 |
|
Проведение перегонки
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО МЕТОДАМ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебное пособие
Издание второе
Тверь 2010
УДК 547(075.8)
ББК 24.2я7
Лагусева, Е.И. Лабораторный практикум по методам органической химии: учеб. пособие / Е.И. Лагусева, Г.А. Масленникова, Т.Л. Кравец. 2-е изд. Тверь: ТГТУ, 2010. 104 с.
Содержит основные методы очистки органических соединений. Компактность изложения материала позволяет студентам уменьшить затраты времени на самостоятельную подготовку к лабораторным занятиям.
Предназначено для студентов направления 020100 и специальности 020101 «Химия», направления 240100 «Химическая технология и биотехнология», специальностей 240901 «Биотехнология», 240501 «Химическая технология высокомолекулярных соединений», 280201 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
Рецензенты: кафедра органической химии Тверского государственного университета (зав. кафедрой, доктор химических наук, профессор Л.И. Ворончихина); зам. директора по производству ООО «Колорит» В.И. Антипова.
ISBN 978-5-7995-0484-7 Ó Тверской государственный
технический университет, 2010
ВВЕДЕНИЕ
Органическая химия является одной из важнейших естественно-научных дисциплин. В учебных планах подготовки специалистов различного профиля, где необходимо знание органической химии, лабораторным работам отводится достаточно большой объём аудиторных часов. Именно на этих занятиях студенты, будущие специалисты, приобретают всесторонние навыки и умения в проведении химического эксперимента, необходимого в дальнейшем для работы в лабораториях предприятий и научно-исследовательских учреждениях.
Учебное пособие включает основные методы очистки и выделения органических соединений.
Обобщен материал многочисленных литературных источников и обращено внимание на отдельные методические тонкости, уменьшающие наиболее часто встречающиеся ошибки.
В литературе по органической химии издавна существует традиция называть лабораторные посуду и приборы именами авторов (например, холодильник Либиха, колба Вюрца, насадка Кляйзена и др.). Названия химических соединений по разным номенклатурам, именных органических реакций всегда можно найти в литературе и справочниках; для химической посуды подобные сведения, собранные воедино, отсутствуют. Особенностью предлагаемого учебного пособия является то, что в нем приведены не только именные названия лабораторной посуды, но и торговые согласно ГОСТам или ТУ заводов-изготовителей. Специалисту-химику это необходимо для оснащения современной химической лаборатории.
Для удобства сборки лабораторных приборов студентами пособие дополнено рисунками установок для перегонок: простой, с паром и перегретым паром.
В главе «Кристаллизация» приведены марки активированных углей, предлагаемые сегодня промышленностью.
Компактность изложения материала по методам очистки позволяет студентам уменьшить затраты времени на самостоятельную подготовку к лабораторным занятиям.
Во второе издание настоящего пособия внесен ряд дополнений и уточнений.
В конце каждой главы для закрепления материалы приведены контрольные вопросы.
ПЕРЕГОНКА
Перегонкой, или дистилляцией, называется процесс перевода вещества из жидкого или твердого состояния в парообразное при нагревании до температуры кипения с последующей конденсацией отведенных паров.
Перегонка применяется для разделения смесей летучих веществ, а также для очистки веществ от нелетучих примесей.
Различают виды перегонок: простая, фракционная на колонках – ректификация, молекулярная, азеотропная, экстрактивная и низкотемпературная.
Перегонка может проводиться при атмосферном давлении, а также в вакууме.
Простая перегонка применяется для очистки летучих веществ от нелетучего остатка (чаще всего это отгонка растворителей) или разделения смеси веществ, отличающихся друг от друга по температуре кипения на 150-200°, а также для разделения смеси веществ на широкие фракции.
При проведении простой перегонки смеси веществ с разницей температур кипения больше 80° получающаяся чистота разделяемых веществ может удовлетворять требованиям технически чистых веществ.
Простая перегонка при атмосферном давлении обычно применяется для веществ с температурой кипения от 40 до 150°С, так как при темпера-туре выше 150°С многие вещества начинают заметно разлагаться.
Прибор для простой перегонки при атмосферном давлении состоит из перегонной колбы, прямого холодильника (Либиха), аллонжа, приемника, термометра и нагревателя (рис. 1, 2, 3).
Перегонная колба Вюрца с высокоприпаянной трубкой применяется для перегонки низкокипящих веществ, а колба с низкоприпаянной трубкой – для перегонки высококипящих веществ.
Перегонная колба выбирается такой вместимости, чтобы перегоняемая жидкость занимала от половины и до 2/3 объема ее шарообразной части. Вместо колбы Вюрца применяют круглодонные, грушевидные или остродонные колбы (рис. 50), снабженные насадкой Вюрца (рис. 38).
Для отгонки растворителей от нелетучих веществ, когда не требуется контролировать температуру, круглодонную колбу соединяют с холодильником при помощи изогнутой трубки.
При сборке приборов необходимо следить (особенно когда колба Вюрца соединяется с холодильником при помощи резиновой пробки), чтобы отводная трубка выходила из пробки не менее чем на 2-3 см, это уменьшает загрязнение вещества продуктами выщелачивания резины.
