kemins huvuduppgifter
· känna till experiment som visualiserar värmekemin, atomens elektronstruktur,
reaktionshastighet, protolys, löslighet och elektrokemin
· har bekantat sig med utförandet av syntesen och analyserna samt med analytisk precision
· behärskar användningen av gasbrännare
5
RENHET VID ANALYTISKT ARBETE
Vid analytiskt arbete, alltså sådant arbete där målet är att ta reda på provets sammansättning, ärdet extremt viktigt att utrustningens och kemikaliernas orenheter inte förvränger analysresultatet.Med de känsligaste instrumentanalysmetoderna bestämda koncentrationerna är av nivån 0,1 ppb(bestämda ämnets andel av provets massa är av klassen 10-10), jmf. kranvattnetskalciumkoncentration beroende på orten är 10-20 ppm alltså 100 000 gånger större. Det lär varasjälvklart utan att påpeka att sådana små koncentrationers tillförlitliga bestämning ställer väldigthårda krav på renheten. I laborationsarbeten som hör till kemins kandidatprogram behandlas åandra sidan främst analysmetoder som baserar sig på kemiska reaktioner där koncentrationernasom bestäms är huvudsakligen av klassen 0,01 %. Dock t.ex. kranvattnets kalciumkoncentration är10-20 % av detta så då kranvatten används vid kalciumets bestämning kommer analysresultatetatt vara så här mycket i överkant. Jämförelsevis för att uppnå fulla poäng får analysresultatet ikemins ämnesstudier avvika högst 0,75-3 % beroende på arbetet (vid bestämning av kalcium 1,5%). I dessa grundstudiearbeten är bestämningsnoggrannheten å andra sidan inte ett avinlärningsmålen eller utvärderingsområdena. När det är frågan om renheten strävas det ändågenast efter en sådan nivå som är tillräcklig för att uppnå optimal noggrannhet med analysmetodersom baserar sig på kemiska reaktioner (titrimetri och gravimetri) samt lösningsspektrofotometri,vilket är ett av lärandemålen i ämnesstudiearbetena. Först och främst p.g.a. att bli van med vissagrundprinciper angående laboratoriearbete och för det andra p.g.a. att de senareämnesstudieanalyserna görs i samma laboratorieutrymme som kemins grundarbeten, vilket kanleda till att ämnesstudiearbeten underkänns och måste upprepas t.ex. p.g.a. att kemikaliernakontaminerats under grundarbetena. De viktigaste renhetskraven vid analytiskt arbete som avvikersig från t.ex. köksarbete, är följande:1) Kemikalierna som används bör vara av analyskvalitet (kvalitetsanmärkning t.ex. p.a. = proanalysi).2) Vattnet som används bör vara jonbytt (= renat av joner genom att utbyta dessa till väte- ochhydroxidjoner m.h.a. jonbyteshartser eller elektroforetiskt)3) Då man diskar utrustningen bör man försäkra sig att det blir rent (vid diskandet av utrustningenanvänds varmt vatten och en passlig borste samt en droppe diskmedel per kärl; kärl som innehållitendast utspädda vattenlösningar kräver dock inte alltid diskmedel och borste).4) Diskade utrustningen sköljs till slut med jonbytt vatten.5) Då man tar fasta ämnen ur burkar bör skedarna och spatlarna som används absolut vara renaoch torra (i de flesta burkarna förvaras en plastsked som används för att uppta endast ur sammaburk)6) Vätskor får tas ur flaskor endast genom att hälla eller att använda en pipett som förvarats iflaskan (t.e.x. om man måste pipetera någon lösning med fullpipett och flaskan inte innehåller ensådan bör man först hälla en lite större mängd än vad som behövs av lösningen t.ex. i ettdekanterglas och pipetera sedan därifrån).7) I kemikaliernas förvaringskärl får under inga omständigheter sättas överlopps kemikalier tillbaka(samtidigt måste man arbeta sparsamt och ta endast den mängd kemikalier som behövs;potentiellt överskött skall i första hand ges åt följande användare)8) Olika kemikaliers förvaringskärls förslutningsartiklar får inte blandas med varandra.
6
LABORATORIEUTRUSTNING
Här presenteras utrustningen som används endast i denna kurs oorganiska laboratoriepass
(bilderna hittas på följande sida). Redan i kursens organiska del används en betydligt större mängd
mera utvecklad utrustning vilka presenteras senare i kompendiet, sidorna xx-xx.
Utrustning som används vid uppmätning av ämnesmängderVid uppvägning används huvudsakligen en milligramvåg men vid uppvägning av mängder under
ett gram med analytisk noggrannhet används en analysvåg vars avläsningsnoggrannhet är 0,1
mg.
Vid uppmätning av vätskors volymer används huvudsakligen måttglas men för att göra en
analytisk volymuppmätning används måttflaska (lösningens utspädning till den exakta
slutvolymen, sluts med en teflonpropp), fullpipett (exakt dosering av en lösningsmängd) eller
byrett (titrering) beroende på situationen. Pipetten fylls med en pumpett och pipetterna förvaras i
en pipettställning pipettspetsen uppåt. Byretten hålls i ett stativ fäst med en byretthållare och
förvaras med byrettspetsen uppåt samt kranen öppen.
Utrustning som används i reaktioner och andra experimentGrundreaktionskärlet är ett dekanterglas där oftast en glasstav används för omrörning men vid
elektrodindikerade titreringar roteras en magnet m.h.a. en magnetomrörare. Vid visuellt
indikerade titreringar används erlenmeyerkolvar där omrörningen sker genom en handledsrörelse
av kolven. Experiment i liten skala utförs i provrör vilka förvaras i en provrörsställning. Urglasanvänds för att torka fasta ämnen, dessutom kan urglaset användas som dekanterglasets lock. I
reaktioner vid flera hundra graders temperaturer används deglar som hanteras med degeltång.
Exsickator, som är fylld med torkmedel, används för att försäkra sig över utrustningens och
kemikaliernas absoluta torrhet. Sprutflaska används för att dosera jonbytt vatten.
Utrustning som används vid upphettningGrundupphettningsapparaten är en elplatta som kan användas för att upphetta vätskor t.ex. i
dekanterglas eller erlenmeyerkolvar som är framställda av borsilikatglas som tål
temperaturomväxlingar (varumärken Pyrex, Duran, Jena osv.). Upphettning till högre temperaturer
kan göras i en degel m.h.a. en elektrisk värmare eller en glödugn.
HjälputrustningFiltrering med gravitation görs m.h.a. en glastratt och ett runt filterpapper som viks på hälft och
sedan på nytt på hälft varefter man öppnar tre sidor mot en.
7
Milligramvåg. Analysvåg.
Måttflaskor och måttglas. Fullpipetter och pumpetter.
Sprutflaskor. Filtrering.
8
Byrett och erlenmeyerkolvar. Dekanterglas med omrörningsmetoder.
Provrör i en provrörsställning . Glödugn (övre) och värmeskåp.
Elektrisk värmare och elplatta. Deglar, degeltånger och exsickatorer.
9
ARBETE I SYNTES OCH KARAKTERISERING AV EN KELATFÖRENING
I detta arbete framställs en komplexförening av järn, kaliumtrioxalatferrat(III)trihydrat,K3[Fe(C2O4)3]·3H2O. Denna typ av förening kallas kelat då oxalatliganderna är bundna till sammacentralatom med två bindningar. På detta sätt bildas två ringar med fem atomer i ringen där en avdessa är centralatomen. Ur det syntetiserade komplexet bestäms järnmängden gravimetriskt (Arb I
B) och oxalatmängden volymetriskt (Arb I C). Dessutom jämförs det syntetiserade komplexetsstabilitet med stabiliteten för komplex av järn och fluorid samt järn och tiocyanat (Arb I D).
Arbetets undervisningssyfteÅskådliggör: Kemi som vetenskap, analys och syntes som kemins huvuduppgifter
Berörs: Jonföreningar och metallkomplexer, kemisk reaktion och stoikiometri, polaritet och löslighet.
Arbetsmetoder: Utförning av syntesen och analyserna
A. SYNTES AV KOMPLEXFÖRENINGEN
Arbetsredskap och reagens250 ml dekanterglas ammoniumjärn(II)sulfat ((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)400 ml dekanterglas oxalsyra (H2C2O4·2H2O)100 ml dekanterglas kaliumoxalat (K2C2O4·H2O)Glasstavar 3 M H2O2
Termometer etanol
100 ml måttglasUrglas
10
Arbetets utförande
· Framställ följande lösningar genom att väga upp reagens och lösa upp dem i vatten:o Lösning (a): 7,5 g (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O / 25 ml H2O (250 ml dekanterglas)o Lösning (b): 10 g H2C2O4·2 H2O / 100 ml H2O (400 ml dekanterglas)o Lösning (c): 5 g K2C2O4·H2O / 15 ml H2O (100 ml dekanterglas)
· Använd ett 400 ml dekanterglas för att hålla jonbytt vatten hett.
· Tillsätt 35 ml av lösning b (oxalsyra) till lösning a (ammoniumjärn(II)sulfat) under omrörning
Fe2+ (aq) + C2O42- (aq) ® FeC2O4·2 H2O (s)
· Koka upp den erhållna lösningen. Avlägsna dekanterglaset från kokplattan och låtjärn(II)oxalatfällningen som bildats sjunka till botten.
· Häll bort den klara lösningen (=dekantera den) och tvätta fällningen med 50 ml hett vatten.
· Häll K2C2O4-lösningen (lösning c) som du framställt över FeC2O4·2H2O-fällningen. Rör omblandningen och tillsätt långsamt 30 ml 3 M H2O2-lösning vid ca 40 °C.
6 FeC2O4·2H2O (s) + 3 H2O2 (aq) + 6 K2C2O4 (aq) ®
4 [Fe(C2O4)3]3- (aq) + 2 Fe(OH)3 (s) + 12 H2O (l) + 12 K+ (aq)
· Koka upp lösningen. Den bruna fällningen orsakas av Fe(OH)3. Sätt till oxalsyralösning(lösning b) i små portioner tills det bildas en klar, grön lösning. Håll lösningen kokande hela
tiden och rör om den med en glasstav.
