Giáo trình thí nghiệm hoá hữu cơ ((dùng cho sinh viên ngành công nghệ sinh học

23 PHẦN III: NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 30 Bài 1: Kết tinh lại: tinh chế và xác định nhiệt độ nóng chảy của axit benzoic 30 Bài 2: Chưng cất đơn ở áp suất thường: chưng cất etanol 34 Bà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA HÓA VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ

-*** -

GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM

HÓA HỮU CƠ

(Dùng cho sinh viên ngành Công nghệ sinh học)

Hà Nội, 9-2020

MỤC LỤC

Trang PHẦN I: CÁC NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA

PHẦN II: DỤNG CỤ, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN

TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ

7

I Các dụng cụ thường dùng và cách sử dụng 7

II Xác định các hằng số vật lí của hợp chất hữu cơ 12

1 Xác định nhiệt độ nóng chảy của chất rắn 12

2 Xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng 13

3 Xác định chỉ số khúc xạ của chất lỏng 14

4 Xác định tỉ khối của chất lỏng 15 III Một số kỹ thuật thí nghiệm cơ bản 15

3 Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại) 23

4 Phương pháp thăng hoa 23

PHẦN III: NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 30 Bài 1: Kết tinh lại: tinh chế và xác định nhiệt độ nóng chảy của axit benzoic 30 Bài 2: Chưng cất đơn ở áp suất thường: chưng cất etanol 34 Bài 3: Chưng cất lôi cuốn hơi nước: tinh chế tinh dầu vỏ chanh 38 Bài 4: Sắc ký cột và sắc ký lớp mỏng: phân tách các chất diệp lục và carotenoit trong

Bài 5: Phản ứng este hóa: tổng hợp etyl axetat 48

PHẦN I: CÁC NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC TRONG PHÒNG THÍ

NGHIỆM HÓA HỌC

1 Nội quy làm việc trong phòng thí nghiệm

Trước khi làm một thí nghiệm sinh viên phải đọc kỹ tài liệu, hiểu rõ mọi chi tiết của thí nghiệm trước khi làm và lường trước các sự cố có thể xảy ra để phòng tránh

Phải trung thực với kết quả thí nghiệm làm được

Làm xong thí nghiệm phải báo cáo kết quả với giáo viên và ghi tường trình thí nghiệm Làm không có kết quả phải làm lại

Trong quá trình thí nghiệm phải giữ trật tự, im lặng, phải có tính nghiêm túc, chính xác, khoa học Phải tuân theo các quy tắc an toàn Phải giữ chỗ làm việc gọn gàng và sạch sẽ Mỗi sinh viên phải làm việc ở 1 chỗ quy định, chỉ được làm bài thí nghiệm đã được giáo viên giao và dưới sự giám sát của giáo viên

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

Phải rửa dụng cụ sạch sẽ, tránh làm đổ vỡ Nếu vỡ phải báo cáo ngay với giáo viên hoặc nhân viên phòng thí nghiệm và ghi vào sổ nhật ký phòng thí nghiệm

Không được vứt giấy lọc, các chất rắn, axit, kiềm, chất dễ cháy và chất dễ bay hơi và

bể rửa, mà phải đổ và chỗ quy định của phòng thí nghiệm

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

Phải tiết kiệm điện, nước và hóa chất

Khi vào phòng thí nghiệm phải mặc áo blu

Làm xong thí nghiệm phải dọn sạch sẽ chỗ thí nghiệm, rửa ngay các dụng cụ làm thí nghiệm để trả lại cho phòng thí nghiệm Phải tắt điện, khóa nước rồi báo cáo với giáo viên hoặc nhân viên phòng thí nghiệm kiểm tra lại rồi mới được về

2 Nguyên tắc làm việc với chất độc hại và chất dễ nổ

Đại đa số các hợp chất hữu cơ ít nhiều đều độc vì thế khi tiếp xúc với hóa chất, phải biết đầy đủ tính độc và quy tắc chống độc

Khi làm việc với hóa chất độc hại phải đeo kính, găng tay hoặc làm việc trong tủ hút Khi làm việc với Na, K phải dùng kính bảo hiểm, lấy kim loại ra khỏi bình không được dùng tay, lau khô kim loại bằng giấy lọc, phải tránh cho các kim loại tiếp xúc với nước hay CCl4, phải hủy các kim loại còn dư hoặc chưa phản ứng bằng một lượng nhỏ ancol etylic khan hoặc ete Phải bảo quản các kim loại này trong dầu hỏa khan

