KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ

Hòa tan chất rắn cần kết tinh trong dung môi thích hợp ở nhiệt độ sôi thường là nhiệt độ sôi của dung môi với một lượng chất hòa tan xác định, lúc đầu cho lượng dung môi vừa phải.. Trườn

KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ

1 SỬ DỤNG HÓA CHẤT:

Biết sử dụng đúng các hóa chất hữu cơ, các dụng cụ thủy tinh không những mang lại hiệu quả kinh tế mà quan trọng hơn hết là tránh được các biến cố nguy hiểm xảy ra Để hạn chế và tránh được các biến cố có thể xảy ra trong phòng thí nghiệm cần lưu ý một số điểm sau đây:

- Các chất, các dung môi dể cháy không được để gần lửa, không đun bằng ngọn lửa trần không có lưới Amiăng

- Các chất các dung môi có độc tính khi pha chế và sử dụng đều tiến hành trong tủ hút

- Khi sử dụng các acid đặc, natri kim loại, brom, hợp chất Xianua,… phải rất cẩn thận ( Khi pha chế acid Sunfuric không được đổ nước vào acid đặc, Natri kim loại không được để gần nước, nó phải được bảo quản trong benzen)

- Không được ngửi trực tiếp các chất dễ cháy, dễ bay hơi khi chưa biết chất đó là chất gì, không được cúi mặt sát để nhìn khi đun các chất hoặc khuấy trộn các chất

- Nếu bị acid đặc H2SO4, HNO3 rơi trên da lập tức rửa nhiều và kỹ bằng nước, sau đó rửa bằng dung dịch loãng 3% NaHNO3, và cuối cùng bằng nước

- Nếu bị bazo cũng rửa lập tức bằng nhiều nước sau đó với acid acetic 1% và cuối cùng rửa bằng nước

- Nếu bị hóa chất, acid rơi vào mặt lập tức rửa nhiều lần bằng nước trường hợp nặng phải cấp cứu đi bệnh viện

2 SỬ DỤNG CÁC DỤNG CỤ THỦY TINH

Thủy tinh rất dễ vỡ cho nên khi sử dụng phải lưu ý các trường hợp sau:

- Khi cho ống thủy tinh qua nút phải cẩn thận, rất dễ gãy…

- Khi dùng đũa thủy tinh để khuấy chất rắn, đũa dễ bị gãy có thể gây thương tích

- Không được cho nước nóng, nước đang sôi vào dụng cụ thủy tinh đang lạnh ở nhiệt độ thường, rất dễ vỡ

- Khi đun các dụng cụ thủy tinh ở nhiệt độ cao cần gia nhiệt từ lạnh đến nóng

- Không được dùng các dụng cụ thủy tinh đáy bằng như erlen tạo chân không rất dễ vỡ Chỉ sử dụng các dụng cụ thủy tinh riêng được dùng cho chân không

- Không được rửa dụng cụ thủy tinh, nhất là nhiệt kế đang nóng bằng nước lạnh, để nguội mới được rửa

- Nếu bị đứt tay bằng thủy tinh, thường để máu chảy vài giây để lôi cuốn chất bẩn ra Sau đó dùng cồn 90o sát trùng rồi băng lại…Trường hợp nặng phải đi bệnh viện

NGHIỆM

AD G

Hình 3: Co nối các loại

Hình 4: Các loại ống sinh hàn

III CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ HỢP CHẤT HỮU CƠ

Tinh chế các hợp chất hữu cơ là một khâu không thể thiếu được trong quá trình tổng hợp hữu cơ

Có nhiều phương pháp tinh chế Sau đây chỉ trình bày một số phương pháp đơn giản và thông dụng được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

1 Kết tinh:

Kết tinh là phương pháp thông dụng để tách các chất rắn ra khỏi hỗn hợp của chúng Có thể kết tinh từ dung dịch bão hòa và từ trạng thái nóng chảy Phương pháp kết tinh đơn giản nhất là phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hòa