2 Fe(OH)3 (s) + 3 H2C2O4 (aq) + 3 K2C2O4 (aq) ®
2 [Fe(C2O4)3]3- (aq) + 6 H2O (l) + 6 K+ (aq)
· [Fe(C2O4)3]3--jonen som bildats orsakar lösningens gröna färg. Tillsätt 15 ml teknisk alkoholdå lösningen har svalnat. Då lösningen svalnar börjar kaliumtrioxalatferrat(III)trihydratenkristalliseras.
6 [Fe(C2O4)3]3- (aq) + 18 K+ (aq) ® 6 K3[Fe(C2O4)3]·3H2O (s)
· Då komplexföreningen kristalliserat sig (24 h) tvättas de erhållna kristallerna med en liten
mängd vatten-etanolblandning (1:1) och efter detta med etanol. Efter detta låter man
syntesprodukten torka (24 h). Syntesprodukten vägs och resultatet av vägningen antecknas
i laboratoriedagboken.
11
B. BESTÄMNING AV JÄRN SOM JÄRN(III)OXID
Ammoniak fäller ut järn(III)jon ur en vattenlösning som hydroxid: Järn(III)hydroxid bildar först enkolloidlösning men uppvärmning och tillsats av en elektrolyt (t.ex. NH4Cl) får en fällning att bildas.Då den filtrerade och tvättade Fe(OH)3-fällningen glödgas ändras dess sammansättning så attslutprodukten är järn(III)oxid.
Arbetsredskap och reagens250 ml dekanterglas ammoniumklorid (NH4Cl)Filterpapper 2,5 M HNO3
Degel 2 M NH3
Glastratt 0,1 M NH4NO3 i sprutflaskaGlasstavExsickator
Arbetets utförande· Placera den tomma degeln i glödugnen (ca 950 °C) för en halv timme, låt den svalna i en
exsickator i en halv timme och väg sedan degeln. Anteckna vägningens resultat ilaboratoriedagboken.
· Väg upp ca 0,5 g (anteckna den exakta mängden i laboratoriedagboken) avkaliumtrioxalatferraten i ett 250 ml dekanterglas och lös upp den i ca 50 ml vatten.
· Tillsätt 2-3 ml 2 M salpetersyra och hetta upp lösningen nästan till kokpunkten.· Späd ut den erhållna lösningen till ca 150 ml och tillsätt 2-3 g fast ammoniumklorid.· Koka upp lösningen och avlägsna den från kokplattan.· Tillsätt långsamt 2 M ammoniak och rör om hela tiden med en glasstav. Tillsätt så mycket
ammoniak att lösningen är klart basisk.· Filtreringen påbörjas genom att försiktigt hälla den klara vätskan från fällningen till
filterpappret i glastratten längs en glasstav. Fällningen (Fe(OH)3) får sjunka till botten ochden klara vätskan hälls igen i tratten. Som följande överförs fällningen till tratten med hjälpav glasstaven och en stråle tvättlösning. Som tvättlösning används en utspädd NH4NO3-lösning.
· Tvätta fällningen tills filtratet som rinner ned är neutralt.· Efter tvätten avlägnas filterpappret försiktigt från tratten och papprets kanter viks så att de
täcker fällningen. Paketet placeras i degeln och torkas med en Bunsen-låga i ett dragskåp.Torkningen inleds med liten effekt (låga) och effekten (lågan) ökas småningom så att pappretförkolnar utan att brinna med låga.
· Då pappret har förkolnat helt flyttas degeln till glödgningsugnen för ungefär en halv timme.Från ugnen flyttas degeln försiktigt till en exsickator för att svalna. Degeln får svalna i ungefären halv timme, vägs och vägningsresultatet antecknas i laboratoriedagboken.
12
C. BESTÄMNING AV OXALAT
Oxalatjonen kan bestämmas kvantitativt genom att titrera den med kaliumpermanganat (KMnO4) isur lösning. Kaliumpermanganaten oxiderar oxalaten till koldioxid och reduceras själv tillmangan(II)joner.
Reaktionen är långsam i en kall lösning men den kan försnabbas genom att sätta till Mn(II)-jonersom katalysator och värma upp lösningen. I denna titrering behövs ingen separat indikator då MnO4
-
-jonen färgar lösningen lila vid ekvivalentpunkten.
Arbetsredskap och reagens:25 ml byrett ca. 0,02 M KMnO4 (kolla den exakta koncentrationen i flaskan)250 ml Erlenmeyerkolv 1 M H2SO4
mangansulfat (MnSO4)
Arbetets utförande· Väg upp 100-200 mg (anteckna den exakta massan i laboratoriedagboken) av
kaliumtrioxalatferraten med analysvåg i en 250 ml erlenmeyerkolv och lös upp den i ca 50 mlvatten. Tillsätt 30 ml 1 M svavelsyra och lite fast mangan(II)sulfat. Koka upp lösningen.
· Titrera den heta lösningen med KMnO4-lösningen. Vid titreringens slutpunkt förblir lösningen
lila trots omrörningen. För att försäkra sig om en tillräcklig reaktionshastighet bör lösningenvara över 60 °C även vid titreringens slutpunkt (= kärlets botten kan ej hållas för hand, värmupp lösningen vid behov). Anteckna förbrukningen av permanganatlösning ilaboratoriedagboken tillsammans med reaktionslikheten för redox-reaktionen vid titreringen.
13
D. BESTÄMNING AV STABILITETEN FÖR JÄRN(III)KOMPLEXET
I arbetet jämförs det syntetiserade komplexets stabilitet med stabiliteten för komplex av järn ochfluorid samt järn och tiocyanat.
Arbetsredskap och reagens:
100 ml dekanterglas 0,1 M Fe(NO3)3
Provrör 1 M NH4SCN0,6 M NaF
Arbetets utförande:Lös upp en liten mängd (ca 50 mg) av den syntetiserade järn(III)komplexföreningen i vatten i ettdekanterglas. Sätt några droppar av den ljusgröna järnoxalatlösningen i två provrör och tillsättnågra droppar 0,1 M järn(III)jonlösning, Fe(NO3)3, i två andra provrör för jämförelsereaktioner.Tillsätt några droppar ammoniumtiocyanat i det ena röret med järn(III)nitrat och några droppar
natriumfluorid i det andra. Anteckna färgreaktionerna i laboratoriedagboken. Utför sammareaktioner för järnoxalatlösningarna och anteckna färgförändringarna i laboratoriedagboken. Påbasis av färgförändringarna kan du bestämma om den tillsatta liganden ersätter den ursprungliga.
14
ARBETE II KALORIMETRI
I arbetet bekantar du dig med en kalorimeter och fastställer upplösningsvärmen för kopparsulfat med
och utan kristallvatten (CuSO4·5H2O respektive CuSO4). Med hjälp av dessa fastställs
hydrateringvärmen då CuSO4 utan kristallvatten omvandlas till motsvarande pentahydrat.
Upplösningsreaktioner:
CuSO4·5H2O (s) + n H2O (l) ® CuSO4 (aq)
CuSO4 (s) + n H2O (l) ® CuSO4 (aq)
Energimängder som frigörs eller binds vid en kemisk reaktion mäts med en kalorimeter. Beroende
på reaktionstypen kan kalorimeterns struktur variera. I detta arbete används en kalorimeter som
lämpar sig för reaktioner där ett fast ämne eller en vätska reagerar med en annan vätska.
Kalorimetern består av ett reaktionskärl som isolerats så väl som möjligt från sin omgivning, en
värmesensor för att mäta temperaturförändringen, en provbehållare och en omrörare. Kalorimeterns
struktur presenteras i följande bild:
Kalorimetern anger temperaturen som funktion av tiden. Temperaturförändringen i reaktionen kan
utläsas ur kalorimeterns rapport eller den kan bestämmas från grafen.
15
Arbetets undervisningssyfteTeori som åskådliggörs: Värmekemi (Tro 6)
Arbetsredskap och reagensParr kalorimeterappartur 0,1000 M HCl
100 ml måttglas TRIS (=Tris(hydroximetyl)aminometan)
kopparsulfat (CuSO4 och CuSO4 · 5 H2O)
16
Arbetets utförande
Då man rör sig i kalorimeterns menyer kommer man en 1 nivå ”uppåt” med ESC och MAIN MENU
tar användaren tillbaka till huvudmenyn. START startar mätningen och ABORT avbryter den.
REPORT visar rapporterna för de mätningar som slutförts och HELP hjälper med alternativen i varje
menyfönster.
· Kontrollera att ethernet- och elkabeln är kopplade till centralenheten och att motorns ledning
är kopplad mellan kalorimetern och centralenheten. Försäkra dig om att värmesensorns
ledning är kopplad till uttaget märkt som BUCKET och att själva sensorn är på sin plats.
· Koppla på kalorimetern med strömbrytaren på baksidan. Låt kalorimetern starta upp i lugn
och ro, vänta tills menyn kommer upp.
· Fyll reaktionskärlet (ett Dewar-kärl) (i kalibreringen 100 ml 0,100 M HCl och i mätningarna
100 ml jonbytt vatten) och sätt det på sin plats i kalorimetern med hjälp av en svart plastring.
· Väg upp den önskade mängden fast ämne i utrymmet i provbehållarens mitt (en PTFE-
behållare) försiktigt och sätt tillbaka staven. Vid kalibreringen är m(TRIS) = 0,50 g och vid
mätningen är m(CuSO4 · 5 H2O) ~ 1,7 g och m(CuSO4) ~ 0,2 g. Anteckna de exakta
mängderna i din laboratoriedagbok.
· Lyft upp kalorimeterns lock och fäst provbehållaren på omröringsdelen. Placera provhållaren
runt omrörningsdelens plastdel och spänn den med den medföljande skruven.
· Sätt tillbaka kalorimeterns lock på sin plats och sätt in glasstaven i hålet i provbehållaren
genom hålet i kalorimeterns lock.
· Sätt dragremmen för omrörningen på plats.
· Sätt på omröraren (CALORIMETER OPERATION / STIRRER) och låt temperaturen jämna
ut sig några minuter.