Khi làm việc với H2SO4 đặc, oleum phải rót cẩn thận vào bình qua phễu và làm trong

tủ hút Khi pha loãng H2SO4 phải rót từ từ axit đặc vào nước và khuấy nhẹ đồng thời làm lạnh, không pha loãng oleum

Khi làm việc với thủy ngân kim loại thì hết sức tránh rơi ra ngoài Thủy ngân kim loại rơi vãi cần thu hồi triệt để bằng bột lưu huỳnh hoặc kim loại đồng mới (đồng sau khi đã được

xử lý bằng dung dịch cường toan)

Không chưng cất ete etylic, tetrahiđrofuran và đioxan khi chưa biết chất lượng của chúng Trong một số trường hợp phải tiến hành khử peoxit trước khi chưng cất

Hình I.1 Thí nghiệm đang tiến hành trong tủ hút và mô hình di chuyển dòng

không khí trong tủ hút

3 Nguyên tắc làm việc với chất dễ cháy

Khi làm việc với ancol, ete, benzen, axeton, axetyl axetat, cacbon đisunfua, ete dầu hỏa và các chất dễ cháy khác phải tránh 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 hoặc bếp điện bọc

Trước khi tháo máy có chất dễ cháy, phải tắt lửa hay đèn, bếp điện trần ở gần đó Không giữ các chất dễ cháy ở chỗ nóng, gần bếp điện, đèn hay tủ sấy nóng

Không giữ chất dễ cháy và chất lỏng hay rắn dễ tách ra khí dễ cháy trong cách bình mỏng có nút chặt Phải giữ ete trong ống có nút chặt có mao quản hay ống CaCl2

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

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

4 Nguyên tắc làm việc với dụng cụ thủy tinh

Khi cắt hay bẻ ống thủy tinh phải chú ý không để đầu thủy tinh chạm vào tay Trước khi bẻ, phải dùng dao cắt thủy tinh cắt ¼ ống rồi mới bẻ ngay ở chỗ cắt của ống

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

Không được đun nóng hoặc đổ dung dịch nóng vào chậu hay các bình thủy tinh dày

5 Nguyên tắc làm việc với áp suất thấp

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

Khi chưng cất hay lọc dung môi là những chất dễ bay hơi, hay có thể phân hủy thành các chất có tính axit trong môi trường chân không thì không được dùng bơm dầu mà phải dùng bơm chân không bằng dòng nước

Không được dùng những bình đáy bằng để chưng cất chân không Phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn của chưng cất áp suất thấp hay chân không

6 Nguyên tắc làm việc với khí nén

Phải hết sức cẩn thận khi làm việc với khí nén (hiđro, oxi, clo, metan, axetilen amoniac…) bởi vì dễ gây cháy, nổ và ngộ độc

Phải đế các bình nén ở trạng thái đứng chắc chắn tránh đổ vỡ hay dựng vào bàn làm việc có vòng sắt

Phải để bình khí nén ở xa chỗ đun nóng hoặc nơi gây ra tiếng nổ mạnh Bảo vệ chúng tránh xa ánh nắng mặt trời

Khi di chuyển các bình khí phải dùng xe đẩy, không được vác trên vai

Tất cả các bình khí đều phải được lắp áp kế và van điều chỉnh khí lấy ra

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, áp kế và dây dẫn khí vào phản ứng

7 Nguyên tắc làm việc với áp suất cao

Nếu tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của cấu tử có trong hệ hay cần phải có nồng độ cao của các khí thì phải tiến hành phản ứng trong hệ kín dưới áp suất cao Với 1 lượng nhỏ chất và áp suất không cao thì dùng ống hàn kín, còn áp suất cao thì dùng nồi hấp kim loại

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

Khi làm việc với nồi hấp, phải tuần theo quy tắc sử dụng nồi hấp trong phòng thí nghiệm

8 Cách sơ cứu một số trường hợp chấn thương và ngộ độc

Khi bỏng nhiệt, bôi ngay dung dịch KMnO4 loãng hay ancol etylic vào chỗ bỏng, sau