Hòa tan chất rắn cần kết tinh trong dung môi thích hợp ở nhiệt độ sôi (thường là nhiệt độ sôi của dung môi) với một lượng chất hòa tan xác định, lúc đầu cho lượng dung môi vừa phải Đun sôi sau đó tiếp tục bổ sung thêm dung môi cho đến khi chất rắn tan hoàn toàn ( ở nhiệt độ sôi) Chú ý dung môi chỉ đủ hòa tan hết, không được thừa

Nếu quá trình hòa tan như trên xuất hiện lớp dầu cần thêm dung môi tiếp

và đun cho tan hết lớp dầu Nếu dung dịch hòa tan có màu thì cần thêm than hoạt tính ( với lượng bằng 1 – 2% hàm lượng chất hòa tan) vào dung dịch và đun sôi lại dung dịch

Sau khi hòa tan xong cần phải lọc nóng ngay để loại các chất bẩn không tan, ta có dung dịch trong suốt

Giai đoạn lọc nóng phải thao tác nhanh, tránh chất rắn kết tinh trong khi lọc

Dung dịch sau khi lọc để nguội từ từ sẽ kết tinh Có trường hợp quá trình kết tinh như vậy lặp đi lặp lại hai, ba lần mới đạt được độ tinh khiết cao Trường hợp để dung dịch nguội không kết tinh cần cho thêm vào dung dịch vài hạt nhỏ tinh thể tinh khiết của chính chất kết tinh hoặc dùng đũa thủy tinh cọ vào thành bình… dung dịch sẽ kết tủa Dung dịch quá loãng cũng khó kết tinh hoặc kết tinh không hết Trong trường hợp này cần phải

cô dung dịch đặc lại cho đúng dung dịch bão hòa

Các tinh thể kết tinh đem lọc, làm khô và xác định nhiệt độ nóng chảy Điều quan trọng là phải biết chọn và thử dung môi hòa tan

Các chất phân cực dễ tan trong dung môi phân cực Các chất không phân cực dễ tan trong dung môi không phân cực

Các dung môi phân cực thường dùng: Nước, ancol, ete, este, acid acetic, acid Focmit

Các dung môi không phân cực: Benzen, hexan, xyclohexan, cacbontetraclorua, cacbon dissunfua…

Nếu không chọn được một dung môi thích hợp để hòa tan, thì phải dùng hỗn hợp dung môi Hỗn hợp dung môi có thể dùng: Nước – etanol, Axeton – nước, acid acetic – nước, clrofoem – ete dầu hỏa,… Hỗn hợp dung môi có thể hai hoặc ba nhưng phải hòa tan lẫn nhau tốt

Các dung môi được chọn phải thỏa mãn một số tính chất sau:

- Phải tan tốt chất hòa tan ở nhiệt độ cao và rất ít tan ở nhiệt độ thường

và lạnh

- Không phản ứng hóa học với chất tan

- Các tạp chất không tan với dung môi chọn ở nhiệt độ cao Hoặc hòa tan tốt ở nhiệt độ thường và lạnh

- Dung môi chọn phải dễ dàng bay hơi khỏi bề mặt tinh thể

- Nhiệt độ sôi của dung môi phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chất rắn khoảng 10 – 150C

2 Chưng cất ( thường, phân đoạn, lôi cuốn hơi nước)

Chưng cất là phương pháp quan trọng và rất thông dụng dễ tách và làm sạch các chất hữu cơ ở nhiệt độ thường tồn tại trạng thái lỏng

Có thể chưng cất các chất ở áp suất thường và dưới áp suất thấp( chưng trong chân không)

Các chất có nhiệt độ sôi dưới 1500C, bền với nhiệt độ, không bị phân hủy ở nhiệt độ sôi Thường được chưng cất thường, các chất có nhiệt

độ sôi cao hơn 1500

C hoặc kém bền với nhiệt độ nhiệt độ, kém bền với chất Oxy hóa… thường được chưng cất dưới áp suất thấp