· Förändringen i temperaturen kan hela tiden följas med genom att se på grafen
(CALORIMETER OPERATION / TEMPERATURE GRAPH). Värme-axeln kan modifieras
separat för den inre och yttre temperaturen via (SETUP)-menyn del (BUCKET / JACKET MIN
och MAX).
· Start mätningen genom att trycka START.
· Då kalorimetern piper till som signal att den rör om, tryck snabbt ner PTFE-behållarens botten
med glasstaven och tryck CONTINUE.
· Då temperaturen enligt kalorimetern har stabiliserats tillräckligt piper den för att markera att
reaktionen är slut och visar en rapport över reaktionen på skärmen. Anteckna mätresultatet
i din laboratoriedagbok. Tryck DONE för att återvända till huvudmenyn.
· Stoppa omrörningen (CALORIMETER OPERATION / STIRRER).
· Rengör utrustning du använt med jonbytt vatten (glasvaror, PTFE-behållare, Dewar-kärl och
glasstav).
17
ARBETE III GASBRÄNNARE OCH LÅGREAKTIONER
För uppvärmning och behandling av glas används en gasbrännare. I den blandas naturgasen med
luft och brinner vid slutet av röret. Förhållandet mellan gas och luft kan användas till att justera lågans
storlek och färg. I arbetet bekantar vi oss med gasbrännarens konstruktion, lågans egenskaper och
temperaturen i de olika delarna av lågan. Dessutom utförs några analytiskt viktiga lågreaktioner.
Arbetets undervisningssyfteTeori som åskådliggörs: Atomens elektronstruktur (Tro 7)
Berörs: Atomemissionsspektroskopi
Arbetsmetoder: Användning av gasbrännare
Arbetsredskap och reagensgasbrännare NaCl-lösning
kromnickeltråd KCl-lösning
koboltglas CaCl2-lösning
SrCl2-lösning
BaCl2-lösning
CuCl2-lösning
Arbetets utförande
· Tänd gasbrännaren: stäng först lufthålen, öppna gaskranen och tänd brännaren som då har
en klar, gul låga. Öppna efter detta lufthålen så att lågan inte mera syns klart (blir blå).
· Rengör kromnickeltråden som har en ögla i ändan genom att hetta upp den i lågan. Då tråden
inte längre färgar lågan är den ren.
· Sätt en droppe av föreningen som undersöks i kromnickeltrådens ögla, för in den i lågan och
observera färgen. Kolla lågreaktionerna för NaCl och KCl också genom ett koboltglas.
· Anteckna de undersökta föreningarna och lågornas färger i laboratoriedagboken. Fäst speciell
uppmärksamhet vid färgskillnaderna mellan kalcium och strontium samt barium och koppar.
· Utför lågreaktionen också för en blandning av NaCl och KCl då den starkt gula färgen från
natrium täcker den lila färgen från kalium. Då lågan granskas genom koboltglas kan färgen
från kalium observeras eftersom färgen från natrium absorberas av glaset.
18
ARBETE IV REAKTIONSHASTIGHET
I detta arbete undersöks koncentrationens inverkan på reaktionshastigheten. I försöken oxiderar
olika koncentrationer kaliumjodat (KIO3) en liten mängd natriumsulfit (Na2SO3) enligt reaktionslikhet
1. När sulfitjonen slutar, oxiderar jodatjonen sin egen reduktionsprodukt med
komproportioneringsreaktionen 2 och därvid bildas elementärt jod i lösningen.
Natriumsulfitlösningen innehåller lite stärkelse (T), som anger närvaro av t.o.m. väldigt lite jod i
lösningen genom att bilda ett svartblått jodstärkelsekomplex. Från resultaten räknas reaktionens
ordningstal med avseende på jodatjon samt reaktionshastighetskoefficienten.
IO3- + 3 SO3
2-à I- + 3 SO42- (1)
IO3- + 5 I- + 6 H+à 3 I2 + 3 H2O (2)
T + I2à T:I2 (3)
Arbetets undervisningssyfteTeori som åskådliggörs: Reaktionshastighet (Tro 13)
Arbetsredskap och reagens4 stycken 200 ml erlenmeyerkolvar 0,01000 M KIO3 i en kolvdoserare
vatten i en kolvdoserare
0,002000 M Na2SO3 i en kolvdoserare
Työn suoritus
· Dosera 0,01000 M KIO3-lösning i fyra 200 ml erlenmeyerkolvar enligt följande: 20, 30, 40
och 50 ml. Dosera på vatten så att volymerna för alla lösningar är 50 ml.
· Dosera snabbt 50 ml 0,002000 M Na2SO3-lösning i en av erlenmeyerkolvarna, rör om
lösningen till homogen och ta tid med en sekundator hur länge det tar tills den svartblåa
färgen av jod-stärkelsekomplexet uppenbarar sig i lösningen och anteckna resultatet i
laboratoriedagboken. Gör lika med de andra erlenemeyerkolvarna.
19
ARBETE V STARK OCH SVAG SYRA
Arbetets undervisningssyfteTeori som åskådliggörs: Protolys (Tro 15). Även i kompendiet för kursen i lösningskemi kan man
läsa om ämnet.
Berörs: Potentiometri
Arbetsmetoder: Renhet vid analytiskt arbete, kvantitativ överföring av ett ämne, analytisk mätning,
korrekt användning av analytiska mätredskap
Bestämning av pHLösningars pH kan bestämmas t.ex. med en potentiometer eller med hjälp av en färg-indikator. Vid
potentiometrisk pH-bestämning mäts potentialskillnaden mellan två elektroder som har kontakt med
lösningen som analyseras. Den ena elektroden är en indikatorelektrod, vanligen är denna en
glaselektrod. Glaselektrodens potential beror enligt Nernsts ekvation på logaritmen av lösningens
vätejonaktivitet. Elektroden har en tunn glashinna som innesluter en ledare och en lösning med en
känd vätejonaktivitet. Den andra elektroden är en referenselektrod (vanligen en Ag-AgCl –elektrod) vars potential inte beror på lösningens pH. Som referenselektrod används även
kalomelelektrod (Hg-Hg2Cl2). Ofta har glas- och Ag-AgCl- eller kalomelelektroden kombinerats i en
så kallad kombinationselektrod. Elektroderna kopplas ihop med en saltbrygga, t.ex. en KCl- eller
KNO3-lösning. Skalan på en pH-mätare görs oftast upp så att potentialskillnaden kan avläsas direkt
i pH-enheter.
Vid potentiometriska mätningar bestäms oftast oxoniumjonernas aktivitet a(H3O+) istället för
koncentration [H3O+]. I utspädda lösningar gäller att aktiviteten motsvarar koncentrationen, dvs.
a(H3O+) ~ [H3O+], och pH och pOH kan då definieras som:
pH = - lg [H3O+] och pOH = - lg [OH- ]
Syra-basindikatorer byter färg vid titreringens ekvivalenspunkt. Dessa indikatorer är ofta svaga
organiska syror vars syraform har en annan form än basformen.
HInd + H2O ® H3O+ + Ind-
I följande tabell presenteras några indikatorers färg och omslagsintervall:
20
Indikator Färg
(HInd) (Ind-)
Omslagsintervall(pH)
Metylviolett Tymolblå Metylröd Lackmus Bromtymolblå Kresolröd Fenolftalein Alizaringul R 1,3,5-trinitrobensen
gul - violettröd - gulröd - gulröd - blågul - blågul - rödfärglös - rödviolettgul - violettfärglös - brun
0 - 21,2 - 2,84,2 - 6,35,0 - 8,06,0 - 7,67,2 - 8,88,3 - 10,010,1 - 12,012,0 - 14,0
Syra-bastitrering
En syra-bastitrering är en neutraliseringsreaktion där en syra reagerar med en ekvivalent mängd
bas. Reaktionens gång följs vanligen genom att mäta lösningens pH potentiometriskt i de olika
skedena av titreringen. Då de erhållna pH-värdena presenteras som funktion av den förbrukade
titreringslösningen fås en titreringskurva lik den i bilden nedan.
Titrering av en stark syra med en stark bas Titrering av en svag syra med en svag bas
Ur titreringskurvan kan man se att då en stark syra titreras med en stark bas ändras lösningens pH
nära ekvivalenspunkten (den teoretiska punkt där mängden syra och bas är exakt den som anges
i reaktionslikheten) mycket också vid tillsats av en liten mängd reagens. I detta fall går
ekvivalenspunkten att fastställa exakt med hjälp av titreringskurvan. Då en svag syra titreras med
en stark bas är titreringskurvan inte lika brant och ingen stor förändring i pH-värdena observeras.
Formen på titreringskurvan för en syra beror på dess syrakonstant och koncentration.
Ekvivalenspunkten bestämmas relativt exakt om syrans pKa-värde är under än 8.
21
A. TITRERING AV EN STARK SYRA MED EN STARK BAS
I arbete titreras ett prov som innehåller en okänd mängd svavelsyra med en 0,100 M NaOH-lösning
och förändringen i lösningens pH följs potentiometriskt. Titreringens ekvivalenspunkt bestäms
genom två av varandra oberoende metoder: titreringskurva och syra-basindikator.
Svavelsyra är en tvåvärd syra som i utspädda lösningar kan anses vara fullständigt protolyserad. I
sådan fall kan endast den ena ekvivalenspunkten fastställas från titreringskurvan. Följande
neutraliseringsreaktion beskriver titreringen:
H2SO4 (aq) + 2 NaOH (aq) ® Na2SO4 (aq) + 2 H2O
Arbetsredskap och reagens250 ml dekanterglas 0,100 M NaOH
250 ml måttflaska Bromtymolblå-indikatorlösning
100 ml fullpipett och pumpett
25 ml byrett
Magnetomrörare och magnetstav
pH-mätare
Arbetets utförande:
· Bekanta dig med användningen av pH-mätare.
· Häll upp buffertlösningarna i koppar och kalibrera pH-mätaren enligt instruktionerna.
· Utspäd det urprungliga H2SO4-provet noggrant till volymen 250 ml i en måttflaska och
pipetera ett 100 ml delprov i ett dekanterglas.
· Placera kombinationselektroden i lösningen och tillsätt 5 -10 droppar indikatorlösning
(bromtymolblå) samt en magnetstav.
