Giáo trình thực hành hóa hữu cơ

11 bài thực hành với hơn 70 bài thí nghiệm chứng minh tính chất hóa học của các hợp chất hữu cơ đã học ở phần lý thuyết Nhận biết các hợp chất hữu cơ cơ bản Trong quá trình biên soạn, mặ

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Trần Đức Mạnh (Chủ biên)

Đỗ Thị Thúy Vân, Trần Thị Ngọc Bích, Phan Thảo Thơ

Nguyễn Trần Nguyên, Nguyễn Văn Din

GIÁO TRÌNH

THỰC HÀNH HÓA HỮU CƠ

ĐÀ NẴNG – NĂM 2021

Trang 2

TRẦN ĐỨC MẠNH (Chủ biên)

ĐỖ THỊ THÚY VÂN, TRẦN THỊ NGỌC BÍCH PHAN THẢO THƠ, NGUYỄN TRẦN NGUYÊN, NGUYỄN VĂN DIN

GIÁO TRÌNH

THỰC HÀNH HÓA HỮU CƠ

(Giáo trình dùng cho sinh viên Đại học ngành Hóa học)

ĐÀ NẴNG – NĂM 2021

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Bài 1 QUY ĐỊNH VÀ KỸ THUẬT TRONG THỰC HÀNH HÓA HỮU CƠ 2

1.1 Các quy định đối với sinh viên trong việc chuẩn bị và thực hiện các bài thực hành hóa hữu cơ 2

1.2 Các quy tắc an toàn lao động 3

1.3 Những tai nạn thường gặp và phương pháp sơ cứu 5

1.4 Dụng cụ dùng trong thực hành hóa hữu cơ 6

1.5 Những kỹ thuật cơ bản và thường dùng trong thực nghiệm hóa hữu cơ 13

1.6 Thực hành xác định các chỉ số vật lý cơ bản 21

Bài 2 PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH CÁC NGUYÊN TỐ TRONG CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ 27

2.1 Cơ sở lí thuyết 27

2.2 Triển khai thực hành 30

2.3 Kết quả thực hành 33

Bài 3 HYDROCARBON 35

3.1 Cơ sở lí thuyết 35

BÀI 4 DẪN XUẤT HALOGEN 45

4.1 Cơ sở lý thuyết 45

Bài 5 ALCOHOL - ETHER 49

BÀI 6 PHENOL 55

BÀI 7 ALDEHYDE VÀ KETONE 67

ÔN TẬP 76

BÀI 8 CARBOXYLIC ACID 77

ÔN TẬP 84

BÀI 9 ESTER VÀ CHẤT BÉO 85

BÀI 10 CARBOHYDRATE 96

Trang 4

BÀI 11 HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA NITROGEN 109

Bài 12 NHẬN BIẾT CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ 117

12.2 Hóa chất và dụng cụ 119

12.3 Thực hành 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giảng dạy và nghiên cứu Hóa học, thí nghiệm, thực hành đóng vai trò hết sức quan trọng Thông qua thí nghiệm, thực hành người học kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết với thực tiễn, và chứng minh các kiến thức lý thuyết đã học vào thực hành Đặc biệt thông qua thực hành người học hình thành thế giới quan về khoa học và rèn luyện cũng như phát triển các kỹ năng, phẩm chất, đức tính và tính sáng tạo

Giáo trình thực hành Hóa hữu cơ được biên soạn nhằm phục vụ cho môn học này ở bậc đại học đồng thời cũng là tài liệu tham khảo cho cán bộ giảng dạy hóa học hữu cơ, sinh viên ngành hóa hữu cơ và các nhà nghiên cứu quan tâm đến Hóa hữu cơ

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở kiến thức của các học phần cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, hydrocarbon và dẫn xuất hydrocarbon, các hợp chất tạp chức và cao phân

tử, phù hợp với chương trình đào tạo cho ngành Sư phạm Hóa học và cử nhân Hóa học

Giáo trình được biên soạn phù hợp với sự đổi mới của chương trình đào tạo đặc biệt là phần thuật ngữ và trên kinh nghiệm qua nhiều năm triển khai học phần thực hành Hóa hữu cơ

Bố cục của giáo trình thực hành Hóa hữu cơ gồm 12 bài với nội dung bao gồm Giới thiệu chung về các quy định trong phòng thí nghiệm và trong quá trình thực hành, các kỹ thuật cơ bản trong phòng thí nghiệm

11 bài thực hành với hơn 70 bài thí nghiệm chứng minh tính chất hóa học của các hợp chất hữu cơ đã học ở phần lý thuyết

Nhận biết các hợp chất hữu cơ cơ bản

Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng không thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến nhận xét của bạn bè đồng nghiệp, anh chị em sinh viên và các độc giả

Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021

Nhóm tác giả

Trang 6

BÀI 1 QUY ĐỊNH VÀ KỸ THUẬT TRONG THỰC HÀNH HÓA HỮU CƠ

MỤC TIÊU HỌC TẬP

Bài thực hành, thí nghiệm “Quy định và kỹ thuật trong thực hành hóa hữu cơ” được xây dựng nhằm trang bị cho người học một số kiến thức lí thuyết và kỹ năng thực hành liên quan đến các an toàn và sử dụng các thiết bị trong thực hành hóa hữu

cơ

Sau khi học xong bài thực hành, thí nghiệm này, sinh viên có thể:

1 Nắm được các nội quy, quy định khi làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa học;

2 Phòng tránh và xử lý ban đầu các tai nạn hay xảy ra trong phòng thí nghiệm;

3 Sử dụng thành thạo các dụng cụ và trang thiết bị cơ bản trong phòng thí nghiệm;

4 Xác định chính xác các chỉ số vật lý cơ bản của một chất như nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng

1.1 Các quy định đối với sinh viên trong việc chuẩn bị và thực hiện các bài thực hành hóa hữu cơ

- Đến phòng thí nghiệm đúng giờ

- Trước các buổi thực hành, thí nghiệm, sinh viên phải đọc kỹ tài liệu, hiểu rõ bài thí nghiệm trước khi làm và lường trước các sự cố có thể xảy ra để chủ động phòng tránh

- Khi làm thí nghiệm phải mặc áo blouse

- Trong khi làm thí nghiệm, phải nghiêm túc, giữ trật tự Tuân thủ các quy tắc an toàn cháy nổ, giữ chỗ làm việc gọn gàng sạch sẽ

- Mỗi sinh viên phải tuân thủ đúng quy định sau: vị trí làm thí nghiệm, nội dung bài thí nghiệm dưới sự giám sát của giảng viên phụ trách thực hành

- Không được ăn uống, hút thuốc, tiếp khách trong phòng thí nghiệm

- Không được vứt giấy lọc, các chất rắn, acid, kiềm, chất dễ cháy và chất dễ bay hơi vào bể nước rửa, phải đổ vào đúng nơi quy định của phòng thí nghiệm

- Rửa dụng cụ sạch sẽ, tránh làm đổ vỡ Nếu vỡ phải báo cáo với giáo viên hay nhân viên phụ trách phòng thí nghiệm và ghi vào nhật ký của phòng thí nghiệm

- Không được tự tiện mang dụng cụ, hóa chất ra khỏi phòng thí nghiệm, không dùng những dụng cụ, máy móc không thuộc phạm vi bài thí nghiệm cũng như dụng cụ, máy móc khi chưa hiểu tính năng và cách sử dụng

- Phải tiết kiệm điện, nước, hóa chất

- Làm xong thí nghiệm, phải dọn sạch sẽ chỗ làm việc, vệ sinh các dụng cụ, thiết

bị và sắp xếp đúng vị trí trong điều kiện sạch sẽ như ban đầu Phải tắt đèn, điện, khóa nước và báo cáo để giáo viên phụ trách phòng thí nghiệm kiểm tra mới được ra về

Trang 7

Sau khi xong bài thí nghiệm, phải báo cáo kết quả với giảng viên phụ trách, không đạt phải làm lại

1.2 Các quy tắc an toàn lao động

1.2.1 Quy tắc làm việc với chất độc

Đa số hợp chất hữu cơ ít nhiều đều độc, khi tiếp xúc với hóa chất phải biết đầy

- Khi làm việc với dung dịch H2SO4 đặc, oleum, NH3 phải rót cẩn thận vào bình qua phễu và làm trong tủ hút Khi pha loãng dung dịch H2SO4, phải rót cẩn thận từng phần acid vào nước và khuấy, không pha loãng oleum