đó bôi vazơlin hoặc glixerin vào chỗ bỏng

Khi bị bỏng axit, rửa chỗ bị bỏng nhiều lần bằng dung dịch NaHCO3 3% hay dung dịch NaOH 3%

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

Khi bị bỏng brom, rửa nhiều lần bằng ancol etylic rồi bằng Na2S2O3 10% sau đó bôi

mỡ vazơlin vào vết bỏng

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

Khi rơi chất hữu cơ lên da, trong đa số trường hợp rửa bằng nước không có tác dụng thì ta rửa bằng dung môi thích hợp Cần rửa nhanh với lượng dung môi lớn 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 clo hay brôm, thì ngửi bằng dung dịch ammoniac hay ancol rồi đi ra nơi thoáng

Khi bị đầu độc bởi hóa chất, uống 1 lượng tương đối nhiều nước, sau đó, nếu bị đầu độc bởi axit thì uống 1 cốc NaHCO3 2%, nếu bị đầu độc bởi kiềm thì uống 1 cốc giấm ăn 2% Khi bị đầu độc nặng, đưa ngay ra chỗ thoáng, làm hô hấp nhân tạo, gọi bác sĩ hoặc đưa ngay đi cấp cứu

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

PHẦN II: DỤNG CỤ, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KỸ THUẬT

CƠ BẢN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ

I CÁC DỤNG CỤ THƯỜNG DÙNG VÀ CÁCH SỬ DỤNG

1 Dụng cụ thuỷ tinh

Thuỷ tinh dùng trong phòng thí nghiệm là loại thuỷ tinh nhiệt, bền với nước, axit cũng như kiềm, có hệ số giãn nở bé, đó là thuỷ tinh bosilicat, ví dụ thuỷ tinh Pirex, Rasotherm… Chúng được dùng để chế tạo các loại dụng cụ thí nghiệm

Các loại bình: Có thể tích từ vài chục ml đến vài ba chục lít, có hình dạng khác nhau Tuỳ theo chức năng và yêu cầu mà người ta sử dụng loại bình thích hợp

Ví dụ, bình cầu đáy tròn để tiến hành phản ứng, bình cầu đáy bằng dùng để hứng khi chưng cất, bình Claizen và bình Vuyêc dùng để chưng cất…, bình tam giác dùng để hứng, bình tam giác có vòi (bình Bunzen) dùng để lọc hút chân không Khi cô dung dịch cần dùng bình tam giác hay cốc

(c) (d) (e) (f)

Hình II.1 Một số loại bình dùng trong thí nghiệm hoá hữu cơ

(a) Bình cầu đáy tròn; (b)Bình cầu đáy bằng; (c) Bình cầu Vuyếc; (d) Bình cầu Claizen;

(e) Bình quả lê; (f) Bình Bunzen

Các loại sinh hàn: Tuỳ theo nhiệt độ khi đun dung dịch và cách thức tiến hành công việc mà người ta chọn loại sinh hàn thích hợp

Đun hồi lưu hỗn hợp phản ứng có nhiệt độ sôi cao hơn 150°C thì dùng sinh hàn không khí; đun hồi lưu hỗn hợp có nhiệt độ sôi thấp hơn 150°C, dùng sinh hàn bầu hay sinh hàn xoắn Khi chưng cất, dùng sinh hàn thẳng (Libic), tuỳ theo nhiệt độ sôi của chất chưng cất

mà sử dụng sinh hàn này một cách thích hợp: nếu nhiệt độ sôi thấp hơn 120°C thì cho nước

chảy qua sinh hàn, nếu nhiệt độ sôi từ 120 - 160°C thì dùng nước đựng trong sinh hàn còn ở nhiệt độ cao hơn thì không dùng nước (sinh hàn không khí)

(d) Sinh hàn nước loại xoắn

Phễu: Có nhiều loại phễu khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng Phễu thường dùng để sang lấy hóa chất hoặc còn dùng để lọc tách các chất rắn ra khỏi hỗn hợp dung dịch

có độ nhớt thấp Phễu chiết dùng để tách 2 chất lỏng không trộn lẫn với nhau, do khác nhau

về khối lượng riêng nên phân tách thành 2 phần (trên/dưới), phần dưới được rút ra khi mở van đáy phễu Phễu lọc xốp và phễu Bucne dùng để lọc tách chất rắn ra khỏi hỗn hợp có độ nhớt trung bình và cao, đôi khi có sử dụng chân không để tăng hiệu quả lọc Phễu Bucne thường được sử dụng cùng với bình Bunzen Phễu nhỏ giọt dùng để đong khi cho hóa chất vào bình phản ứng