· Titrera den mekaniskt omrörda lösningen med 0,100 M NaOH-lösning genom att tillsätta de
mängder bas som anges i tabellen i laboratoriedagboken.
· Avläs lösningens pH från potentiometern efter varje bastillsats och anteckna värdet i
laboratoriedagboken.
· Observera när färgen på basformen av bromtymolblått blir permanent och anteckna
mängden konsumerad bas vid denna punkt i laboratoriedagboken.
22
B. TITRERING AV EN SVAG ENVÄRD SYRA MED EN STARK BAS
I vattenlösningen av en svag envärd syra råder följande jämvikt:
HA + H2O ⇄ H3O+ + A-
Syrakonstanten (Ka) för ättiksyra är då:
C(HA))C(A)OC(H -
3 ×=
+
aK pKa = - lg Ka
I arbetet bestäms koncentrationen för en ättiksyralösning genom att titrera den med en 0,100 M
NaOH-lösning. Neutralisationsreaktionen är då:
CH3COOH (aq) + NaOH (aq) ⇄ CH3COONa (aq) + H2O
Titreringens ekvivalenspunkt avläses från titreringskurva. Utgående från resultaten beräknas värdet
på ättiksyrans syrakonstant och lösningens pH vid startpunkten och ekvivalenspunkten.
Arbetsredskap och reagens250 ml dekanterglas 0,100 M NaOH
100 ml fullpipett och pumpett Fenolftalein-indikatorlösning
25 ml byrett
Magnetomrörare och magnetstav
pH-mätare
Arbetets utförande
· Pipetera 100 ml av ättiksyralösningen som undersöks i ett 250 ml dekanterglas.
· Placera kombinationselektroden i provet och tillsätt ett par droppar fenolftalein-
indikatorlösning och en magnetstav.
· Titrera den mekaniskt omrörda lösningen med 0,100 M NaOH-lösning genom att tillsätta de
mängder bas som anges i tabellen i laboratoriedagboken.
· Avläs lösningens pH från potentiometern efter varje bastillsats och anteckna värdet i
laboratoriedagboken.
· Observera när den violetta färgen på basformen av fenolftalein blir permanent och anteckna
mängden konsumerad bas vid denna punkt i laboratoriedagboken.
23
ARBETE VI LÖSLIGHETSPRODUKTEN FÖR KALCIUMHYDROXID
I arbetet bestäms värdet på löslighetsprodukten för kalciumhydroxid. Dessutom bestäms lösligheten
i vatten samt NaOH och CaCl2-lösningar för att illustrera inverkan av en gemensam jon.
I en mättad kalciumhydroxidlösning råder jämvikten:
Ca(OH)2 (s) ⇄ Ca2+ (aq) + 2 OH- (aq)
Löslighetsprodukten (Ks) är då:
Ks = [Ca2+] [OH- ] 2 och pKs = - lg Ks
Hydroxidjonens totalkoncentration i den mättade lösningen kan bestämmas genom att titrera ett prov
av lösningen med en syra av känd koncentration. Från detta resultat kan ett värde på
löslighetsprodukten uträknas.
Arbetets undervisningssyfteTeori som åskådliggörs: Löslighet (Tro 16). Även i kompendiet för kursen i lösningskemi kan man
läsa om ämnet. Där kan man dessutom studera aktivitetskoefficienterna som räknas i slutet.
Arbetsmetoder: Korrekt utförning av en visuellt indikerad titrering
Arbetsredskap och reagensTermometer Mättad Ca(OH)2-lösning
25 ml byrett 0,010 M CaCl2-lösning mättad med Ca(OH)2
3 st trattar 0,020 M NaOH-lösning mättad med Ca(OH)2
Pumpett 0,100 M HCl
3 st 100 ml måttglas Fenoliftalein-indikatorlösning
3 st 25 ml fullpipetter Filterpapper
6 st 250 ml erlenmeyerkolvar
Arbetets utförande
· Filtrera ca 60 ml av alla de mättade lösningarna i varsitt måttglas (använd vid behov två
filterpapper). Var försiktig att inte skaka flaskorna när du häller.
· Pipetera två 25 ml:s prov av alla filtrat i två olika erlenmeyerkolvar för parallella bestämningar.
· Mät provets temperatur.
· Tillsätt några droppar fenolftalein-indikatorlösning.
· Titrera proven med 0,100 M HCl-lösning (ekvivalenspunktens färgombyte: från rödviolett till
färglös). Anteckna resultaten i laboratoriehandboken.
24
ARBETE VII GALVANISKA CELLER
I arbetet undersöks vissa redoxpars redoxegenskaper genom mätning av cellspänningarna ibildade galvaniska celler.
Arbetets undervisningssyfteTeori som åskådliggörs: Elektrokemi (Tro 18). Även i kompendiet för kursen i lösningskemi kan
man läsa om ämnet.Arbetsmetoder: Planering av försök
Arbetsredskap och reagens100 ml dekanterglas 0,050 M Cu(NO3)2
potentiometer 0,050 M Zn(NO3)2
ledningar och ledningsklämmor 0,050 M I2 0,070 M KIkoppar- och sinkplattor 0,10 M FeSO4
kolstavvar 0,10 M Fe(NO3)3
filterpapperremsor och 0,1 M NH4NO3 för saltbryggor
Utförande av arbetet· Framställ följande halvceller:(1) Cu2+ / Cu(2) Zn2+ / Zn(3) I2 / I -
(4) Fe3+ / Fe2+
· Mät cellspänningarna för tre galvaniska celler bildade av dessa (alla halvceller måste
användas minst en gång). Använd en ny saltbrygga i varje cell. Dokumentera dinamätningar grundligt i laboratoriedagboken.
25
Allmänt om det organiska passetInlärningsmål
· kan genomföra följande synteskemins arbetsmetoder: uppvärmning av reaktionsblandningenunder återloppskylning, användning av mekanisk omrörare, destillering vid normal- och undertryck,omkristallisering, filtrering extrahering och sublimering.· kan utföra en enkel syntes m.h.a. den givna anvisningen.· kan använda vanliga fysikaliska metoder som smältpunkt, kokpunkt, brytningsindex,tunnskiktskromatografi vid utvärdering av produktens kvalitet· kan mäta och tolka IR-spektra· förstå sambandet mellan syntesreaktionens mekanism och reaktionens utförande i praktiken
Utförandet av arbeten
Det är skäl att bekanta sig med kursmaterialet före kursen börjar. Frånvaron bör diskuteras medassistenten. Syntesprodukten och sakligt ifylld syntesblankett returneras för granskning tillassistenten senast en dag efter att arbetet utförts
I grundarbetena görs 7 st. synteser.
Arbetets teori och praktiska utförande tenteras i grupp åt handledande assistenten på morgoneninnan laborationerna påbörjas. Det är alltså viktigt att vara på plats då arbetstiden börjar.Kursdeltagarna är indelade i grupper. Alla grupper gör olika synteser medan inom gruppen görstuderandena samma arbete självständigt. Synteserna värderas med vitsord (1-5) vilket baserar sigpå produktens utbyte och renhet
Arbetsutrustning
Varje studerandes arbetsplats innehåller vanliga glasvaror vilka studerandena är själv ansvariga för.På första dagen före arbetena påbörjas kvitterar alla studerande av preparatorn ett eget skåp förarbetena. Skåpet med rena glasvaror bör lämnas tillbaka senast på sista arbetsdagen. Av skåp sominlämnas senare faktureras en extra 40€ avgift. Saker som värmemantel, mikrodestillationsdel ochVigreaux-kolonn fås mot kvittering från assistentrummet. Sakerna tvättas och returneras omedelbartefter användningen till assistentrummet.
26
Arbetssäkerhet
Arbete i laborationsmiljö är säkert då man kan skyddsutrustningens och apparaturernas rättaanvändningssätt, följer regler och instruktioner samt hanterar kemikalier försiktigt och varsamt. Omdu inte vet, fråga assistenten. Om arbetsreglerna medvetet bryts leder det till arbetsförbud.
Ordning på arbetsplatsen
Renlighet ökar säkerheten i laboratoriet. Egna arbetsplatsen skall alltid städas efter att man slutatarbeta. Man får inte lämna kemikalier på sådana ställen där de kan vara till risk för andra. Allaförvaringskärl bör vara försedda med etikett. Stora mängder lättantändliga lösningsmedel får inteförvaras i dragskåpet. Gångvägarna i laboratoriet skall hållas fria från hinder (stolarna till sidan,skåpdörrarna stängda...). Om du vill tända en Bunsen-brännare försäkra dig om att det inte finnslättantändliga lösningsmedel närvarande. I laboratoriet får man inte äta, dricka eller röka.Arbetsrocken hör endast till laboratoriet. I laboratoriet får arbetas endast under de bestämdaarbetstiderna.
Skyddsglasögon används alltid i laboratoriet!
Skyddsutrustning
· Laboratoriets viktigaste skyddsutrustning är dragskåpet. Ta reda påanvändningsinstruktionerna
· Personliga skyddsutrustningar. Använd alltid skyddsglasögon, -handskar och arbetsrock
Apparaturer
· Apparaturer som upphettas får inte täckas· Kokstenarnas och uppvärmningsbadens användning. Oljebadet får endast upphettas till 200
℃.· Uppvärmningen görs med värme-/omrörningsplatta eller elplatta inte med öppen låga· Lösningsmedlen indunstas genom destillering eller med en rotavapor inte m. h. a. ett öppet
kärl· Apparaturen kan lämnas i dragskåpet (inte på arbetsbordet) bara med assistentens skriftliga
lov där också studerande skriver namnet
Avfallshantering och tvättning av kärl
· Avfall som kan sättas i avloppet: ofarliga vattenlösliga föreningar och utspäddavattenlösningar vars pH är 6-11.