- Không chưng cất ethyl ether, tetrahydrofuran (THF) và dioxane khi chưa biết chất lượng của chúng Trong tất cả các trường hợp, phải tiến hành khử peroxide trước khi chưng cất chúng

1.2.2 Quy tắc làm việc với chất dễ cháy, nổ

- Khi làm việc với alcohol, ether, benzene, aceton, ethyl acetate, disulfide carbon, ether dầu hỏa và các chất dễ cháy khác phải để xa ngọn lửa, không được đun nóng bằng ngọn lửa đèn trần hay trên lưới và trong các bình hở Khi đun nóng hay chưng cất, phải dùng bếp cách thủy, cách dầu, cách cát hay bếp điện bọc

- Phải tắt nguồn nhiệt ở gần trước khi tháo máy có chất dễ cháy

- Không giữ các chất dễ cháy ở chỗ nóng, gần bếp điện hay đèn, tủ sấy nóng

- Không giữ chất dễ cháy và chất lỏng hay rắn dễ tách ra khí dễ cháy trong các bình mỏng có nút chặt, phải giữ ether trong lọ nút chặt có mao quản hay ống calcium chloride

- Không được đổ chất dễ cháy vào thùng rác hay máng nước

- Tất cả các hóa chất ở chỗ làm việc phải đựng trong lọ có dán nhãn rõ ràng

Trang 8

Bảng 1.1 Một số kí hiệu và ý nghĩa của nó đối với các hóa chất nguy hiểm

Kí hiệu Ý nghĩa của kí hiệu Cách phòng tránh

Chất nguy hại Chất gây nguy hiểm đến sức khỏe, hoặc gây kích ứng

da và mắt, khi tiếp xúc cần có dụng cụ bảo hộ

Chất ăn mòn Tránh tiếp xúc với mắt, da, áo quần, khi tiếp xúc cần

1.2.3 Quy tắc làm việc với dụng cụ thủy tinh

- Khi đặt dụng cụ thuỷ tinh lên bếp điện phải tăng nhiệt từ từ, tránh bị nứt vỡ

- Khi cho nút vào ống thủy tinh, ống sinh hàn, phễu nhỏ giọt hay nhiệt kế cần phải dùng tay giữ gần ở chỗ cho nút vào, không ấn mạnh mà xoay nhẹ dần vào Nếu dùng nút cao su, phải bôi ống thủy tinh hay nút bằng glycerine, sau khi cho nút vào xong phải lau sạch glycerol còn lại ở bên ngoài

- Không được đun nóng và không đổ dung dịch nóng vào chậu hay các bình thủy tinh dày

1.2.4 Quy tắc làm việc với chân không

- Khi làm việc với các thiết bị chân không, nhất thiết phải đeo kính bảo hiểm hoặc dùng mặt nạ hoặc màng bảo vệ bằng thủy tinh hữu cơ

- Không được dùng những bình đáy bằng để chưng cất chân không Phải tuân thủ nghiêm ngặt những quy tắc chưng cất dưới áp suất thấp hay chân không

1.2.5 Quy tắc làm việc với khí nén

- Phải hết sức cẩn thận khi làm việc với khí nén (hydrogen, oxygen, chlorine, methane, acetylene, ammonia, ) bởi vì dễ gây nổ, cháy và ngộ độc

Trang 9

- Phải để các bình khí nén ở trạng thái đứng chắc chắn tránh đổ vỡ

- Phải để bình khí nén cách xa chỗ đun nóng hoặc nơi gây ra tiếng động mạnh, tránh tiếp xúc với ánh sáng mặt trời

- Khi di chuyển các bình khí, phải dùng xe hay cáng, không được vác trên vai

- Tất cả các bình khí đều phải được lắp áp kế và van điều chỉnh để kiểm soát lượng khí

- Trước khi làm việc với bình khí nén phải xem màu đặc trưng cho loại khí dùng và nhãn cho chắc chắn, đặt bình ở chỗ ổn định, kiểm tra van và áp kế, dây dẫn khí vào máy

1.2.6 Quy tắc làm việc với áp suất cao

- Nếu tiến hành phản ứng ở điều kiện áp suất cao thì dùng nồi hấp kim loại chịu được áp suất có đồng hồ theo dõi nhiệt độ và áp suất và tuân theo quy tắc sử dụng nồi

áp suất trong phòng thí nghiệm

- Trước khi làm việc, cần phải biết áp suất hơi của dung môi đang dùng, đánh giá áp suất trong mao quản trong thời gian phản ứng cùng với các chất tạo thành

1.2.7 Phương pháp dập tắt đám cháy

- Trường hợp các chất lỏng bị cháy, phải tắt hết điện, phủ ngọn lửa bằng khăn mặt, chăn, cát hoặc bình khí CO2

- Nếu chất cháy tan trong nước (alcohol, acetone, ) thì dập tắt bằng nước Nếu chất cháy không tan trong nước (ether, benzene, ) thì không dùng nước mà dùng cát hay bình cứu hỏa

- Khi quần áo bị cháy, không chạy mà dội ngay nước vào chỗ cháy hoặc nằm lăn ra sàn nhà áp chỗ cháy xuống sàn nhà phủ khăn vào chỗ cháy Khi áo blouse bị cháy thì bỏ ngay ra

- Khi có đám cháy lớn, phải gọi ngay cơ quan phòng cháy chữa cháy

1.3 Những tai nạn thường gặp và phương pháp sơ cứu

- Khi bị bỏng acid, rửa chỗ bị bỏng nhiều lần bằng nước rồi bằng dung dịch NaHCO3 3% hoặc dung dịch NaOH 3%

- Khi bị bỏng kiềm đặc, rửa chỗ bị bỏng nhiều lần bằng nước, rồi bằng acetic acid loãng hay dung dịch boric acid 1%

- Khi bỏng nhiệt, bôi ngay dung dịch KMnO4 loãng hay ethanol vào chỗ bỏng, sau đó bôi glycerine hoặc mỡ vaseline vào vết thương

- Khi bị bỏng bromine, rửa nhiều lần bằng ethanol hay bằng benzene, rồi bằng dung dịch sodium thiosulfate 10%, sau đó bôi mỡ vaseline vào chỗ bị bỏng

- Khi bị bỏng phenol, rửa nhiều lần bằng glycerine cho tới khi màu da trở lại bình thường, rồi bằng nước, sau đó băng chỗ bỏng bằng bông tẩm glycerine

- Khi rơi chất hữu cơ trên da, trong đa số trường hợp rửa bằng nước không có tác dụng, thì rửa bằng dung môi thích hợp (ethanol, benzene, ) Cần rửa nhanh và với

Trang 10

lượng lớn dung môi vì dung môi dễ làm thâm nhập chất độc hữu cơ qua da nên tránh tạo thành dung dịch đậm đặc chất hữu cơ trên da

- Khi hít phải nhiều chất khí chlorine hay bromine, thì ngửi bằng dung dịch ammonia loãng hay alcohol rồi đi ra chỗ thoáng

- Khi bị uống nhầm hóa chất thì uống ngay một lượng tương đối nhiều nước, khi bị uống nhầm acid thì uống ngay một cốc dung dịch NaHCO3 2% khối lượng, khi

bị uống nhầm kiềm thì uống một cốc dung dịch acetic acid 2% khối lượng

- Khi bị ngộ độc nặng, đưa ngay ra chỗ thoáng, làm hô hấp nhân tạo, gọi y bác sĩ và đưa đi cấp cứu

- Khi bị thương bởi thủy tinh, gắp hết các mảnh thủy tinh ra khỏi vết thương, bôi cồn iodine 3%, rồi băng vết thương lại Nếu chảy máu nhiều thì cột garô rồi đưa đi bệnh viện

1.4 Dụng cụ dùng trong thực hành hóa hữu cơ

1.4.1 Bình cầu

Có nhiều loại bình cầu thủy tinh với nhiều kiểu dáng khác nhau: bình cầu đáy tròn, đáy bằng, bình hình quả lê, bình cổ ngắn, bình cổ dài, bình có nhánh, bình không nhánh, bình 1 cổ, 2 cổ, 3 cổ, với các dung tích khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng như:

- Bình cầu và bình quả lê 1 cổ đáy tròn;

- Bình cầu 2 cổ không có khóa và có khóa;

- Bình cầu 3 cổ;