Рис. 1. Прибор для перегонки при атмосферном давлении
на водяной бане:
1 – колба перегонная (колба Вюрца); 2 – холодильник; 3 – аллонж; 4 – приемник; 5 – термометр; 6 – трубочки капиллярные (кипелки); 7 – нагреватель (баня водяная); 8 – штатив; 9 – горелка
Рис. 2. Прибор для перегонки при атмосферном давлении
на воздушной бане с дефлегматором:
1 – колба перегонная; 2 – холодильник; 3 – аллонж; 4 – приемник; 5 – термометр; 6 – трубочки капиллярные (кипелки); 7 – нагреватель (баня воздушная); 8 – штатив; 9 – дефлегматор шариковый; 10 – плитка электрическая
Рис. 3. Прибор для перегонки при атмосферном давлении
на колбонагревателе с ёлочным дефлегматором:
1 – колба перегонная; 2 – холодильник; 3 – аллонж; 4 – приемник; 5 – термометр; 6 – трубочки капиллярные (кипелки); 7 – нагреватель (колбонагреватель); 8 – штатив; 9 – дефлегматор ёлочный; 10 – насадка Вюрца
Термометр при помощи пробки помещают по оси горла колбы так, чтобы верхний край ртутного шарика термометра располагался на уровне нижнего края отверстия трубки (ГОСТ 18995.7), рис. 4. В отдельных руководствах по лабораторным работам [1, 2, 3] предлагается располагать термометр так, чтобы верх шарика термометра находился на 0,5 см ниже края отводной трубки. В практикумах [4, 5] рекомендуется располагать термометр так, чтобы верхний край ртутного шарика был несколько ниже нижнего края впайки отводной трубки. Однако в тех и других рекомендуется при указанном расположении термометра провести проверку показаний термометра по чистым веществам.
В колбах Вюрца, имеющих изогнутую отводную трубку, расположение термометра должно определяться не по нижнему краю отверстия отводной трубки, а по нижнему краю изгиба отводной трубки.
Если вещество разлагается парами воды или углекислым газом воздуха или же оно легко окисляется, то вместо обычного аллонжа применяют аллонж с отводом, к которому присоединяют хлоркальциевую трубку с соответствующим поглотителем.
При сборке прибора и в процессе перегонки необходимо следить, чтобы все соединения были герметичными и внутреннее пространство прибора всегда сообщалось с атмосферой.
При перегонке очень легколетучих веществ требуется более сильное охлаждение паров, поэтому вместо прямого водяного холодильника применяется змеевиковый – спиральный водяной холодильник или же спиральный холодильник Штеделера, в котором для охлаждения используются низкотемпературные смеси (лед с солью и т.д.).
Проведение перегонки
Перед перегонкой вещество обязательно должно быть высушено. Твердые вещества, устойчивые к действию кислорода, влаги и углекислого газа, содержащихся в воздухе, высушивают в сушильных шкафах или в вакуумных сушильных шкафах при температуре на 20-30° ниже температуры плавления вещества. Гигроскопичные или легко-окисляющиеся твердые вещества высушивают в вакуумных эксикаторах или в простых эксикаторах над соответствующими поглотителями.
Жидкие органические вещества обычно высушивают добавлением неорганических осушителей, которые связывают воду за счет образования кристаллогидратов или за счет химического взаимодействия с водой.
Осушители
К осушителям предъявляют следующие основные требования:
– не должны химически взаимодействовать с высушиваемым веществом; являться катализаторами процессов самоокисления или полимеризации высушиваемого вещества; растворяться в веществе;
– должны производить быстрое и эффективное высушивание; быть доступными по стоимости и возможности приобретения.
Для уменьшения потерь вещества за счет адсорбции осушитель берется в небольшом количестве.
В случае образования стойких эмульсий воды в органическом веществе при добавлении осушителя образуется концентрированный водный раствор, который отделяют от вещества в делительной воронке, а к веществу добавляется новая порция осушителя.
Высушивание ускоряется при перемешивании и использовании измельченного осушителя. В большинстве случаев при повышении температуры эффективность осушителя резко падает.
Высушивание – длительный процесс, требующий нескольких часов. Чаще всего для высушивания закрытый сосуд с веществом и осушителем оставляют на ночь.
Осушители для основных типов органических жидкостей приведены в табл. 1.
Металлический натрий и калий используют только после предварительного высушивания вещества другим осушителем.
Таблица 1. Осушители для высушивания жидких органических соединений различных классов
| Жидкости | Осушители |
| Алкилгалогениды | Р2О5, H2SO4, CaC12, Mg(ClO4)2 (но не Na) |
| Альдегиды | CaCl2, Mg(ClO4)2 |
| Амины | NaOH, КОН, К2СО3, СаО, ВаО, натронная известь (но не СаCl2) |
| Гидразины | К2СО3 |
| Кетоны | К2СО3, для высших кетонов CaC12, Mg(ClO4)2 |
| Кислоты | Na2S04 |
| Нитрилы | К2СО3, P2O5 |
| Нитросоединения | CaC12, Na2S04, Mg(ClO4)2 |
| Основания | КОН, К2СО3, ВаО, NaOH |
| Основания азотистые (легкоокисляющиеся) | CaC12 |
| Сероуглерод | CaC12, Mg(ClO4)2 |
| Спирты | К2СО3, CuSО4, CaО, Na2S04, ВаО, СаО, натронная известь |
| Углеводороды насыщенные | P2O5, Na2S04, Na мет., CaC12, NaOH, КОН |
| Углеводороды ненасыщенные | CaC12, Na мет., P2O5 |
| Фенолы | Na2S04 |
| Эфиры простые | CaC12, Na мет, СаСl2, CuSO4, Mg(ClO4)2 |
| Эфиры сложные | Na2SO4, CaCl2, Mg(ClO4)2 |
В связи с тем, что большинство осушителей при нагревании легко теряют воду, перед перегонкой высушенную жидкость отфильтровывают от осушителя через сухой бумажный фильтр. Нельзя смачивать фильтр водой. Он смачивается небольшим количеством высушенного вещества. Для фильтрования выбирается такая воронка, чтобы скошенный конец трубки воронки располагался на несколько сантиметров ниже отводной трубки колбы Вюрца.