· Lösningsmedel och giftiga föreningar som är olösliga i vatten samlas i ett avfallskärl· Föreningar som reagerar häftigt eller bildar giftiga gaser med vatten förstörs med kemiaska
reaktioner· Vid tvätt av kärl används aceton sparsamt (pris) och aldrig i närvaro av hett vatten
27
SLIPAT GLAS
termometer
28
UTAN SLIP
29
30
31
ArbetsmetoderUtförandet av reaktion
Uppvärmning av reaktionsblandning
Uppvärmning av reaktionsblandningar där kolven förses med en kylare används t.ex. då manåterloppskokar eller omkristalliserar. Detta görs med apparaturen nedan där en bollkylare används.Kylaren hindrar vätskan för att avdunsta genom att komprimera ångan till vätska som rinner nertillbaka i kolven. Till blandningen som skall uppvärmas bör tillsättas kokstenar för att undvikastötkokning, ifall man inte använder magnet- eller mekanisk omrörning. När kokpunkten är under80 ℃ för vätskan som skall uppvärmas används ett vattenbad som värmekälla. Vätskor som kokarvid högre temperaturer uppvärms med ett paraffin- eller silikonoljebad försedd med en termometer.Paraffinoljebadet får upphettas till högst 200 ℃ och silikonoljebadet till 250 ℃. Om du inte vetvilken olja som används upphetta oljan då till högst 200 ℃. Undvik att få vatten i oljebadet annarsbörjar det stänka under upphettningen. Ifall reaktionsblandningen är fuktkänslig måste bollkylarensövre slip förses med ett torkrör fyllt med CaCl2. Apparaturen som används vid upphettningen fåraldrig vara fullständigt sluten. Uppvärmning av ett slutet system kan orsaka explosionsfara.
32
Mekanisk omrörning
Mekanisk omrörning används då man vill effektivt blanda styva reaktionsblandningar t.ex. vidFriedel-Crafts-reaktion. Omröraren och glasvarorna som behövs för apparaturen kan hittas iundervisningslaboratoriets mellanrum. Fäst stadigt omröraren i ett stativ för att undvika att denfaller under reaktionen. Pröva den tomma apparaturen före tillsatsen av utgångsämnena. Mekaniskomrörning är inte lämplig för synteser i liten skala. Då kan man använda magnetomrörning istället.OBS! Om en tryckutjämnande dropptratt (har ett sidorör) används sluts denna med en glasproppinte med ett CaCl2-torkrör. Annars rymmer lösningsmedlet och HCl-gasen som frigörs i reaktionenvia torkröret.
33
Isolering
Filtrering
När man filtrerar bort det olösliga ämnet (t.ex. torkmedel) och filtratet tas till vara används en renglastratt med vadd eller veckat filterpapper. När det fasta ämnet tas tillvara används sugfiltrering (seapparaten nedan). Båda sugflaskorna fästs stadigt med klämmare i ett stativ. I sugtratten (Büchner-tratten) sätts ett runt filterpapper som täcker alla hål i tratten. Filterpappret får inte stiga på trattenskanter vilket kan leda till att det fasta ämnet går igenom tratten. Pappret väts med sammalösningsmedel som använts i reaktionen. Vattenstrålepumpens kran öppnas helt ochsäkerhetsflaskans kran stängs, varefter filterpappret trycks mot tratten och apparaturen är färdig förfiltrering. När man slutar sugfiltreringen släpps först systemet i normaltryck genom att öppnasäkerhetsflaskans kran.
Extraktion
Då man flyttar reaktionsprodukten från vattenlösning till ett organiskt lösningsmedel, t.ex. eter,skakas vattenlösningen med det organiska lösningsmedlet i en skiljetratt. Med ena handen stöderman skiljetrattens kork och med andra kranen. Du kan öva dig med en tom skiljetratt. Kolla ocksåkranens rörlighet och använd kranfett vid behov. Inledningsvis skakas lösningen försiktigt någrasekunder varefter övertrycket som bildats i skiljetratten släpps ut genom att öppna kranen.Extraktionen fortsätts lika ända tills inget övertryck längre bildas varefter lösningen skakas kraftigt i1-2 min. Tratten får stå i ringklämmare så att faserna separerar. Om organiska lösningsmedletstäthet (kolla CRC handbook of chemistry and physics) är lägre än vattnets, bildar lösningsmedletdet övre skiktet och vattnet det lägre. När man använder olika lösningsmedel kan det hända att manblir osäker på vilken är vattenlösningen. Detta kan kollas genom att tillsätta en droppe av någonderavätskan och se i vilken fas denna landar. När man separerar faserna tas proppen bort och den nedre
34
fasen släpps ut i ett kärl genom att öppna kranen. Övre fasen blir kvar i skiljetratten och hälls viamunstycket i ett annat kärl. När du använder lättflyktiga och lättantändliga lösningsmedel, t.ex.eter, får ingen öppen eld vara närvarande.
Rening
Omkristallisation
Den viktigaste reningsmetoden för fasta organiska föreningar är omkristallisation. Metoden baserarsig på löslighetsskillnaderna mellan produkten och orenligheterna i omkristallisationslösningen.Kristallina föreningar som fåtts antingen som syntesprodukt eller från organiska material innehålleralltid instängda orenligheter från omgivningen. I praktiken renas den orena föreningen genom attlösa upp den i en så liten mängd het lösning av vilken produkten utfälls då lösningen nedkyls. Litenmängd lösningsmedel leder till att kristallernas orenligheter blir i moderlösningen. Om den hetalösningen innehåller olösliga orenligheter bör den filtreras före lösningen nedkyls. Färgadeorenligheter kan i vissa fall tas bort m. h. a. aktivt kol. Det är viktigt att kyla ner lösningentillräckligt långsamt för att undvika orenligheterna att bli instängda i kristallgittret. Dessutom fåssmå kristaller medan långsam nedkylning ger stora kristaller.
Ifall man inte vet omkristallisationslösningen som skall användas bör man pröva sig fram till denrätta. Vid valet av lösningmedlet måste man beakta bl. a. följande: lösningsmedlet får inte reageramed produkten, produkten skall lösa sig bra i het lösning men dåligt i kall lösning. Lösningsmedletskokpunkt bör vara lägre än smältpunkten för den fasta produkten. Tyvärr finns det ingen tumregelhur man skall välja omkristallisationslösningen vilket ovan kan ses. Opolära kolväten kanomkristalliseras från hexan eller petroleter. För etrar och halogenider kan diklormetan vara ett braalternativ. Om din produkt har OH-grupper (alkoholer, fenoler eller karboxylsyror) lönar det sig attanvända etanol. Bra alternativ kan hittas i CRC handbook of chemistry and physics därföreningarnas lösligheter i de vanligaste lösningsmedel har tabellerats.
Ofta då man omkristalliserar använder man en blandning av lösningsmedel. Kristallerna löses dåförst i det bättre lösningsmedlet (så liten mängd som möjligt, het) och sedan tillsätter små portionerav det sämre lösningsmedlet. Tillsatsen av det sämre lösningsmedlet leder till en instabil grumling.
35
Tillsatsen fortsätts tills grumlingen ”just och just” försvinner. Båda lösningsmedlen skallnaturligtvis blandas fullständigt. Om faserna separerar sker ingen kristallisering. Du kan användadig av följande lösningsmedelskombinationer.
Problem vid kristallisation. Kristallisationsprocessen fungerar nästan aldrig problemfritt. Även omrätt lösningsmedel har valts kan de hända att kristallisationen inte startar fastän man använder isbad.Detta kan bero på att lösningen blivit övermättad. Då är det lättast att använda sig av sk.ympningskristaller om de finns tillgängliga. Andra alternativet är att skrapa kolvens innervägg meden glasstav. Mikropartiklarna som lossar då kan fungera som kristallisationscentran och produktenbörjar kristallisera. Om ingetdera fungerar kyls lösningen med ett etanol-koldioxidbad (-76 ℃) ochkolvens väggar skrapas med glassatv. Sista chansen är att försöka koncentrera lösningen med t.ex.rotavapor och hoppas på det bästa. Nackdelen i denna metod är att då lösningsmedelblandningaranvänds indunstas först det bättre lösande lösningsmedlet vilket leder till fasseparation. Då måsteman börja om från början.
Vid kristallisationsprocessen kan någon gång separeras en andra vätskefas som kallas för ”olja”.Oljan kristalliserar först efter att ha stått en lång tid. Dessa kristaller innehåller moderlösning ochkräver därför ytterligare rening. Oljebildningen kan undvikas genom att späda ut lösningen, vilketdäremot minskar märkbart på utbytet. En annan metod för att undvika oljebildning äråteruppvärmning av lösningen varefter lösning kyls under omrörning vilket leder till att den bildadeoljan omvandlas till en dispersion. Till slut bildas relativt rena kristaller. Omrörningen kan avslutasifall ingen olja kan ses. Användningen av ympningskristaller kan hjälpa i denna metod.
36
Destillering
Ett av de mest centrala sätten att rena flyktiga föreningar i organisk kemi är destillering. Idestillering förångas det organiska materialet genom uppvärmning till kokpunkten. Den bildadeångan kyls till vätska varefter destillatet fås. Destillering kan göras på ett antal olika sätt. Metodensom används beror på föreningen som skall destilleras både på dess egenskaper och på deorenligheter som den innehåller. De vanligaste destillationsmetoderna är: rak destillering,fraktionsdestillering, destillering i undertryck (vakuumdestillering), vattenångdestillering ochKugelrohr-destillering. Sublimering där ett fast ämne förångas är en slags destillering. Föreningarnasom skall separeras införs i en kolv och uppvärms tills den lättflyktigare föreningen kokar. Vid dethär skedet avläser man termometern och får kokpunkten för föreningen. Ångan vandrar till kylarenvar den kondenserar till vätska och rinner i produktkolven. När destilleringen slutar eller kolvenkokar torr, avslutas destillationen eller produktkolven byts för den andra produkten. Utgångskolvenfår aldrig destilleras helt torr. Vanlig destillationsapparatur kan ses på sidan 11. Utgångskolvenväljs så att vätskan fyller minst halva kolven men högst 2/3. I utgångskolven sätts 1-3 kokstenarifall magnetomrörning inte används. När vätskans kokpunkt är 120 ℃ används flödande vatten ikylaren. Om kokpunkten är 120-150 ℃ används stående vatten och när kokpunkten är över 150 ℃används luftkylning (vattnet släpps ut). Kolven uppvärms försiktigt tills vätskan börjar koka. Närvätskan börjar destillera och droppa i produktkolven justeras uppvärmningen så attdropphastigheten är 1 droppe/ 2 sekunder. Destillationen avslutas alltid före kolven är helt torr.Många vätskor speciellt alkener och etrar kan innehålla peroxider som koncentreras idestillationsåterstoden och kan explod era vid överhettning.