(a) (b)

(c)

(d) (e)

Hình II.3 Một số phễu (a) Phễu thường; (b) Phễu chiết; (c) Phễu nhỏ giọt; (d) Phễu lọc xốp (e) Phễu Bucne;

Một số dụng cụ đo thể tích:

Ống đong, buret và pipet: Là các dụng cụ đo thể tích, có hình dạng ống thuỷ tinh dài hình trụ

Ống đong có đáy bằng dùng để đo thể tích dung dịch tương tối chính xác

Buret có khoá nút mài ở phần cuối để điều chỉnh lượng dung dịch trong buret chảy ra thành dòng hay nhỏ giọt Công dụng chính của buret là đo trực tiếp thể tích dung dịch tiêu tốn trong việc chuẩn độ

Pipet là dụng cụ để lấy chính xác thể tích dung dịch

Bình định mức: Là dụng cụ dùng để điều chế dung dịch chuẩn từ các chất gốc, pha loãng chính xác các dung dịch đặc, pha chế thể tích chính xác dung dịch mẫu phân tích

có hình dạng và cấu tạo khác nhau dùng để nối các bộ phận của một hệ thống phản ứng, hoặc chưng cất Chúng được lắp ghép với nhau bằng nút cao su hoặc chỗ nối được mài nhám để

đảm bảo độ kín khít Hiện nay người ta dùng các loại nhám tiêu chuẩn có đường kính 14,5mm, 19mm, 24mm, 44mm…

Hình II.5 Các loại ống nối Khi dùng thuỷ tinh nhám, bao giờ cũng dùng thuỷ tinh có độ giãn nở như nhau để nối vào nhau (cùng loại thuỷ tinh), bất đắc dĩ có thể dùng loại nhám ngoài có hệ số giãn nở lớn hơn, không dùng ngược lại

Khi lắp các đầu nhám lại với nhau, bao giờ cũng dùng mỡ (vazơlin hoặc silicon) để bôi một lớp rất mỏng vào nhám trong rồi vặn nhẹ nhám ngoài vào cho đến khi nhìn thấy trong suốt Việc lắp các bộ dụng cụ được tiến hành theo nhu cầu của công việc Ví dụ như hệ thống đun hồi lưu, hệ thống chưng cất phân đoạn, hệ thống tổng hợp có lắp sinh hàn xuôi…

3 Bộ giá đỡ dụng cụ

Bộ giá đỡ và các bộ phân trên giá đỡ dùng để giữ các dụng cụ thí nghiệm trong các hệ phản ứng hoặc cố định dụng cụ trong hệ

Hình II.6 Giá đỡ sắt cả bộ (a); Các bộ phận trên giá đỡ (b)

1: Cặp lớn; 2: Cặp bé; 3: Cặp vòng; 4: Noa giữ cặp và vòng vào giá

4 Một số hệ thống dụng cụ dùng trong tổng hợp hữu cơ

a Hệ thống sinh hàn hồi lưu

Hệ thống sinh hàn hồi lưu là hệ thống có sử dụng sinh hàn nước lắp ngược được sử dụng để thu hồi lại dung môi dễ bay hơi trong quá trình phản ứng, tránh hao tổn dung môi Dung môi hoặc chất bay hơi được ngưng tụ và quay trở lại bình phản ứng

5 6

7

1 3 6 9

1 10 2

4 69 11

1 Bếp điện từ

2 Con từ

3 Bình cầu 3 cổ đáy tròn

Nước ra Nước vào

b Hệ thống sinh hàn thẳng

Hệ thống sinh hàn thẳng là hệ thống sử dụng sinh hàn nước lắp xuôi, được sử dụng để thu dung môi hoặc chất dễ bay hơi bằng cách ngưng tụ lại và thu hồi ở đầu ra của sinh hàn tại bình hứng