- Bình Vuyếc hay bình cầu 1 cổ có nhánh

Hình 1.1 Các loại bình cầu đáy tròn

Bình cầu đáy tròn thường dùng để thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thường hoặc đun nóng ở nhiệt độ sôi, chưng cất ở áp suất thường hoặc áp suất thấp Bình cầu hình quả lê thường dùng khi thực hiện với lượng nhỏ Bình cầu đáy bằng thường dùng để đựng hoặc chuẩn bị hóa chất hay thực hiện phản ứng có đun nóng ở nhiệt độ thấp hơn

100oC, tuyệt đối không được sử dụng loại bình này thực hiện dưới áp suất thấp

1.4.2 Bình hình nón (bình elen, bình tam giác)

Bình hình nón dùng làm bình hứng, thực hiện kết tinh, chuẩn bị hóa chất, tiến hành các phản ứng hóa học đơn giản, (Hình 1.2)

Trang 11

Hình 1.2 Các loại bình nón

Hình 1.4 Các loại cốc thủy tinh

1.4.5 Giá sắt, vòng sắt, khóa sắt và kẹp sắt

Hình 1.5 Giá sắt, khóa sắt kẹp sắt và vòng sắt

Trang 12

Trong thí nghiệm một số dụng cụ giá sắt, kẹp sắt được mô tả trên Hình 1.5

1.4.6 Lọ đựng hóa chất

Lọ đựng hóa chất bao gồm lọ có nút nhám, lọ có ống hút (lọ nhỏ giọt) (Hình 1.6)

Hình 1.7 Một số loại ống nối có nút nhám

1.4.8 Ống sinh hàn

Ống sinh hàn dùng để làm lạnh hay ngưng tụ hơi khi tiến hành phản ứng hay khi chưng cất Tùy theo cách thức tiến hành thí nghiệm và bản chất của các chất thí nghiệm mà chọn và lắp ráp hệ thống ống sinh hàn khác nhau Có các loại ống sinh hàn như sinh hàn thẳng, sinh hàn bầu, sinh hàn xoắn (Hình 1.8)

Hình 1.8 Các loại ống sinh hàn

Trang 13

Tùy theo mục đính sử dụng mà lắp ống sinh hàn, nếu ngưng tụ hơi trở lại bình phản ứng thì lắp hệ thống sinh hàn ngược hay sinh hàn hồi lưu lắp thẳng đứng (lắp ngược) và thường dùng các loại sinh hàn xoắn, bầu Nếu ngưng tụ hơi ra bình hứng thì lắp hệ thống sinh hàn xuôi (lắp xuôi) và thường dùng ống sinh hàn thẳng

1.4.9 Pipette (ống hút)

Pipette dùng để xác định chính xác thể tích chất lỏng cần lấy, có nhiều loại pipette với dung tích khác nhau (Hình 1.9)

Hình 1.9 Một số loại pipette

1.4.10 Bình làm khô

Bình làm khô dùng để giữ các hóa chất được bảo quản khô ráo, các bình làm khô thường được hút hết không khí khi làm khô các hóa chất (Hình 1.10)

Hình 1.10 Bình làm khô

Trang 14

Hình 1.11 Burette và giá kẹp burette

1.4.12 Ống đong và bình định mức

Ống đong và bình định mức dùng để lấy chính xác một thể tích chất lỏng Các loại ống đong, các loại bình định mức (Hình 1.12)

Hình 1.12 Ống đong và bình định mức

1.4.13 Phễu nhỏ giọt và phễu chiết

Phễu nhỏ giọt dùng để cho hóa chất vào bình phản ứng

Phễu chiết dùng để tách biệt hai chất lỏng không trộn lẫn vào nhau

Có nhiều loại phễu nhỏ giọt và phễu chiết khác nhau (Hình 1.13)

Hình 1.13 Các loại phễu nhỏ giọt và phễu chiết

Trang 15

1.4.14 Phễu lọc

Phễu lọc có nhiều loại khác nhau về hình dạng và kích thước Phễu dùng để sang lấy hóa chất hoặc để lọc (Hình 1.14)

Hình 1.14 Các loại phễu thông thường

Các loại phễu lọc xốp ở áp suất thường và áp suất thấp, phễu Buchner

Hình 1.15 Phễu lọc ở áp suất thấp

1.4.15 Máy khuấy và que khuấy

Khi tiến hành phản ứng với các hệ không hòa tan vào nhau để hệ phản ứng nóng đều và tăng khả năng tiếp xúc cần phải khuấy liên tục, người ta dùng máy khuấy Máy khuấy có thể là một mô tơ quay gắn với que khuấy hoặc máy khuấy từ

Hình 1.16 Các loại máy khuấy, máy lắc có và không có gia nhiệt

1.4.16 Bếp điện và bếp cách thủy

Bếp điện và bếp cách thủy thường được sử dụng để đun nóng các hóa chất thực hành ở các điều kiện nhiệt độ nhất định

Trang 16

Hình 1.17 Các loại bếp điện và bếp cách thủy

1.4.17 Lò nung và tủ sấy

Lò nung và tủ sấy thường được dùng để bảo quản, sấy sản phẩm ở các nhiệt độ nhất định hoặc dùng để nung các các sản phẩm Thường có lò nung, tủ sấy ở áp suất thường hoặc áp suất thấp

Hình 1.18 Lò nung và tủ sấy

1.4.18 Cân

Cân dùng để thực hiện việc lấy khối lượng của hóa chất hoặc cân các sản phẩm,

có nhiều loại cân với độ chính xác khác nhau

Hình 1.19 Các loại cân

1.4.19 Bơm hút chân không

Bơm hút chân không thường dùng để hút chân không bình hút ẩm, lò nung, hệ thống cất quay hoặc cô sản phẩm, lọc sản phẩm

Trang 17

Hình 1.20 Một số loại bơm hút chân không và đầu máy bơm

1.4.20 Áp kế

Áp kế dùng để đo áp suất khí

Hình 1.21 Một số loại áp kế

1.4.21 Một số bộ dụng cụ thí nghiệm hiện đại

Hình 1.22 Mô tả máy chưng cất-quay hiện đại 1.5 Những kỹ thuật cơ bản và thường dùng trong thực nghiệm hóa hữu cơ

1.5.1 Đun nóng

Đun nóng để xúc tiến phản ứng, để tách và tinh chế các chất cũng như xác định

các hằng số vật lí

Trang 18

Trong phòng thí nghiệm, các dụng cụ thường dùng để đun nóng đó là: đèn cồn, đèn khí, bếp điện, bếp cách thủy, bếp cách cát, bếp cách dầu, hơi nước, tủ sấy, lò nung,

Khi đun nóng bằng ngọn lửa, không đun nóng một chỗ của bình mà phải hơ đều thành bình Phương pháp này chỉ dùng cho các dụng cụ chịu nhiệt

Nếu cần đun nóng ở nhiệt độ thấp hơn 100oC thì dùng bếp cách thủy hay bếp cách không khí, nếu cao hơn 100oC thì dùng bếp điện trần có lưới amiăng hay dùng bếp cách cát, cách dầu, bếp glycerine, hay paraffin tùy thuộc vào nhiệt độ cần đun Ở nhiệt độ 200oC dùng bếp parafin hay glycerine, ở 220oC dùng bếp cách dầu, từ 250-

300oC dùng acid H2SO4 đậm đặc, ở 400-500oC dùng bếp cách muối như hỗn hợp NaNO3 (48,7%) và KNO3 (51,3%)

Khi đun nóng bằng bếp cách chất lỏng, phải cho mức chất lỏng ở ngoài cao hơn chất lỏng trong bình và giữ nhiệt độ của bếp cao hơn nhiệt độ phản ứng khoảng 30-

40oC

Nếu đun nóng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi thì phải thêm đá bọt hay ống mao quản hàn kín một đầu đầu hở nhúng vào trong chất lỏng Chú ý không cho đá bọt vào bình trong lúc đang sôi vì sẽ làm cho chất lỏng trong bình sôi trào lên, chỉ cho lúc bình đang nguội Nếu đang đun nóng mà dừng lại thì phải thay đá bọt mới vì đá bọt cũ đã mất tác dụng

1.5.2 Làm lạnh

Khi tiến hành các phản ứng phát nhiệt mà lượng nhiệt làm thay đổi hướng phản ứng, hoặc muốn làm nguội bớt bình hoặc tiến hành các phản ứng ở nhiệt độ thấp thì tiến hành làm lạnh Tùy theo khoảng nhiệt độ cần làm lạnh mà sử dụng các chất làm lạnh khác nhau Nếu làm lạnh trong khoảng nhiệt độ không thấp lắm thì sử dụng nước

Trang 19

Muốn làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn thì dùng không khí lỏng hay nitrogen lỏng, có thể làm lạnh đến -180oC