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt độ cho chất đó bay hơi (sôi) ở áp suất thường hoặc áp suất thấp Hơi của chất lỏng được bay qua hệ thống sinh hàn - ống sinh hàn ( thiết bị làm lạnh) ngưng tụ lại thành chất lỏng tinh khiết

Các chất có nhiệt độ sôi dưới 1800C hơi được làm ngưng tụ trong ống sinh hàn bằng nước lạnh, các chất có nhiệt độ sôi cao hơn 180oC hơi được ngưng tụ bằng sinh hàn không khí, cao hơn 200o

C không cần Sinh hàn

Trong trường hợp các chất có nhiệt độ sôi khác nhau nhiều(50oC) hoặc chỉ có một chất bay hơi các chất khác không bay hơi Chỉ cần chưng cất 1 lần với tốc độ 1- 2 giọt trong một giây sẽ đạt được độ tinh khiết cao

Các chất có nhiệt độ sôi gần nhau Không thể chưng cất thường tách chúng ra riêng được, phải chưng cất phân đoạn Chưng cất phân đoạn phải sử dụng các cột cất đặc biệt như cột chưng Hempen, cột chưng Vigrơ, cột chưng có đĩa chưng…

Chưng cất phân đoạn là dựa vào sự khác nhau về thành phần hơi và thành phần ở thể lỏng của các cấu tử Đây là một sự tổ hợp liên tiếp những quá trình bay hơi và ngưng tụ trong cột chưng phân đoạn, cuối cùng hướng hơi giàu cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, tướng lỏng sẽ còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn Bằng cách chưng cất phân đoạn lặp đi lặp lại nhiều lần có thể tách các cấu tử lỏng ra riêng biệt ở dạng tinh khiết

Trường hợp tạo thành hỗn hợp đẳng phí, không thể tách ra riêng các cấu tử bằng phương pháp chưng cất thường được

Hiện tượng đẳng phí là do sự tác dụng tương hỗ phức tạp giữa các phân tử các chất lỏng với nhau, có thể là do lực Solvat hóa, liên kết đime, trime, liên kết hidro…

Hỗn hợp đẳng phí có thể có hai hoặc ba cấu tử Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí có thể thấp hơn hoặc cao hơn nhiệt độ sôi của từng cấu

tử trong hỗn hợp

Ví dụ một số hỗn hợp đẳng phí thường gặp:

- Nước sôi 100oC + rượu etylic sôi ở 78,3oC = nhiệt độ sôi của hỗn hợp

là 78,15 Hàm lượng của nước trong hỗn hợp tính theo phần trên là 4,4%

- Rượu etylic 78,3 + benzen 80,2oC, hỗn hợp sôi ở 64,5oC Hàm lượng etylic trong hỗn hợp 32,4%

- Aceton 56,4oC + Clorofom 61,2oC, hỗn hợp sôi 64,5oC, hàm lượng Clorofom chiếm 79,5%

- CHCl3 62,2oC + Metylaxetat 57oC, hỗn hợp sôi 64,8oC Hàm lượng Metylaxetat 23% có thể dùng phương pháp chưng cất phân đoạn dưới

áp suất thấp, phương pháp làm lạnh tạo băng để tách các cấu tử ở hỗn hợp đẳng phí ra riêng được Hoặc có thể dùng phương pháp hóa học cho các chất hóa học chỉ tác dụng một trong các chất trong hỗn hợp để tách ra…

- Hỗn hợp đẳng phí cũng có ý nghĩa để tách và làm sạch các chất khác nhau Như để tách nước ra khỏi hỗn hợp, để tạo ra dung môi tuyệt đối…

- Đối với các chất hữu cơ ít tan trong nước, không phản ứng với nước,

có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ sôi của nước thường dùng phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước để tinh chế

- Các chất được tách ra khỏi hỗn hợp của nó có thể bằng cách đun trực tiếp hỗn hợp đó với nước, nước bay hơi sẽ lôi cuốn nó theo Và được làm lạnh ngưng tụ lại Hoặc tốt hơn là dẫn hơi nước vào hỗn hợp đó, hơi sẽ lôi cuốn chất ra, qua hệ thống làm lạnh ngưng tụ lại

- Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước tốt nhất áp dụng cho các chất có nhiệt độ sôi cao hơn 100oC, dùng để làm sạch các hợp chất hữu cơ khi nó có một phần bị hóa nhựa

3 Chiết:

Chiết là quá trình chuyển một chất ở dạng hòa tan hay dạng huyền phù sang một tướng lỏng khác

Sự phân bố một chất hòa tan giữa 2 tướng lỏng không tan vào nhau

( hoặc ít tan) tuân theo định luật phân bố của Nest, theo định luật này ở nhiệt độ xác định tỷ lệ nồng độ của chất hòa tan trong hai tướng lỏng A

và B không hòa tan vào nhau ở trạng thái cân bằng là một hằng số phân

bố, ký hiệu là K

CB

CA

K =

Muốn chiết một chất ra khỏi một chất khác ta phải chọn dung môi chiết

có độ hòa tan nhiều hơn chất kia ( K>>1) Nếu hệ số phân bố nhỏ hơn

100 phải chiết nhiều lần

- Có một lượng dung môi xác định dùng để chiết không nên chiết một lần với số dung môi đó, mà phải chia ra nhiều lần để chiết có hiệu quả hơn

- Dung môi dùng để chiết: dietylete, benzen, ete dầu hỏa, este clorofom, cacbon tetre clorua…

- Các dung môi dùng để chiết ngoài tính không tan trong dung dịch và hòa tan nhiều chất cần thiết ra như trên đã nói, nó còn phải có nhiệt độ sôi càng thấp càng tốt

- Trong phòng thí nghiệm thường dùng các dụng cụ chiết như các phễu chiết, thiết bị chiết

- Phương pháp chiết đơn giản là dùng phễu chiết:

Cho dung dịch chất tan và dung môi chiết vào phễu chiết ( tổng thể tích không quá ¾ thể tích phễu) lắc khoãng 5 – 15 phút Sau đó để yên cho cân bằng rồi chiết ra

- Trường hợp sau khi lắc dung dịch tạo thành nhũ tương, không phân lớp ra được Để phá dung dịch nhũ tương thường cho thêm ít muối ăn tinh khiết để làm thay đổi tỷ trọng cân bằng thiết lập nhanh hơn ( phân lớp nhanh hơn) hoặc cho vào dung dịch vài giọt rượu ( hoặc axeton) làm giảm sức căng bề mặt phân lớp sẽ nhanh hơn

- Trường hợp chất tan hòa tan tốt trong nước hơn trong dung dịch một hữu cơ chiết bằng phương pháp trên không cho kết quả tốt, phải dùng phương pháp chiết liên tục

- Chiết một chất rắn ra khỏi hỗn hợp các chất rắn khác người ta thường

Đun các chất dễ bay hơi, dễ cháy tốt nhất đun bằng hơi nước, đun cách thủy, bếp đun phải kín

Các chất có nhiệt độ sôi trên 100oC, các phản ứng thực hiện ở nhiệt độ trên 100oC có thểh đun trực tiếp bằng điện hoặc gas Có lưới amiang đặt dưới dụng cụ đun Hoặc đun gián tiếp cách dầu…

Người ta dùng glyxerin, dầu khoáng, paraphin, cát… làm chất tấm để đun

Dùng glyxerin có thể đun đến 200oC, paraphin đến 220oC, đun nhiệt độ cao hơn 300oC tốt nhất đun cách cát…

- Để ổn định nhiệt độ cho phản ứng phải sử dụng bếp điều nhiệt

- Để điều hòa sự sôi khi đun cần phải thêm từ 2 – 4 hạt bi nhỏ ( bằng nửa hạt gạo) bằng sứ xốp Chú ý cho vào trước khi đun Tuyệt đối không được cho vào ở thời điểm gần sôi, sẽ bị sôi bùng lên và trào ra…