Droppdestillering
Då man vill destillera stora mängderlösningsmedel från en liten kolv användsdropp-destillering. Detta sker normalt då manvill skilja lösningsmedlet från den egentligaprodukten. Under destilleringen tillsättslösnings-medel i utgångskolven fråndropptratten. Utgångskolvens storlek väljs såatt den lämpar sig bra för blandningen somblir kvar efter att lösningsmedlet destilleratsbort. På detta sätt undviks antingendestillering av en liten mängd produkt från enotympligt stor kolv eller byte av utgångskolvtill en mindre för vidare destillering. Istället föratt använda droppdestillering kanlösningsmedlet tas bort med en rotavapor.
37
Fraktionsdestillering
Två ämnen som blandas med varandra kan endast separerasmed destillering då deras kokpunkter skiljer sig tillräckligtfrån varandra (20-80 ℃). Ifall skillnaden är liten kan ingarena, vid konstant temperatur kokande destillat erhållas.Istället stiger temperaturen kontinuerligt underdestillationen. Föreningarna separerar bättre då man inför enVigreaux-kolonn mellan utgångskolven ochdestillationsdelen. Kolonnens uppgift är att bilda en så storyta som möjligt vilket underlättare de högre kokandekomponenterna att kondenseras och separeras från de lägrekokande vilka fortsätter till kylaren. Fraktionerna som kokarvid olika temperaturer samlas i egna kolvar.
38
Vakuumdestillering
Vakuumdestillering används för att rena föreningar med hög kokpunkt, för fasta ämnen ellerföreningar som sönderdelas i normalt tryck vid temperaturen som motsvarar dess kokpunkt. Ivakuumdestillering fås vakuum m. h. a. en vattenstråle- eller oljepump vilket sänker föreningenskokpunkt. Apparaturen är annars likadan som i destillering i normalt tryck förutom att frånsammanbindningsröret leds en slang via manometern till Wulffs-flaskan och vidare till pumpen.Från manometern kan avläsas undertrycket i kvicksilvermillimetrar (mmHg) när bästa undertrycketuppnåtts. Wullfs-flaskans uppgift är att hindra vatten att komma in i produktkolven. Apparaturenkan suga i sig vatten från pumpen ifall trycket inte har utjämnats före man stänger den. Specielltviktigt är att fästa både Wullfs-flaskan och manometern i ett stativ för att undvikakvicksilvermanometern för att gå sönder. I vakuumdestillering måste man användavakuumkokstenar istället för normala. Ifall destillationen avbryts måste nya kokstenar införas föreman fortsätter. Magnetomrörning kan användas istället för kokstenar.
Innan man börjar destillera bör man pröva vakuumapparaturen med tomma kolvar. När apparaturenbyggts upp kollas att systemets slipanslutningar är täta och att inga spänningar mellan delarnaförekommer. Först öppnas Wulffs-flaskan, manometern stängs och vattenstrålepumpens kranöppnas helt. Sedan stängs Wulffs-flaskan och systemet börjar suga vakuum. Undertrycketkontrolleras genom att öppna manometerns kran. Undertrycket avläses genom att beräknaskillnaden mellan kvicksilverpelarna (skala millimetrar). Till slut stängs manometerns kran ochWulffs-flaskan öppnas varefter luft fås i systemet.
Efter prövningen kan man införa i kolven lösningen som skall destilleras och kokstenar ifall maninte använder magnetomrörning. Vakuum sugs i systemet (beskrivet ovan) varefter uppvärmningenpåbörjas efter att ett stabilt undertryck uppnåtts. När föreningen börjar destilleras avläsesundertrycket från manometern och noteras för rapportering. Efter att produkten destillerats färdigtsläpps systemet i normaltryck (beskrivet ovan), uppvärmningen avslutas och vattenstrålepumpenskran stängs.
I laboratorierna för organisk kemi används två olika typer av pumpar: Vattenstrålepumpar finns ivarje dragskåp och dessutom finns några separata oljepumpar. Med vattenstrålepumpen kan ett
39
undertryck 10-20 mmHg erhållas medan med oljepumpen ett undertryck 0,1-0,001 mmHg (normaltlufttryck 760 mmHg). En separat med el fungerande undertrycksmätare behövs då oljepumpanvänds. Kvicksilvermanometer får inte användas. Dessutom måste pumpen skyddas med en fällaav flytande kväve.
För att kunna jämföra den uppmätta kokpunkten med referensvärden måste man konvertera värdenså att de vore uppmätta vid samma tryck. Detta går lätt genom att använda grafer t.ex.nomogrammet i bilden.
I detta nomogram avläses i mitten kokpunkten vid normalt tryck och till höger systemetsundertryck. En linje dras mellan dessa punkter och genom att se skärningspunkten i den vänstraskalan fås kokpunkten vid detta undertryck. Exempel: om föreningen kokar i normalt tryck vid 200℃ och systemets undertryck är 20 mmHg är kokpunkten då ca. 80 ℃ vid detta tryck.
Repetera säkerhetsaspekterna då man arbetar i undertryck!
Sublimering
I vissa fall när man upphettar ett fast ämne förångas det rakt till gasform som efter nedkylningkristalliserar på nytt. I kemin kallar man detta för sublimering. Vanliga föreningar som sublimerasär kamfer och selenoxid. Sublimering är exceptionellt bra reningsmetod för föreningar somsublimeras i normal- eller undertryck.
40
Sublimering i normaltryck
Föreningen som skall renasinförs i en porslinsskål vilkenplaceras på en trefot förseddmed ett keramiskt nät.Eventuella lösningsmedel kanindunstas genom att värmaskålen med en Bunsen-brännare. När ämnet är torrtplaceras ovanpå skålen en renoch torr glastratt med glasull iändan. Tratten med glasullvägs före sublimeringen. Skålen värms försiktigt med Bunsen-brännaren varefter föreningen börjarförångas och kondenseras på insidan av tratten. När all produkt har sublimerats avslutasupphettningen och apparaturen kyls. Till slut vägs tratten med den renade produkten och beräknarsublimeringsproduktens mängd.
Sublimering i undertryck
När man sublimerar i undertryck är det bra att använda sig av en specifik vakuumsublimerings-apparatur. Sätt kylvattnet i kylare och rinna, kolla att sugflaskans kran är öppen, öppnavattenstrålepumpen helt och stäng till sist sugflaskans kran.
Avläs undertrycket och stäng manometerns kran. Uppvärm värmebadet till en önskad temperatur såatt produkten sublimeras med lämplig hastighet. Produkten som sublimeras fastnar på kylfingretsyta och återstoden blir kvar på bottnen av röret. När sublimeringen slutar eller produkten bildar ettför tjockt skikt på kylfingret, vilket kan falla tillbaka till bottnen, avslutas uppvärmningen ochsystemet släpps till normalt tryck genom att öppna sugflaskans kran. Ta loss kylfingret försiktigt såatt produkten inte faller. Skrapa m. h. a. en spatel produkten i en ren burk med kork. Produkten ärren ifall råprodukten inte har innehållit orenligheter som sublimerar i samma förhållanden somprodukten. Ingen torkning behövs p.g.a. att lösningmedelsresterna indunstar då man suger vakuum.
41
Kromatografiska metoder
Kromatografi är en metod som används för att separera, rena och bestämma. Komponenternasseparation baserar sig på deras rörelse jämfört med den stationära fasen (fast eller vätska) och medden mobila fasen (vätska eller gas). Olika kromatografiska metoder är pelarkromatografi,papperskromatografi, tunnskiktskromatografi (TLC), gaskromatografi (GC) och vätskekromatografi(LC).
Kamrarna som används för kromatografin är flatbottnade kärl med lock helst isolerade medfilterpapper. I kammaren hälls ett ca. 0,5 cm tunt skikt av eluent. Kammaren får stå en stund så attlösningsmedlets ånga mättar kärlet. I tunnskiktskromatografi används som stationärfasaluminiumplattor med ett tunt lager kiselgel. Av plattorna kan klippas med sax en skiva av önskadstorlek (8 x 2,5 cm är passlig för 2-3 punkter). Hantera skivan varsamt för att undvika skråmor ochytbeläggning att lossa. På skivan markeras en startlinje ungefär 1 cm från skivans nedre kant. En ca.1%-lösning av den analyserbara produkten görs genom att använda ett lättflyktigt lösningsmedel.Lösningen droppas på startlinjen m. h. a. ett tunt kapillärrör och låter punkten torka. Skivan flyttasmed pincett i kammaren stående. Punkterna bör befinna sig ovanför eluentnivån vid starttillfället.
I den mättade kammaren stiger lösningen längs stationärfasen uppåt. De olika komponenterna ireaktionsblandningen samt utgångsämnena rör sig med olika hastigheter i närvaro av eluenten.Lösningsmedelsfronten får stiga till ca. 1 cm från skivans övre kant varefter nivån märks och skivantorkas i dragskåpet. Punkterna kan observeras antigen med UV-ljus eller genom att färga plattanmed ett lämpligt reagens. För att identifiera föreningarna används deras Rf-värden som hjälpmedel.Rf = distansen som provet rört sig/ distansen som eluenten rört sig.