Trong phòng thí nghiệm, thường dùng tủ lạnh để giữ nhiệt độ đến -5oC hoặc các thiết bị làm lạnh riêng khác

1.5.3 Kết tinh

Kết tinh là quá trình hình thành và phát triển của tinh thể từ trạng thái nóng chảy, dung dịch hay khí Phương pháp kết tinh lại là phương pháp tinh chế quan trọng dựa trên tính bão hòa của chất rắn cần tinh chế khi đun nóng trong dung môi thích hợp, loại bỏ chất phụ và chất kết tinh trở lại khi làm lạnh

Quá trình kết tinh lại gồm các giai đoạn sau:

- Hòa tan mẫu chất rắn không tinh khiết trong dung môi thích hợp

- Lọc nóng dung dịch trên để loại bỏ chất phụ không tan

- Làm lạnh dung dịch hoặc đuổi bớt dung môi tạo dung dịch bão hòa, gây mầm kết tinh

1.5.4.1 Chiết trong hệ chất rắn - lỏng

Hiệu suất chiết chất rắn bằng chất lỏng phụ thuộc trước hết vào độ hòa tan, và tốc độ chuyển từ pha này sang pha khác Tính tan phụ thuộc vào dung môi và tốc độ hòa tan phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc

Hình 1.23 Bộ chiết rắn- lỏng

Trang 20

Thường chất rắn được chiết liên tục trên máy chiết soxhlet Nguyên tắc như sau: đun nóng dung môi trong bình cầu cho hơi dung môi đi lên bình chiết chứa chất qua ống sinh hàn ngược rồi ngưng tụ chảy trở lại vào bình chiết Dung môi lựa chọn là phải hòa tan chất nghiên cứu hoặc phải hòa tan chất phụ rồi qua ống nhánh chảy trở lại bình cầu Nếu dung môi hòa tan chất phụ thì chất hữu cơ nghiên cứu còn lại trên bình chiết, còn nếu dung môi hòa tan chất nghiên cứu thì thu được chất hữu cơ trong bình cầu và chất nghiên cứu được tách ra khỏi dung môi bằng các phương pháp khác

1.5.4.2 Chiết trong hệ chất lỏng - lỏng

Chiết chất hữu cơ từ dung dịch (phần lớn là từ nước) là lắc dung dịch đó với dung môi thích hợp không trộn lẫn với dung môi cũ và có khả năng hòa tan tốt chất cần chiết hơn dung môi cũ Trong trường hợp chất cần chiết tan trong dung môi cũ (nước) nhiều hơn các dung môi mới hay không chọn được dung môi mới thì không dùng phương pháp chiết thường như trên, mà phải dùng phương pháp chiết liên tục

Để lắp ráp dụng cụ cho phương pháp chiết liên tục cần phải biết được tỉ khối của dung môi cao hay thấp so với chất cần chiết,vì tỉ khối này khác thì dụng cụ lắp ráp sẽ khác

Hình 1.24 Bộ chiết Soxhlet

1.5.5 Cô cạn hay cho bay hơi dung môi

Cô cạn hay cho bay hơi dung môi là loại bớt dung môi ra khỏi dung dịch hay làm tăng nồng độ của chất tan trong dung dịch Phương pháp thực hiện được khi tính bay hơi của dung môi phải khác với tính bay hơi của chất tan (chủ yếu là nhỏ hơn), sự khác nhau càng lớn thì sự hao hụt chất tan càng nhỏ

1.5.6 Làm khan chất lỏng

Làm khan là quá trình loại trừ các chất phụ (chất lỏng) hay hơi nước ra khỏi chất nghiên cứu, thường là loại nước và dung môi hữu cơ Chất nghiên cứu có thể là chất rắn, lỏng hay hỗn hợp Một chất làm khô được gọi là tốt khi cường độ làm khô của nó mạnh và khả năng làm khô lớn

Trang 21

Thông thường cho chất làm khô vào trong chất lỏng cần làm khô và thường xuyên lắc cho tới khi hết tác dụng của chất làm khô

Các chất làm khan phải thỏa mãn điều kiện:

- Không tác dụng hóa học với chất cần làm khan;

- Không có khả năng tự xúc tác các quá trình tự oxy hóa, trùng hợp hay ngưng tụ;

- Không hòa tan nhiều trong chất cần làm khan;

- Có tác dụng làm khô nhanh, rẻ và sẵn có

Các chất làm khan

Các chất làm khan được chia ra làm 3 loại:

- Chất làm khan háo nước tạo thành hydrate: đó là các muối khan hay các hydrate thấp chuyển thành các hydrate cao Các chất loại này thường dùng là: CaCl2, MgSO4, Na2SO4, K2CO3, CuSO4, H2SO4 đặc, KOH, NaOH,

- Chất làm khan có tác dụng với nước do phản ứng hóa học: loại này thường dùng là các oxide kim loại, hay các oxide acid, hoặc các kim loại mạnh như: CaO, BaO, P2O5, Na, K, Ca,

- Chất làm khan liên kết với nước bằng lực hấp phụ: các chất loại này thường dùng: silica gel, zeolit,

Hình 1.25 Bình làm khan

1.5.7 Chưng cất

Chưng cất là quá trình chuyển chất lỏng thành hơi rồi ngưng tụ thành lỏng Để chuyển chất lỏng thành hơi, tiến hành đun sôi chất lỏng đó Chất lỏng sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài Khi áp suất bên ngoài giảm thì nhiệt độ sôi của chất giảm Với một chất tinh khiết thì nhiệt độ sôi không đổi trong quá trình đun, nếu không có hiện tượng hơi quá nhiệt do đun mạnh

Nếu nhiệt độ sôi của chất thấp hơn nhiệt độ chất đó bị phân hủy thì có thể tiến hành chưng cất ở áp suất thường Còn nếu nhiệt độ sôi của chất cao hơn nhiệt độ phân hủy thì phải tiến hành chưng cất ở áp suất thấp

Trang 22

Phương pháp chưng cất thường dùng để tách biệt (tinh chế) các chất có nhiệt độ sôi khác nhau ra khỏi hỗn hợp của nó Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau tùy thuộc vào tính chất của hỗn hợp chất lỏng

- Với các chất có nhiệt độ sôi xa nhau thường chọn phương pháp cất đơn hay cất thường

- Với các chất có nhiệt độ sôi gần nhau thường chọn phương pháp chưng cất phân đoạn

- Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dùng để tách biệt các chất trong hỗn hợp, trong đó có một chất không tan trong nước và dễ bay hơi với hơi nước Thông thường phương pháp này được lựa chọn khi thỏa mãn các điều kiện trên và không thực hiện được với hai phương pháp trên

Các phương pháp chưng cất trên có thể tiến hành ở áp suất bình thường hoặc ở

áp suất thấp tùy vào đặc điểm tính chất của hỗn hợp chưng cất

Dụng cụ dùng để chuyển từ dạng hơi sang dạng lỏng trong quá trình chưng cất được gọi là ống sinh hàn Có nhiều loại ống sinh hàn: sinh hàn không khí, sinh hàn nước; sinh hàn thẳng, sinh hàn xoắn, sinh hàn bầu, tùy vào bản chất của các chất và tùy vào mục đích sử dụng Với chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn 80oC thì dùng sinh hàn nước, nếu cao hơn 150oC thì dùng sinh hàn không khí, còn trong giới hạn 200-

300oC thì hứng trực tiếp ở nhánh bình cất

1.5.7.1 Chưng cất thường (chưng cất đơn giản, chưng cất đơn)

Chưng cất đơn giản ở áp suất thường dùng để tách biệt chất đủ bền khi đun nóng và thực tế không bị phân hủy ở nhiệt độ sôi Phương pháp này thường dùng với các chất có nhiệt độ sôi cao hơn 40oC và thấp hơn 160oC vì những chất lỏng sôi thấp hơn 40oC sẽ mất đi nhiều sau khi chưng cất nên không có hiệu quả

Hình 1.26 Hệ thống chưng cất đơn giản ở áp suất thường

(1: bình chứa mẫu chưng cất, 2: nhiệt kế, 3: ống sinh hàn lắp xuôi, 4: ống nối cong, 5:

bình hứng)