- Các phản ứng hóa học sinh ra các khí độc phải thực hiện trong tủ hút

2 LÀM LẠNH

Có nhiều chất kết tinh ở nhiệt độ thấp, nhiều phản ứng hóa học tỏa nhiều nhiệt, cần phải giải nhiệt, nhiều phản ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp, cần phải làm lạnh…

Để làm lạnh trong phòng thí nghiệm có thể sử dụng các chất sau:

- Nước

- Ba phần nước đá + một phần muối ăn cho nhiệt từ âm – 5oC đến –

20oC

- Năm phần tinh thể CaCl2 + bốn phần nước đá cho – 50oC

- Dùng CO2 rắn hoặc CO2 rắn + etanol tuyệt đối cho – 70oC

- CO2 rắn + ete cho – 77oC

- CO2 rắn + axeton cho – 78oC

3 LÀM KHÔ

- Làm khô các chất khí như Oxy, H2, N2, CO2, Cl2, HCl…

- Các chất khí trước khi sử dụng có yêu cầu phải khô ( không có hơi nước) phải được cho qua hệ thống bình rửa có chứa 1/3 acid Sunfuaric đậm đặc

- Làm khô chất rắn: ngoài không khí, trong tủ sấy Các chất kém bền ánh sáng tử ngoại được sấy khô trong tủ sấy hoặc dưới đèn hồng ngoại Các chất kém bền nhiệt thường được sấy khô trong chân không

- Các chất dễ hút ẩm được sấy khô và bảo quản trong bình hút ẩm

- Các chất thường được sử dụng làm khô:

CaCl2 khan nước được sử dụng làm khô các chất trừ rượu, phenol, amin, este

MgSO4 khan nước làm khô nước tốt, nhanh cho nhiều chất hữu cơ

Na2SO4 khan nước làm khô tốt, nhanh cho nhiều chất hữu cơ trừ amin, este

P2O5 làm khô tốt và nhanh thường được sử dụng trong trường hợp yêu cầu độ khô cao

Mỗi một chất tinh khiết có các hằng số vật lý không đổi, biết được các đại lượng vật lý nà có thể suy ra tính chất, cấu tạo, độ tinh khiết của hợp chất

Sau đây làm quen với một số phương pháp đơn giản xác định một số hằng số vật lý

1 NHIỆT ĐỘ SÔI: ( điểm sôi)

Nhiệt độ sôi của một chất lỏng là nhiệt độ tại đó áp suất hơi của chất lỏng bằng trên bề mặt áp suất hơi bên ngoài

Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào áp suất bên ngoài

Áp suất cao nhiệt độ sôi cao, áp suất giảm nhiệt độ sôi giảm Vì vậy để hiệu chỉnh điểm sôi (t) đo được ở P mmHg về điểm sôi thường to ( đo ở 760mmHg) ta có thể dùng công thức:

to = t + ∆t

∆t = K(760 – P)(t + 273)

K là hằng số thay đổi tùy theo bản chất của chất lỏng

Các chất alkyl halogenua, hydrocacbon, ê te có k = 0,00012

Chất lỏng tinh khiết có nhiệt độ sôi nhất định, không thay đổi trong quá trình sôi Chất lỏng không tinh khiết nhiệt độ sôi thay đổi trong quá trình sôi

Nếu lượng chất lỏng lớn ta xác định nhiệt độ sôi của nó bằng phương pháp chưng cất thường, nếu lượng chất lỏng ít ta dùng phương pháp Siwotoboff

Xác định điểm sôi theo phương pháp Siwotoboff

- Một ống mao dẫn bịt kín một đầu có đường kính 1mm – 2 mm, dài 80 – 120mm, ống thứ hai có đường kính khoảng 4mm dài khoảng 70mm Một lượng nhỏ chất lỏng muốn xác định điểm sôi ( 0,5ml) được cho vào ống lớn và đầu hở của ống mao dẫn nhỏ được nhúng vào chất lỏng trong ống lớn Ống lớn được cột vào nhiệt kế và đặt vào becher có chứa nước