42
Rapportering av synteserna
Av varje utförd syntes ifylls en syntesblankett, följande saker fylls i
· Syntesproduktens namn på svenska· Instruktionernas och reaktionsmekanismens referenser· Reaktionslikheten, reaktionsmekanismen på baksidan· Info om utgångsämnen som använts: namn på svenska, molmassan (molekylvikten) som
heltal (g/mol), massan (vikten) (g), molmängden (mol). Om utgångsämnena har uppmätts ivolymer, beräknas också dess massa. I alla talvärden används två gällande siffror
· Info om produkten: molmassan (molekylvikten) som heltal (g/mol), teoretiska utbytet,instruktionernas utbyte samt egna utbytet (g) och molmängd (mol) samt utbytesprocenterna,fysikaliska konstanterna med referensvärden: smältpunkten och kokpunkten med en siffrasnoggrannhet samt trycket, brytningsindexet med apparaturens noggrannhet och färg
· Bedömning av renheten: skillnaden i smältpunkt, på basen av gaskromatogrammet ellerbrytningsindexet samt eventuella orenligheter
· Bestämning av renhetsklassen med den givna formeln eller med skilda direktiv· Vitsordet av arbetet med den givna formeln· Datumet då arbetet gjordes· Utförarens namn
När du beräknar ämnesmängder observera skalan i arbetsinstruktionernas nedre kant. För attminimera kostnaderna har ämnesmängderna sänkts till så små som möjligt. När ämnesmängdernakonverteras från instruktionernas mängder, väljs reaktionskärlen därefter. Reaktionstidernaförändras inte i samma skala! För att ta reda på reaktionsmekanismen använd mapparna som finns iassistentrummet eller t.ex. någon av följande böcker
Glayden, Greeves, Warren and Wothers, Organic Chemistry
Streitwieser, A., Heathcock, C. H. & Kosower, E. M., Introduction to Organic ChemistryJ. March: Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and StructureMcMurry: Organic ChemistryE. S. Gould: Mechanism and Structure in Organic ChemistryH. G. O. Becker: Elektronentheorie organisch-chemischer ReaktionenP. Sykes: A Guidebook to Mechanism in Organic ChemistryR. Bruckner: Advanced organic ChemistryFessenden & Fessenden: Organic Chemistry
Med syntesblanketten returneras också kvittot från smältpunktsapparaten, IR-spektra tolkat antingeni spektra eller på ett skilt papper samt syntesprodukten i en burk, där utförarens och produktensnamn samt datum och mängden förekommer.
Utbyte
Den isolerade produktens eller produkternas mängd kallas för utbyte. Syntesen utbyte presenteras iallmänhet som procentuell andel av det teoretiska utbytet. Teoretiska utbytet (högsta mängden somkan fås, 100 %) beräknas från den balanserade reaktionslikheten enligt utgångsämnet som använtsstökiometriskt minst av. Exempel: det teoretiska utbytet för bromering av trans-stilben fås fråntrans-stilbenens mängd. I syntesen används 0,0055 mol trans-stilben och 0,0063 mol brom alltså
43
brom har använts i överskott. Från reaktionslikheten kan ses att i teorin behövs det endast 0,0055mol brom alltså lika mycket som trans-stilben.
Bedömning av produktens renhet
I organiska laborationer används följande klassificering vid bedömning av syntesproduktens renhet:
· Renhetsklass 1 (n=1): purissimum och purissimum p.a., halt över 99 %· Renhetsklass 2: purum och purum p.a., halt över 97 %· Renhetsklass 3: practicum, halt ca. 95 %· Renhetsklass 4: tekniska kemikalier, halten varierar
Föreningar i renhetsklass 1 lämpar sig för analyser, i klass 2 för de flesta analyser och klass 3 försyntesanvändning. Studerande måste själv ta reda på till vilken klass syntesprodukten hör.Föreningar i klass 4 måste renas på nytt.
Produkter i renhetsklassen n=1 måste fylla följande krav:
· Smältpunkten får avvika högst 1 ℃ jämfört med referensvärdet eller kokpunkten vara rätt· Kvaliteten av produkten är jämn och färgen rätt· Brytningsindexet för vätskor får högts avvika 0,001 från referensvärdet. ( i grundarbeten
godkänns produkten som renhetsklass n=1 om brytningsindexet avviker högst 0,003)Med hjälp av smältpunkten kan man bestämma kristallina produkters renhetsprocent och -klass.Vätskors brytningsindex berättar endast om renhetsklassen är 1 eller lägre. Vätskors renhetsklasskan bestämmas med gaskromatografi ifall inga oeluerande föreningar är närvarande. När utbytetoch renhetsklassen känns till beräknas vitsordet för syntesen genom att använda formlerna iblanketten. OBS! I organisk 1-arbeten används annan formel än i 2- och laudaturarbeten.
IR-tolkning
IR-spektran tolkas antingen i spektra eller på ett skilt IR-tolkningspapper. I spektra märks utabsorptionsbandets nummer och i blanketten märks samma nummer, bindning eller funktionalitet,observerat vågtal, referensvågtalet samt bandets intensitet. Eventuella korrigeringar görs på en nyrad, inte på den tidigare.
44
45
SynteserMeso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan
Reaktionsmekanism: elektrofil addition till dubbelbindning
Reagens
1 g trans-stillben
10 ml diklormetan
10 ml 10 % (w/v) brom-diklormetanlösning
cyklohexen
5 ml diklormetan
Arbetssäkerhet
Brom är extremt toxiskt ochfrätande. Brom hanteras idragskåpet med skydds-handskar på händerna. (T.Simonen: Arbetsmetod-kompendiet s. 53)
Utrustning och apparatur
50 ml kolv med makrosliplitet måttglasBüchner-tratt, sugflaska +gummitätningurglassugfiltreringsapparaturTorkning av ett fast ämne
Utförande
I en 50 ml:s kolv löses 1 g trans-stillben med 10 ml diklormetan. Lösningen omrörs magnetisktvarefter 10 ml 10 % -tig brom-diklormetanlösning tillsätts. Ifall bromfärgen försvinner tillsättsytterligare brom-diklormetanlösning i 1 ml:s portioner tills färgen blir kvar. Dibromföreningenseparerar som vita kristaller från lösningen. Tillsätt nu droppvis cyklohexen för att avskaffaöverskottet brom. Sluta tillsatsen av cyklohexen genast när bromfärgen försvunnit. Till slut nedkylsreaktionsblandningen i ett isbad.
Isolering och reningDen fasta produkten sugfiltreras. Fällningen tvättas med 5 ml kall diklormetan och torkas genom attsuga luft i filtrerapparaturen. Flytta produkten på vägt urglas och väg den fullständigt torraprodukten. På den torra produkten mäts smältpunkt. Meso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan smältermellan 241-243 ℃. Instruktionens utbyte är 75 %.
Produktens karaktärisering
Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. Produktens renhet kontrolleras med TLC (1:2diklormetan:petroleter)
46
Acetylsalicylsyra (aspirin)
Reagens
5,0 ml ättiksyraanhydrid
2,8 g salicylsyra
3-4 droppar konc. svavelsyra
Arbetssäkerhet
Ättiksyraanhydrid ärlättflyktigt och irriterande
Utrustning och apparatur
100 ml kolvmagnetomrörning
vatten- och isbad
Büchner-tratt, gummitätning,sugflaska
sugfiltreringsapparatur,omkristallisationsapparatur
Utförande
Salicylsyra 2,8 g vägs i en torr 100 ml:s rundkolv. I kolven införs 5,0 ml ättiksyraanhydrid och 3-4droppar konc. svavelsyra. Den vita fällningen som bildas magnetomrörs. Kolven placeras i ett 45-50℃ varmt vattenbad för 15 min varefter kolven kyls till rumstemperatur och 50 ml vatten tillsätts.Fällningen finfördelas med en spatel.
isolering och rening
Kolven får stå i ytterligare 5 min varefter kolven kyls i ett isbad. Kristallerna filtreras genomsugfiltrering. Produkten omkristalliseras från het etanol-vatten-lösning (30 % EtOH, 70 % vatten).Temperaturen får inte överskrida 80 ℃ (kolla OBS). Renade kristallerna filtreras och lufttorkas.Smältpunkten för ren aspirin är 135 ℃ och instruktionens utbyte 80 %.
OBS. Om temperaturen överskrider 80 ℃ bildar aspirinen en olja som löser organiska orenligheterfrån vatten. Oljan är svårlöslig i vatten.
Produktens karaktärisering
Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.
47
Etylpropanat
Reaktionsmekanism: syrakatalyserad esterifiering. Syran katalyserar reaktionen genom attprotonera propansyran. Den bildade katjonen är då resonansstabiliserad. Etanol fungerar somnukleofil och attackerar katjonen. Efter detta sker protonöverföring och en vattenmolekyl klyvs.Reaktionen är nukleofil acylsubstitution.
Reagens
10 ml Aa-etanol
14 ml propansyraKonc. svavelsyra
40 ml eter
2 M NaHCO3-lösningMgSO4
Arbetssäkerhet
Koncentrerad svavelsyra ärextremt frätande.
Eter är lättantändlig ochindunstande vätska
Etanol är lättantändlig vätska
Utrustning och apparatur
50 ml kolvåterloppskylareoljebad
måttglas
250 ml skiljetratt
250 ml Erlenmeyerglastratt
destillationsapparatur
droppdestillationsapparatur
Utförande
I en 50 ml:s kolv blandas 10 ml (7,8 g) etanol och 14 ml (13,9 g) propansyra. 2-3 dropparkoncentrerad svavelsyra (katalysator) tillsätts försiktigt och omrörs väl. I kolven införs en magnetvarefter reaktionskolven uppvärms 1h i ett oljebad. Reaktionsbladningen nedkyls tillrumstemperatur.
Isolering och rening
Den nedkylda reaktionsblandningen hälls i en skiljetratt med 40 ml vatten. Eter, 40 ml, tillsättsvarefter lösningen skakas (skyddsglasögon) försiktigt och skikten får separera. Vattenfasen släppsut ur skiljetratten i något kärl. Eterfasen som blivit i skiljetratten tvättas med 20 ml vatten (skakasmed vattnet). Efter att skikten separerats släpps tvättvattnet ut.
48
Eterfasen tvättas sedan med 2x40 ml 2 M NaHCO3-lösning för att få bort oreagerad syra. Speciellförsiktighet krävs i detta skede då det bildas tryck p.g.a. koldioxiden som frigörs när manneutraliserar syra. Syran förflyttas till vattenfasen som ett salt. Till slut tvättas eterfasen med 2x20ml vatten. När tvättvattnet släpps ut så noggrant som möjligt flyttas eterfasen till en Erlenmeyer ochtorkas med vattenfri magnesiumsulfat. Efter att lösningen torka i 30 min filtreras den genom englastratt med lite rent vadd. I en kolv införs en del av eterlösningen och en magnet varefter eterndroppdestilleras bort genom att använda vatten- eller oljebad.