Trang 23

Nếu chưng cất sử dụng ống sinh hàn, thì các ống sinh hàn này thường được lắp xuôi để chất ngưng tụ thu được ở bình hứng Tốc độ cất thường từ 1-2 giọt chất lỏng rơi vào bình hứng trong một giây Để chất lỏng sôi đều và tránh hiện tượng quá lửa, không có hiện tượng thỉnh thoảng chất lỏng sôi trào mạnh và tràn sang bình hứng, cần phải cho vào bình cất một ít đá bọt, hay ống mao quản hàn kín một đầu vào ngay khi

bắt đầu đun nóng Chú ý không được cho đá bọt vào bình cất khi đang sôi

1.5.7.2 Chưng cất phân đoạn

Chưng cất phân đoạn dùng để tách biệt hỗn hợp các chất lỏng hòa tan vào nhau

Để tách các chất khác nhau khỏi hỗn hợp chất lỏng có thể dùng phương pháp chưng cất thường nhiều lần thường gọi là chưng cất “thuận dòng” Tuy nhiên để tăng hiệu suất chưng cất và giảm số lần chưng cất, người ta dùng cột cất phân đoạn

Hình 1.27 Hệ thống dụng cụ chưng cất phân đoạn

Bản chất tác dụng của cột cất phân đoạn là ngưng tụ từng phần hỗn hợp hơi và cho bay hơi từng phần chất ngưng tụ lại một cách liên tục Hơi bay lên cột cất phân đoạn càng cao sẽ càng giàu cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, còn chất lỏng chảy trở lại vào bình sẽ giàu cấu tử có nhiệt độ sôi cao

Cấu tạo của cột cất đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chất lỏng chảy xuống và hơi đi lên trên, nên gọi là chưng cất “ngược dòng” Trong cột cất, nếu số mắt hay đĩa càng nhiều thì sự tách biệt càng hoàn toàn hơn nhưng tốc độ cất càng nhỏ, vì mỗi mắt hay đĩa có tác dụng như một lần cất thường

1.5.7.3 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi

Trang 24

Hình 1.28 Hệ thống dụng cụ chưng cất lôi cuốn hơi nước

Tốc độ thăng hoa tỉ lệ thuận với áp suất hơi của chất ở nhiệt độ xác định, tỉ lệ với độ lớn bề mặt chất bay hơi và tỉ lệ nghịch với áp suất trong bình

Phương pháp tiến hành thăng hoa ở áp suất thường:

Với dụng cụ đơn giản lượng nhỏ là cho chất cần thăng hoa vào bát sứ, phủ bằng giấy lọc có chọc thủng nhiều lỗ nhỏ rồi đậy bát bằng phễu thủy tinh có bọc giấy tẩm ướt hay vải ướt ở bên ngoài, có đậy cuống phễu bằng một ít bông Sau đó đun nóng bát

sứ trên ngọn lửa đèn cồn hay trên bếp điện qua lưới amiăng hay trên bếp cách cát một cách cẩn thận vì nếu đun nóng quá sẽ phân hủy chất thăng hoa Với lượng lớn hơn có thể lắp ráp dụng cụ theo hình

Những chất không hoặc khó thăng hoa ở áp suất thường thì có thể thăng hoa ở

áp suất thấp bằng các dụng cụ như hình sau

Trang 25

Hình 1.29 Hệ thống thăng hoa

Trang 26

Hình 1.30 Sơ đồ tổng hợp ethylbromide

Hình 1.31 Sơ đồ tinh chế ethylbromide

1.6.1.2 Tiến hành thí nghiệm

- Cho vào bình cầu đáy tròn 250mL hỗn hợp của 16mL alcohol C2H5OH và 10mL nước

- Vừa làm lạnh vừa lắc đều và thêm dần dần 16mL H2SO4 đặc vào

- Làm lạnh bình đến nhiệt độ phòng rồi thêm từ từ vào đó 15g KBr đã nghiền mịn

- Lắp bình cầu với ống sinh hàn xuôi qua ống nối uốn cong Lắp ống nối và bình hình nón được đặt trong chậu nước lạnh có thêm đá Cho vào bình hình nón một ít nước đá và để ống nối nhúng ngập trong nước

- Đun sôi đều hỗn hợp phản ứng và thu C2H5Br cho đến khi nào không còn giọt dầu rơi xuống bình hứng nữa Nếu hỗn hợp phản ứng trong bình sủi bọt mạnh thì phải đun nhẹ bớt hoặc có thể ngừng đun một lúc

- Sau khi phản ứng kết thúc, đổ chất lỏng trong bình vào phễu chiết, chiết lấy

C2H5Br ở dưới vào bình nón đặt trong nước đá Cho từng giọt H2SO4 vào bình nón, đồng thời lắc đều cho đến khi chất lỏng phân chia thành hai lớp Dùng phễu chiết chiết lấy lớp C2H5Br ở trên rồi chưng cất phân đoạn trên bếp cách thuỷ và thu lấy

C2H5Br ở nhiệt độ 35-40oC

Trang 27

1.6.2 Xác định chỉ số khúc xạ bằng khúc xạ kế Abbe

1.6.2.1 Dụng cụ và hóa chất

Thiết bị và hóa chất cho thí nghiệm xác định chỉ số khúc xạ thể hiện ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm đo chỉ số khúc xạ

- Etanol tinh khiết hoặc các dung môi tinh

khiết khác

- Khúc xạ kế Abbe (UP-22 hoặc

UP- 23 hoặc tương đương;

- Máy điều nhiệt;

- Nhiệt kế chuẩn xác ( loại 4 E.2)

và không bị xơ bông

- Nối máy điều nhiệt với vỏ lăng kính của khúc xạ kế và cho nước có nhiệt độ

20oC đi qua vỏ trong 15 phút đến 20 phút

- Trước khi bắt đầu thí nghiệm, phải kiểm tra lại độ chính xác của thiết bị theo nước cất hai lần, độ khúc xạ của nước cất này ở 20oC bằng 1.3330, hoặc theo chất lỏng mẫu kèm theo khúc xạ kế Việc tiến hành kiểm tra dựa theo bản hướng dẫn kèm theo máy

- Nếu khúc xạ kế không theo đúng chỉ số khúc xạ của nước hoặc mẫu nói trên, phải dùng núm hiệu chỉnh số 0 để hiệu chỉnh về độ chia cần thiết

1.6.2.3 Tiến hành

- Dùng pipette nhỏ một đến hai giọt chất lỏng nghiên cứu lên bề mặt của lăng kính ( Bề mặt này đã được rửa sạch và làm khô từ trước), nhưng không được chạm pipette vào lăng kính, sau đó nhanh chóng kết hợp hai lăng kính vào vặn noa ép chúng lại Với những chất lỏng dễ bay hơi phải nhỏ qua lỗ vào khe giữa hai lăng kính Nhẹ nhàng đặt ống nhìn ở vị trí nằm nghiêng Điều chỉnh gương tương ứng với nguồn sáng

tự nhiên hoặc nhân tạo sao cho có được sự chiếu ánh sáng mạnh nhất trường quan sát

về xuất hiện ranh giới sáng tối (Đen- Trắng) Nếu ranh giới sáng tối có chút màu, thì phải quay lăng kính bù trừ để triệt tiêu màu Nếu hai vùng sáng tối không thật rõ rệt thì cần rửa cẩn thận lăng kính ở chỗ tia sáng đi vào

- Sau đó từ từ quay núm quay gắn với thang chia độ hình cung cho đến khi ranh giới sáng tối cắt giao điểm hai vạch đen một cách chính xác và cân đối Việc tính toán chỉ số khúc xạ được tiến hành nhờ một kính lúp ở thang chia độ hình cung theo vạch chia tương ứng với đường ngầm của thang Ghi lại kết quả thu được và lặp lại năm

Trang 28

nc

lần (Lần lượt từ trên xuống và từ dưới lên) sau đó lấy giá trị trung bình của năm lần

đo, coi đó là kết quả xác định

- Sau khi kết thúc, phải rửa cẩn thận bề mặt lăng kính bằng rượu hoặc bằng các dung môi tinh khiết khác (Phụ thuộc vào độ hoà tan của chất nghiên cứu) và làm khô lăng kính như trước khi bắt đầu xác định

- Lấy giá trị trung bình số học của hai lần xác định song song làm kết quả thí nghiệm, đồng thời chênh lệch giữa kết quả hai lần đo không được vượt quá quá 0,0003

- Để xác định chỉ số khúc xạ ở các nhiệt độ cao hơn 20oC cũng phải làm tương

tự nghĩa là cho nước có nhiệt độ cần thiết qua vỏ lăng kính của khúc xạ kế

- Trong trường hợp nhiệt độ phòng cao hơn nhiệt độ cần xác định chỉ số khúc

xạ thì phải làm theo một trong các phương pháp sau đây:

- Tiến hành xác định trong các phòng có máy điều hoà nhiệt độ

- Đặt một chậu nước có làm lạnh bằng đá xuống dưới 20oC ngay cạnh máy điều nhiệt Nước hồi lưu cho chảy qua một ống xoắn bằng kim loại đặt trong chậu rồi mới chảy về máy điều nhiệt Phải chờ cho nhiệt độ vỏ lăng kính xuống 20oC rồi mới tiến hành xác định

- Trong trường hợp độ ẩm không khí lớn hơn nước thường đọng ở lăng kính khúc xạ kế làm mờ đi, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Phải dùng giấy lọc hay vải sạch thấm khô lăng kính ở phần đi vào và đi ra của ánh sáng

- Với những chất có nhiệt độ sôi quá thấp bay hơi rất nhanh, không nên mở lăng kính mà phải nhỏ chất lỏng nghiên cứu qua khe hở giữa hai lăng kính của khúc xạ kế

1.6.3 Xác định nhiệt độ nóng chảy bằng phương pháp mao quản

Nhiệt độ nóng chảy của một chất (toC) là nhiệt độ tại đó pha rắn và pha lỏng cân bằng nhau Các chất tinh khiết có nhiệt độ nóng chảy xác định, khoảng nhiệt

độ từ khi bắt đầu nóng chảy đến khi nóng chảy hoàn toàn thường chỉ khác nhau khoảng 0,5oC

Nhiệt độ nóng chảy của chất rắn là nhiệt độ đọc được khi chất rắn vừa nóng chảy hoàn toàn cho chất lỏng trong suốt, sai số của phương pháp này là 0,5oC Một lượng nhỏ tạp chất cũng làm thay đổi đáng kể nhiệt độ nóng chảy và khoảng nhiệt độ từ lúc bắt đầu nóng chảy đến khi nóng chảy hoàn toàn thường rộng

Như vậy, có thể xem nhiệt độ nóng chảy đặc trưng cho độ tinh khiết của chất rắn nghiên cứu Nhưng cũng cần chú ý rằng khi đun nóng, nhiều hợp chất hữu cơ bị phân hủy hoặc thăng hoa

Trang 29

(a) (b) Hình 1.32 (a) Ống chứa chất lỏng (glixerol, hay H 2 SO 4 đậm đặc, ) dùng để đun

nóng chảy chất nghiên cứu trong ống mao quản

(b) Ống chứa ống mao quản

(a) (b) Hình 1.33 (a) Cách cho mẫu đo vào ống mao quản

(1: ống thủy tinh dài 50-60cm; 2: mẫu đo; 3: ống mao quản)

(b) Cách kẹp ống mao quản chứa mẫu đo vào nhiệt kế (1: nhiệt kế; 2: vòng cao

su; 3: ống mao quản chứa mẫu đo)

Trong phòng thí nghiệm, thường xác định nhiệt độ nóng chảy của chất hữu cơ rắn trong ống mao quản Cho chất rắn cần đo nhiệt độ nóng chảy vào trong ống mao quản với tiết diện 0,8-1 mm, dài 35-40 mm đã được bịt kín một đầu Để đưa chất rắn vào được đầu cuối của ống mao quản cần phải thả rơi nhiều lần ống mao quản trong một ống thủy tinh dài 40-60 cm hở cả hai đầu được đặt thẳng đứng với mặt bàn (hình (c)) Nếu chất dễ thăng hoa thì sau đó hàn kín ống mao quản lại

Hình 1.34 Máy đo nhiệt độ nóng chảy

Trang 30

Có thể sử dụng các dụng cụ đơn giản sẵn có trong phòng thí nghiệm để tạo thiết bị đo nhiệt độ nóng chảy như hình (c): gồm bình cầu đáy tròn chứa chất lỏng để đun nóng, ống nghiệm được gắn nhiệt kế có kẹp ống mao quản chứa chất nghiên cứu Muốn chính xác hơn người ta xác định nhiệt độ nóng chảy bằng máy xác định nhiệt độ nóng chảy hoặc chính xác hơn nữa là đo bằng máy xác định nhiệt độ nóng chảy vi phân

3 Nguyên tắc chưng cất phân đoạn tinh chế ethylbromoide

4 Nguyên tắc xác định nhiệt độ nóng chảy bằng phương pháp mao quản

5 Nguyên tắc xác định chỉ số khúc xạ bằng khúc xạ kế Abbe

6 Ở thí nghiệm 1.6.1.2 hãy giải thích:

a Vì sao phải thêm 10mL nước vào hỗn hợp phản ứng?

b Vì sao phải cho ít nước đá vào bình hình nón?

c Sau khi thu được C2H5Br người ta dùng H2SO4 đặc để làm gì?

d Ngoài tác nhân HX người ta có thể dùng những tác nhân nào để điều chế RX đi từ alcohol ROH?

e Nêu những phương pháp đã dùng để làm chuyển dịch cân bằng phản ứng nhằm tăng hiệu suất ethyl bromoide

Trang 31

BÀI 2 PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH CÁC NGUYÊN TỐ TRONG CÁC HỢP

CHẤT HỮU CƠ

MỤC TIÊU HỌC TẬP

Bài thực hành “Phân tích các nguyên tố trong các hợp chất hữu cơ” được xây dựng nhằm trang bị cho người học một số kiến thức lí thuyết và kỹ năng thực hành liên quan đến các phương pháp pháp xác định sự có mặt của carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur và halogen trong các hợp chất hữu cơ Ngoài ra, bài thực hành cũng hướng đến phát triển kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giao tiếp, tư duy phản biện và khả năng giải quyết các vấn đề chuyên môn trong quá trình thực hiện các thí nghiệm

Sau khi học xong bài thực hành này, sinh viên có thể:

1 Trình bày và giải thích được các hiện tượng, các phản ứng xảy ra trong quá trình thực hiện thí nghiệm xác định sự có mặt của carbon và hydrogen trong hợp chất hữu cơ

2 Trình bày và giải thích được các hiện tượng, các phản ứng xảy ra trong quá trình thực hiện thí nghiệm xác định sự có mặt của nitrogen, sulfur, halogen trong các hợp chất hữu cơ theo phương pháp Lassaigne

3 Độc lập thực hiện được các thí nghiệm định tính xác định sự có mặt của các nguyên tố trong các hợp chất hữu cơ một cách an toàn

4 Viết báo cáo thực hành đầy đủ, rõ ràng, khoa học

2.1 Cơ sở lí thuyết

Trong thực tế, việc xác định sự có mặt của các nguyên tố trong một hợp chất hữu cơ là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong phân tích hữu cơ Ngoài carbon (C)

và hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S) và halogen (X) là những nguyên

tố khá phổ biến trong các hợp chất hữu cơ Để phát hiện carbon (C) và hydrogen (H), hợp chất hữu cơ thường được đun nóng với CuO và định tính các sản phẩm CO2, H2O tạo thành Ngoài ra, phương pháp Lassaigne thường được sử dụng để phát hiện sự có mặt của nitrogen (N), sulfur (S) và halogen trong các hợp chất hữu cơ [6, 7]

2.1.1 Xác định carbon (C) và hydrogen (H) trong hợp chất hữu cơ

Khi đun nóng hợp chất hữu cơ CxHyOz với CuO, carbon trong hợp chất sẽ bị oxy hóa thành CO2 và hydrogen bị oxy hóa thành H2O

CxHyOz + CuO → Cu + CO2 + H2O Sản phẩm CO2 tạo thành có thể được dẫn qua dung dịch nước vôi trong bảo hòa

và làm cho dung dịch này hóa đục Ngoài ra, hơi nước tạo thành có thể làm cho CuSO4khan chuyển sang màu xanh [1-3]

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Trang 32

Vì vậy, để phát hiện sự có mặt của chúng, hợp chất hữu cơ sẽ phải được đun nóng chảy với kim loại Na để chuyển nguyên tử của các nguyên tố trên về dạng ion âm trong muối vô cơ như: NaCN, NaSCN, Na2S, NaX, Sau đó, các anion như nitrile (CN−), thiocyanate (SCN−), sulfide (S2−), halide (X−), … có thể được định tính dựa vào các phản ứng tạo kết tủa hoặc tạo màu đặc trưng dễ nhận biết [6, 7]

(C, H, O, N, S, X) + Na → NaCN + Na2S + NaX +

2.1.2.1 Xác định nitrogen (N)

Khi đun nóng chảy hợp chất hữu cơ với kim loại Na, N (nitrogen) và C (carbon) của hợp chất hữu cơ có thể phản ứng với Na để tạo muối NaCN