Đun becher từ từ với tốc độ tăng khoảng 2o

C trong một phút, không khí thoát ra chậm thành những bọt nhỏ từ đầu của ống mao dẫn nhỏ nhúng vào chất lỏng trong ống lớn Nhiệt độ sôi là nhiệt độ tại đó các bọt khí này thoát ra nhanh và liên tục Muốn có kết quả chính xác hơn ta ngừng đun, dòng bọt thoát ra sẽ chậm lại, khi bọt cuối cùng xuất hiện và chất lỏng có khuynh hướng bị hút vào ống mao dẫn Ta đọc được nhiệt độ tại

đó sẽ chính xác hơn

2 ĐO TỶ TRỌNG

Khối lượng riêng của một chất được xác định theo công thức:

dt =

v m

m: khối lượng của chất (g) v: thể tích của chất(ml) Trong phòng thí nghiệm thường xác địng tỷ trọng tương đối, nghĩa là so sánh với một chất lỏng khác, thường lấy nước cất để so sánh:

dtt = dH O

dt

2

dH2O khối lượng riêng của nước ở 4oC

- Tỷ trọng tương đối thường đo ở nhiệt độ 15oC hoặc 20oC ( d154, d204)

- Dụng cụ đo tỷ trọng tương đối là areomet, Picnomet

- Xác định tỷ trọng tương đối bằng areomet rất đơn giản

Muốn đo dt tương đối chính xác đến 0,0001g phải dùng picnomet

- Cân chính xác Picnomet khô trên cân phân tích, cân Picnomet có chứa nước cất, cân Picnomet có chứa chất cần đo

Khối lượng riêng tương đối bằng:

dtto = m mo

mo m

−

−

21

mo: khối lượng Picnomet không

m1: khối lượng Picnomet có chất cần đo

m2: khối lượng Picnomet có nước cất

Tính lượng sản phẩm tạo thành theo lý thuyết:

xA + yB → iC + jD

mA là khối lượng phân tử chất A

mB là khối lượng phân tử chất B

mC là khối lượng phân tử chất C C: là chất cần thu được sau phản ứng D: là chất không mong muốn( sản phẩm phu có thể loại bỏ sau phản ứng hàm lượng lý thuyết chất C được tạo thành tính theo chất A là:

iMC a.

H % = mlt mtt x 100

mlt: lượng tính theo lý thuyết

mtt: lượng tính theo thực tế nhận được sau phản ứng

Trường hợp các phản ứng thuận nghịch, ta cần tính thêm hằng số cân bằng và tính ngược lại để tìm được lượng chất thực sự chính xác nhận được sau phản ứng

• Trường hợp phản ứng ester hóa;

x c x

a: số mol ban đầu của acid acetic b: số mol ban đầu của rượu etylic c: số mol nước trước khi phản ứng

Có hệ số cân bằng, ta tính được x ( số mol ester tạo thành theo lý thuyết)

H % = xlt xtt x 100

Và ta tính hiệu suất

BÀI 1: PHẢN ỨNG SULFO HÓA – ĐIỀU CHẾ ACID

II Phần thực hành tổng hợp Acid Sulfanilide

Hình 5

(1)Giá đỡ, (2)Bếp điện, (3) Kẹp, (4) Oáng sinh hàn, (5) Bình cầu, (6) Nhiệt kế,

(7) Nút cao su

Hĩa chất:

Anilin: 9ml

H2SO4 đậm đặc: 18ml NaOH 2N: 5ml

Than hoạt tính: 1g

Dụng cụ:

Bình cầu 2 cổ 250ml Nhiệt kế 300oC Ống đong 50ml Sinh hàn cầu Phễu lọc Becher 500ml Becher 100ml Thiết bị lọc áp suất Lắp dụng cụ: như hình vẽ ( hình 5)

3 Tiến hành thí nghiệm

Cho 9ml Anilin vào bình cầu 2 cổ Thêm từ từ mỗi lần 2 – 3ml

H2SO4 đậm đặc vào bình cầu đặt trong thau nước lạnh ( thao tác trong

tủ hút)