Produkten renas genom destillering. Etylpropanatens kokpunkt är 99 ℃ (använd oljebad).Instruktionens utbyte är 60 %.
Produktens karaktärisering
Brytningsindex och IR-spektra mäts för produkten.
49
Bensoin
När aromatiska aldehyder behandlas med alkaliska cyanider i vattenlösning, bildaskondensationsprodukter -hydroxiketoner, bensoiner. Detta kallas för bensoinkondensation. Detmest kända exemplet är kondensation av bensaldehyd till bensoin.
Mekanism: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to OrganicChemistry, 4. p., Macmillan, New York 1992, s. 867.
Reagens
2,5 ml bensaldehyd
5 ml teknisk alkohol
0,25 g kaliumcyanid
Arbetssäkerhet
Kaliumcyanid är toxiskt ochfrätande kristallint ämne.
Avskaffning av cyanidavfall: P.Tilus, T. Asikainen, Turvallinentyöskentely laboratoriossa,Helsingin yliopisto 1996, s. 40
Bensaldehyd är irriterande
Utrustning och apparatur
50 ml kolvåterloppskylarevattenbad
Erlenmeyer
Büchner-tratt, gummitätning
sugflaska
Utförande
I en 50 ml:s rundkolv införs 5 ml teknisk etanol, 2,5 ml ren bensaldehyd och 0,25 g kaliumcyanid(renhet 96-98 %) upplöst i 4 ml vatten. OBS! Arbetet måste definitivt göras i dragskåp. Bygg enrefluxapparatur med vattenbad i vilken reaktionsblandningen uppvärms i 30 min. Kolven kyls sedani ett isbad. Råprodukten filtreras, tvättas med vatten och torkas. Filtraten samlas i ett skilt kärl föravfallshantering av cyanider.
Isolering och rening
Råprodukten omkristalliseras från etanol. Bensoin kristalliseras som vita kristaller medsmältpunkten 137 ℃. Instruktionens utbyte är 2,1 g.
Produktens karaktärisering
Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.
50
Reduktion av bensoin
1,2-difenyletan-1,2-diol
Vid reduktion av ketoner kan reaktionens stereokemi påverkas med hydroxigrupperna närakarbonylgruppen. Detta arbete beskriver stereoselektiv reduktion av bensoin med borhydridreagens.
Mekanism: Organisk kemi grundarbeten I – mapp (Assistentrummet)
Reagens
2,00 g bensoin
0,40 g NaBH4
Aa-etanol
HCl (6 M)
Arbetssäkerhet
Bensoin irriterar huden.
NaBH4 är frätande ochlättantändligt
Etanol är lättantändligtHCl är frätande
Utrustning och apparatur
magnetomrörning
sugfiltreringsapparatur
omkristallisationsapparatur
Utförande
I en 100 ml:s Erlenmeyer löses bensoinen med 20 ml Aa-etanol (1). Blandningen omrörsmagnetiskt och små portioner NaBH4 tillsätts under fem minuter tid (2). Omrörningen fortsätts 20min i rumstemperatur. Reaktionskolven kyls sedan i ett isbad varefter 40 ml vatten och 1 ml 6 Msaltsyra (3) tillsätts. Omrörningen fortsätts ytterligare i 20 minuters tid.
1) Lösligheten behöver inte vara fullständig2) Obs! Reaktionen är exotermisk3) Blandningen kan skumma
Isolering och rening
Reaktionsblandningen sugfiltreras och tvättas ordentligt med 100 ml vatten. Råproduktenomkristalliseras från etanol-vatten (1:1)-blandning. Instruktionens utbyte är 90 %.
Produkten karaktärisering
Kontrollera produktens renhet med TLC (etylacetat:hexan, 1:2). Smältpunkt och IR-spektra mätsför produkten.
51
p-Metylacetofenon
Mekanism: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to OrganicChemistry, 4. p., Macmillan, New York 1992, s. 696.
Reagens15 g AlCl3
25 ml toluen
4,8 ml ättiksyraanhydrid
ArbetssäkerhetAluminiumklorid bilar p.g.a.luftens fukt HCl och reageraintensivt med vatten. AlCl3-damm är skadligt vidinandning.
Toluen är lättantändligt
Ättiksyraanhydrid är enlakrymator och frätande
Utrustning och apparatur100 ml:s trehalskolv meddropptratt, CaCl2-rör,mekanisk omrörare,återloppskylare, PVC-slang +tratt250 ml:s dekanterglasoljebadskiljetrattvakuumdestillationsapparatur
Utförande
I en 100 ml:s trehalskolv fästs en dropptratt försedd med ett kalciumkloridrör (om dropptratten är entryckutjämnande sätts endast en glaspropp), mekanisk omrörare och en återloppskylare försedd medgasfälla. I kolven införs 15 g malen aluminiumklorid och 25 ml toluen. Omrörningen startasvarefter 5,1 g (4,8 ml) acetanhydrid tilldroppas via dropptratten. Tilldroppningen görs på 15 minvilket leder till att temperaturen för reaktionsblandningen stiger till 90 ℃ och rikligt med HCl-gasfrigörs. Blandningen uppvärms i 30 min eller tills ingen HCl-gas frigörs mer. Blandningen nedkylstill rumstemperatur varefter den hälls på 30 g is som blandats med 30 ml konc. saltsyra. Dettaomrörs tills alla aluminiumsalter löst sig.
Isolering och rening
Toluenfasen separeras, tvättas med vatten och 10 % -tig NaOH-lösning tills tvättlösningens pH ärpå basiska sidan. De kombinerade vattenfaserna tvättas en gång med toluen varefter toluenfasenkombineras med den ursprungliga toluenfasen (en s.k. återextraktion görs). Till slut tvättastoluenfaserna en gång med vatten. Lösningen torkas med magnesiumsulfat och återstodendestilleras med Claisen-del i normalt tryck: temperaturen får stiga till 125 ℃ varefter lösningen fårsvalna. Destillationen fortsätts i undertryck. Alternativt kan toluenen indunstas med rotavapor.Mellan 93-94 ℃/ 7 mmHg (kokpunkten i normalt tryck 225 ℃) samlas den kokande p-metylacetofenonen. Instruktionens utbyte är 5,8 g.
Produktens karaktärisering
Brytningsindex och IR-spektra mäts för produkten.
52
p-Bensokinon
OH
OH
KBrO3
Utspädd H2SO4
O
O
Mekanism: Organisk kemi grundarbeten I – mapp (Assistentrummet)
Reagens
2,5 g hydrokinon
1,4 g kaliumbromat
1,2 ml svavelsyra (2 M)
Arbetssäkerhet
Hydrokinon är skadligt
KBrO3 är oxiderande ochexploderande
Utrustning och apparatur
100 ml:s kolv och propp
sugfiltreringsapparatur
sublimeringsapparaturOBS! Produkten är toxisk och irriterar huden, ögonen samt andningsorganen
Utförande
I en 100 ml:s kolv införs i följande ordning kaliumbromat, 2 M svavelsyra, vatten (25 ml) ochhydrokinon. Blandningen omrörs kraftig 30 min i rumstemperatur. Reaktionen är färdig när den ibörjan svarta blandningen förändras till gulfärgad (gulgrön).
Isolering och rening
Sugfiltrera fällningen och tvätta den med iskallt vatten. Låt produkten torka under sug i Büchner-tratten. Råprodukten renas genom vakuumsublimering (temperaturen som rekommenderas förvärmebadet är 70℃). p-Bensokinonens utbyte är 1,3 g och smältpunkten 115 ℃.
OBS! Produkten löser sig i vatten, alltså tvätta inte produkten för mycket annars försvinner produktvid filtreringen. Speciellt oren produkt sönderfaller lätt, använd inte för lång tid vid isoleringen ochreningen.
Produktens karaktärisering
Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten.
53
Infrarödspektroskopi
I grundarbetena bekantar man sig med infrarödspektroskopi. I infrarödspektroskopi mätsinfrarödstrålningens absorptionsspektra för det analyserbara ämnet. Spektret presenteras vanligtvissom en funktion av vågtalets transmittans (= cm:s inversionstal). Mittområdets (2,5–50 m; 4000-200 cm-1) infraröda strålning är energetiskt tillräckligt starkt för att orsaka excitation i molekylernasvibrationsnivåer. IR:s absorptionsbältens våglängder är specifika för olika bindningstyper. Man kansäga att bindningens vibration (kan vara stretchvibration (v) eller böjningsvibration ( )) syns oftastsom ett absorptionsbälte (pik) i IR-spektra. En viss bindnings eller bindningsgruppsabsorptionsbälte befinner sig alltid på samma ställe i spektra oberoende av vilken molekyl är i fråga.IR-spektroskopi används främst för att bestämma och identifiera organiska föreningar ellerorganometallföreningar.
Tolkning av spektra
De flesta funktionella grupper absorberar i området 4000-1500 cm-1. Detta område tolkas alltid förstoch jämför de noterade absorptionerna med tabellerade referensvärden. Polära grupper absorberarofta vid lägre frekvenser och är breda p.g.a. vätebindning (t.ex. hydroxi- och aminogrupp). Mellan1400-900 cm-1 finns absorptionerna (fingerprintområde) som är normalt svåra att tolka för attområdet innehåller många olika böjnings- och stretchningsvibrationer. Vid tolkning av detta områdelönar det sig att vara försiktig. Under 900 cm-1 finns IR-absorptionerna vilka är nyttiga för attbestämma aromatiska ringens substitutionsmönster.
För nybörjaren lönar det sig att söka de tydliga funktionaliteterna som hydroxigrupper (alkohol ochfenol) aminogrupper (amin eller amid), karbonyler (aldehyd, keton, ester, amid), karboxylgrupper(bred OH och karbonyl), och om det eventuellt finns aromaticitet. I tabellen finns en kort lista på demest typiska IR-absorptionerna för organiska föreningar.
Litteratur:
· E. Pretsch, P. Bühlmann, C. Affolter, Structure Determination of Organic Compounds, 3. p.,Springer 2000.
· T. Hase, Tables for Organic Spectrometry, Otatieto, Esbo.· D. H. Williams och I. Fleming, Spectroscopic methods in organic chemistry, 5. p., McGraw-
Hill Book Company Limited, Maidenhead 1989.
54