(C, N) + Na → NaCN Sau đó, khi cho muối NaCN phản ứng với dung dịch FeSO4 sẽ tạo phức

Na4[Fe(CN)6] và phức này tiếp tục phản ứng với muối Fe3+ để tạo phức Fe4[Fe(CN)6]3

có màu xanh phổ (prussian blue) Đây là phương pháp được sử dụng để phát hiện sự

có mặt của N (nitrogen) trong các hợp chất hữu cơ [4, 5, 8]

2NaCN + FeSO4 → Fe(CN)2 + Na2SO4Fe(CN)2 + 4NaCN → Na4[Fe(CN)6] 3Na4[Fe(CN)6] + 4FeCl3 → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12NaCl

2.1.2.2 Xác định sulfur (S)

Khi đun nóng chảy hợp chất hữu cơ chứa S với kim loại Na sẽ tạo muối Na2S Sau đó, khi cho dung dịch muối Na2S phản ứng Pb(CH3COO)2 sẽ tạo kết tủa PbS có màu đen [4 - 7]

(S) + Na → Na2S Pb(CH3COO)2 + Na2S → PbS + 2CH3COONa Tuy nhiên, nếu dung dịch muối Na2S phản ứng với Na2[Fe(CN)5NO] sẽ tạo sản phẩm Na4[Fe(CN)5NOS] có màu tím đặc trưng [4, 5, 8]

Na2[Fe(CN)5NO] + Na2S → Na4[Fe(CN)5NOS]

Nếu trong hợp chất hữu cơ có chứa cả N và S, chúng có thể phản ứng với Na để tạo muối NaSCN Khi dung dịch muối này phản ứng với Fe3+ sẽ tạo dung dịch có màu

đỏ máu [4, 8]

(C, N, S) + Na → NaSCN

Fe3+ + 3SCN− → Fe(SCN)3

Trang 33

Tuy nhiên, nếu sử dụng lượng thừa Na để phản ứng với hợp chất hữu cơ chứa

cả N và S, muối NaSCN sau khi hình thành sẽ tiếp tục phản ứng với Na để tạo Na2S và NaCN

2Na + NaSCN → Na2S + NaCN

2.1.2.3 Xác định halogen (Cl, Br, I)

Khi đun nóng chảy hợp chất hữu cơ chứa halogen (Cl, Br, I) với kim loại Na sẽ tạo muối NaX (X là Cl, Br hoặc I) [4, 5]

(X) + Na → NaX Nếu muối NaX phản ứng với AgNO3 tạo kết tủa trắng và kết tủa này tan tốt trong dung dịch NH4OH thì halogen chính là Cl

NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3Nếu muối NaX phản ứng với AgNO3 tạo kết tủa màu vàng nhạt và kết tủa này chỉ tan một phần trong dung dịch NH4OH thì halogen chính là Br

NaBr + AgNO3 → AgBr + NaNO3Nếu muối NaX phản ứng với AgNO3 tạo kết tủa màu vàng sậm và kết tủa không tan trong dung dịch NH4OH thì halogen chính là I

NaI + AgNO3 → AgI + NaNO3Ngoài halogen (X), nếu hợp chất hữu cơ còn chứa S hoặc N thì sản phẩm của phản ứng đun nóng chảy hợp chất hữu cơ với kim loại Na sẽ là NaX và Na2S hoặc NaCN Cả hai muối Na2S, NaCN đều có khả năng phản ứng với AgNO3 tạo sản phẩm kết tủa và ảnh hưởng đến phép định tính xác định halogen Vì vậy, trước khi định tính phát hiện halogen, hỗn hợp muối của kim loại Na sẽ được cho phản ứng với HNO3 để phân hủy Na2S và NaCN [4, 5]

Na2S + 2AgNO3 → Ag2S + 2NaNO3NaCN + AgNO3 → AgCN + NaNO3

Na2S + 2HNO3 → H2S + 2NaNO3NaCN + HNO3 → HCN + NaNO3

2.1.3 Xác định halogen (X) trong hợp chất hữu cơ theo phương pháp Beilstein

Friedrich Konrad Beilstein là người đã đề xuất phương pháp định tính xác định

sự có mặt của các halogen trong hợp chất hữu cơ, ngoại trừ F (fluoride) Theo phương pháp này, sợi dây đồng được làm sạch và đun nóng bằng ngọn lửa đèn khí Bunsen để hình thành lớp phủ CuO trên bề mặt Sau đó, sợi dây đồng được nhúng vào hợp chất hữu cơ chứa halogen, đun nóng trên ngọn lửa đèn khí Bunsen và quan sát màu ngọn lửa Nếu ngọn lửa có màu xanh lục lam (bluish green) thì chứng tỏ trong hợp chất hữu

cơ có chứa halogen (Cl, Br, I) [4, 5, 8]

Cu + ½ O2 → CuO (C, H, X) + CuO → CuX2 + CO2 + H2O

Trang 34

Tuy nhiên, những hợp chất hữu cơ chứa N như urea, thiourea, khi đun nóng với CuO trên ngọn lửa đèn khí Bunsen cũng tạo ánh lửa màu xanh lục lam Ngoài ra, phương pháp Beilstein cũng không giúp phân biệt cụ thể nguyên tử halogen có mặt trong hợp chất hữu cơ là Cl, Br hoặc I

- Cho khoảng 5 mL dung dịch bão hòa Ca(OH)2 vào một ống nghiệm khác và lắp dụng cụ thí nghiệm như hình vẽ (Hình 2.1)

- Dùng đèn cồn hoặc đèn khí Bunsen đun nhẹ toàn bộ ống nghiệm chứa hỗn hợp saccharose và CuO Sau đó, đun mạnh phần ống nghiệm chứa hỗn hợp phản ứng

và quan sát các hiện tượng xảy ra

Hình 2.1 Bộ dụng cụ định tính carbon và hydrogen trong saccharose

Trang 35

2.2.2 Thí nghiệm 2: Xác định N (nitrogen)

2.2.2.1 Hóa chất và dụng cụ

Hóa chất và dụng cụ cho thí nghiệm xác định N (nitrogen) ở Bảng 2.2

Bảng 2.2 Hóa chất và dụng cụ cho thí nghiệm xác định N (nitrogen)

- Hút 2-3 mL dịch lọc Lassaigne vào ống nghiệm, cho vào 0.3 g FeSO4, lắc và đun nhẹ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn Nếu không thấy kết tủa xanh xám của Fe(OH)2 xuất hiện thì cho vào ống nghiệm 2 − 3 giọt dung dịch NaOH 2N, lắc và đun nhẹ ống nghiệm Sau đó, đun sôi hỗn hợp trong ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn trong vài phút, để nguội, thêm vào 2-3 giọt FeCl3 2% và 2-3 giọt HCl 35% Lắc nhẹ ống nghiệm và quan sát các hiện tượng xảy ra

2.2.3 Thí nghiệm 3: Xác định S (sulfur)

Hóa chất và dụng cụ cho thí nghiệm xác định S (sulfur) ở Bảng 2.3

Trang 36

Bảng 2.3 Hóa chất và dụng cụ cho thí nghiệm xác định S (sulfur)

- Đun nóng ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn hoặc đèn khí Bunsen cho đến khi đáy ống nghiệm nóng đỏ (cẩn thận khi đun nóng và nên thực hiện trong tủ hút) Để nguội đến nhiệt độ phòng, cho từ từ 1 − 2 mL C2H5OH 96% vào ống nghiệm, vừa cho vừa lắc nhẹ ống nghiệm, để phân hủy lượng Na còn dư Đổ hỗn hợp trong ống nghiệm vào cốc dung tích 50 mL, tráng ống nghiệm với khoảng 20 mL nước cất Sau đó, đun sôi hỗn hợp trong vài phút, để nguội, lọc qua giấy lọc và dung dịch trong suốt thu được sau khi lọc được gọi là dịch lọc Lassaigne

- Ống nghiệm 1: Hút 2 mL dịch lọc Lassaigne vào ống nghiệm, acid hóa dịch lọc bằng dung dịch HCl 5% và thử lại bằng giấy quỳ tím Sau đó, cho 2 – 3 giọt dung dịch FeCl3 2% vào ống nghiệm, lắc nhẹ và quan sát hiện tượng xảy ra

- Ống nghiệm 2: Hút 2 mL dịch lọc Lassaigne vào ống nghiệm, acid hóa dịch lọc bằng vài giọt dung dịch CH3COOH và thử lại bằng giấy quỳ tím Sau đó, cho 2 – 3 giọt dung dịch Pb(CH3COO)2 2% vào ống nghiệm, lắc nhẹ và quan sát hiện tượng xảy

ra

2.2.4 Thí nghiệm 4: Xác định halogen

Hóa chất và dụng cụ cho thí nghiệm xác định halogen ở Bảng 2.4

Bảng 2.4 Hóa chất và dụng cụ cho thí nghiệm xác định halogen

Trang 37

- Uốn cong đầu sợi dây đồng thành một vòng tròn có đường kính khoảng 0.5 –

1 cm, dùng kẹp gỗ để giữ cố định sợi dây đồng Đun nóng vòng tròn dây đồng trên ngọn lửa đèn khí Bunsen hoặc đèn cồn cho đến khi nóng đỏ và quan sát màu ngọn lửa Sau đó, để nguội dây đồng trong vài phút

- Cho 5 – 10 giọt bromobenzene vào ống nghiệm, nhúng vòng tròn dây đồng vào ống nghiệm và sau đó, nhanh chóng đưa vòng tròn này lên ngọn lửa đèn khí Bunsen hoặc đèn cồn Quan sát và nhận xét màu ngọn lửa

Trang 38

2.3.4 Phiếu kết quả thí nghiệm 4

3 Hãy giải thích vì sao phải đun nóng chảy hợp chất hữu cơ với kim loại Na khi chuẩn

bị dịch chiết Lassaigne dùng trong phân tích định tính các nguyên tố nitrogen, sulfur

7 Trình bày và giải thích phương pháp Lassaigne dùng để định tính các halogen như

Cl, Br và I trong các hợp chất hữu cơ

8 Hãy cho biết các nhược điểm của việc định tính xác định halogen (X) trong hợp chất hữu cơ theo phương pháp Beilstein

Trang 39

BÀI 3 HYDROCARBON MỤC TIÊU HỌC TẬP

Bài thực hành “Hydrocarbon” được xây dựng nhằm trang bị cho người học một số kiến thức lí thuyết và kỹ năng thực hành liên quan đến định tính độ tan của các hydrocarbon, thực hiện các phản ứng định tính để phân biệt các hydrocarbon bão hòa, hydrocarbon chưa bão hòa và hydrocarbon thơm một cách an toàn Ngoài

ra, bài thực hành cũng hướng đến phát triển kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giao tiếp, tư duy phản biện và khả năng giải quyết các vấn đề chuyên môn trong quá trình thực hiện các thí nghiệm

Sau khi học xong bài thực hành này, sinh viên có thể:

1 Trình bày và giải thích được độ tan của các hydrocarbon trong nước, trong dung môi hữu cơ như toluene

2 Trình bày và giải thích được các hiện tượng, viết được các phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình thực hiện các phản ứng định tính để phân biệt các hydrocarbon

3 Độc lập thực hiện được các phản ứng định tính hydrocarbon một cách an toàn

4 Viết báo cáo thực hành đầy đủ, rõ ràng, khoa học

3.1 Cơ sở lí thuyết

Hydrocarbon là những hợp chất hữu cơ chỉ chứa carbon và hydrogen Hydrocarbon có thể được phân loại thành hai nhóm chính là hydrocarbon béo và hydrocarbon thơm Hydrocarbon béo bao gồm alkane, alkene và alkyne Alkane là hydrocarbon bão hòa và chúng chỉ chứa liên kết đơn trong phân tử Alkene và alkye là những hydrocarbon chưa bão hòa, alkene chứa liên kết đôi C=C và alkyne chứa liên kết ba C≡C trong cấu trúc phân tử Hydrocarbon thơm là những hợp chất chứa ít nhất một vòng benzene trong phân tử, hydrocarbon thơm còn được gọi là hợp chất arene [4,

7, 8]

Tính chất hóa học quan trọng nhất của alkane là phản ứng thế gốc tự do, tuy nhiên phản ứng cần phải được thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc dùng ánh sáng tử ngoại để chiếu vào hỗn hợp phản ứng Hydrocarbon chưa bão hòa alkene, alkyne có thể được phân biệt dễ dàng với các hydrocarbon bão hòa, hydrocarbon thơm thông qua phản ứng cộng ái điện tử với Br2, phản ứng oxy hóa bởi dung dịch KMnO4 loãng ở nhiệt độ phòng Đặc biệt, các alk-1-yne có tính acid mạnh hơn so với các hydrocarbon khác, chúng có thể phản ứng với [Ag(NH3)2]OH tạo muối kim loại không tan trong nước Ngoài ra, phản ứng thế ái điện tử trên vòng thơm của hydrocarbon thơm được sử dụng nhiều trong tổng hợp hữu cơ, hóa dược [6, 7, 8]

Trang 40

3.1.1 Độ tan và tỷ trọng của hydrocarbon

Hydrogen (ꭓ = 2.20) và carbon (ꭓ = 2.55) có độ âm điện xấp xỉ nhau, vì vậy, hydrocarbon là những hợp chất hữu cơ hầu như không phân cực hoặc phân cực rất yếu Lực tương tác giữa các phân tử hydrocarbon chủ yếu là lực hút Van der Waals yếu do sự hình thành moment lưỡng cực tạm thời của mỗi phân tử

Hydrocarbon không tan trong nước, tuy nhiên, chúng có thể tan tốt trong một số dung môi không phân cực hoặc phân cực yếu như benzene, toluene, hexane, CH2Cl2, CHCl3, CCl4, ether Nói chung, hydrocarbon có tỷ trọng nằm trong khoảng từ 0.6 đến 0.8 g/cm3 Hydrocarbon thơm như benzene (d = 0.88 g/cm3) và toluene (d = 0.87 g/cm3) có tỉ trọng lớn hơn so với hydrocarbon béo, tuy nhiên, chúng vẫn nhẹ hơn so với nước (d = 1 g/cm3) [4, 7, 8, 10]

3.1.2 Phản ứng cộng ái điện tử giữa alkene, alkyne và Br 2

Liên kết đôi giữa hai nguyên tử carbon (C=C) của alkene được hình thành từ

một liên kết sigma (σ) và một liên kết pi (π) Liên kết σ bền hơn so với liên kết π, các electron của liên kết π phân bố xa trục liên kết So với electron của liên kết σ, các electron của liên kết π ít bị giữ chặt bởi hai hạt nhân nguyên tử carbon và dễ dàng

tham gia phản ứng với tác nhân ái điện tử (còn được gọi là tác nhân electrophile) Vì vậy, tính chất hóa học đặc trưng nhất của alkene là phản ứng cộng với tác nhân ái điện

tử Trong những phản ứng này, liên kết đôi C=C đóng vai trò như tác nhân ái nhân

(còn gọi là tác nhân nucleophile), cặp electron của liên kết π sẽ được sử dụng để hình thành liên kết σ mới với tác nhân ái điện tử [4, 7, 8]

Khi alkene phản ứng với Br2 trong dung môi trơ với halogen như CCl4 sẽ hình thành nên bromonium và ion Br− Bromonium là một vòng ba cạnh, điện tích dương nằm trên nguyên tử halogen, và có sức căng vòng lớn Vì vậy, bromonium này cũng là một tác nhân ái điện tử mạnh, khi có mặt của tác nhân ái nhân Br− sẽ dẫn đến mở vòng

ba cạnh và hình thành sản phẩm bền là 1,2-dihalide (còn được gọi là 1,2-dihalogen)

Trong thực tế, phản ứng giữa alkene và Br2 xảy ra rất nhanh ở nhiệt độ phòng

và làm mất màu của Br2 trong dung môi CCl4 Vì vậy, đây là phản ứng thường được sử dụng trong thí nghiệm định tính alkene Lưu ý, khi thực hiện phản ứng này cần tránh nhiệt độ cao và ánh sáng tử ngoại [1, 4, 7, 8]

Tuy nhiên, khi alkene phản ứng với Br2(l), các phân tử nước sẽ đóng vai trò như tác nhân ái nhân và phản ứng với tác nhân ái điện tử là bromonium Phản ứng giữa

Tiêu đề	Giáo Trình Thực Hành Hóa Hữu Cơ
Tác giả	Trần Đức Mạnh, Đỗ Thị Thúy Vân, Trần Thị Ngọc Bích, Phan Thảo Thơ, Nguyễn Trần Nguyên, Nguyễn Văn Din
Trường học	Đại Học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Hóa Học
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	125
Dung lượng	2,93 MB