Hình II.9 Hệ thống chưng cất dùng sinh hàn thẳng

1 Bếp điện; 2 Bình cầu 1 cổ; 3 Cổ nối; 4 Nhiệt kế; 5 Sinh hàn thẳng; 6 Sừng bò;

7 Bình hứng

II XÁC ĐỊNH CÁC HẰNG SỐ VẬT LÍ CỦA HỢP CHẤT HỮU CƠ

Các chất nguyên chất có các hằng số vật lí xác định Vì vậy có thể căn cứ vào chúng

để xác định độ tinh khiết của chất Một chất được coi là tinh khiết nếu qua tinh chế nhiều lần

mà hằng số vật lí của nó không thay đổi

1 Xác định nhiệt độ nóng chảy của chất rắn

Nhiệt độ nóng chảy (t°nc) của một chất là nhiệt độ tại đó pha rắn và pha lỏng cân bằng nhau Các chất tinh khiết có nhiệt độ nóng chảy rõ ràng và ổn định

Một lượng rất nhỏ tạp chất cũng làm thay đổi đáng kể nhiệt độ nóng chảy và khoảng nóng chảy rộng Vì thế, khi trộn kỹ hai chất rắn với lượng bằng nhau mà t°nc

của chúng không đổi thì hai chất đó là một (trừ trường hợp các chất đồng hình) Nếu t°nc bị hạ thấp và khoảng chảy rộng thì chúng hoàn toàn khác nhau

Khi nóng chảy, nhiều hợp chất hữu cơ bị biến dạng hay bị phân huỷ (chuyển màu hay bốc hơi) Đó thường là các axit hữu cơ, muối của axit, lacton… Có chất thăng hoa mà không

bị chảy

Nước ra

Nước vào

Nhiệt độ nóng chảy liên quan chặt chẽ với cấu trúc phân tử: phân tử đối xứng có nhiệt

độ nóng chảy cao, dạng trans nóng chảy cao hơn dạng cis, dạng mạch nhánh thấp hơn dạng thẳng, liên kết hidro giữa các phân tử làm tăng t°nc của chất

Hình II.10 Dụng cụ đo nhiệt độ nóng chảy mao quản

Có thể xác định nhiệt độ nóng chảy của chất rắn bằng nhiệt kế + bếp điện (đo sơ bộ), dùng ống mao quản (Hình II.10) hoặc máy đo điểm chảy (Hình II.11)

Hình II.11 Máy đo điểm nóng chảy

2 Xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng

Một chất lỏng tinh khiết có nhiệt độ sôi (t°s) xác định ở một áp suất xác định Người

ta thường lấy nhiệt độ chưng cất của chất lỏng làm nhiệt độ sôi Phương pháp này có sai số lớn khi lắp nhiệt kế không đúng vị trí, đun quá lửa làm cho hơi quá nhiệt, vì thế không lấy làm lạ rằng trong các tài liệu khác nhau với cùng một chất nhưng có nhiệt độ sôi khác nhau

Nhiệt độ sôi phụ thuộc rất nhiều vào lực liên kết giữa các phân tử như lực Van der Waals, liên kết hydro, vì thế anlcol có nhiệt độ sôi cao hơn ete có cùng phân tử khối, nó cũng tăng theo khối lượng phân tử và cũng phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, dạng cis sôi thấp hơn dạng trans, dạng mạch nhánh thấp hơn dạng mạch thẳng

3 Xác định chỉ số khúc xạ của chất lỏng

Chỉ số khúc xạ (n) là tỷ số giữa sin góc khúc xạ khi ánh sáng đơn sắc đi từ môi trường này sang môi trường khác qua mặt phẳng phân cách Thường môi trường thứ nhất là không khí, môi trường thứ hai là chất lỏng định đo

𝑛 = sin 𝛼sin 𝛽Chỉ số khúc xạ n phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng 1°C thì n giảm đi khoảng 5.10-4 lần

Chỉ số khúc xạ n thay đổi theo bước sóng của ánh sáng đi qua Thường người ta dùng ánh sáng vàng của natri kim loại

Hình II.12 Máy đo khúc xạ kế ABBE để bàn Atago NAR-1T Liquid

Vì có sự phụ thuộc trên nên chỉ số khúc xạ ghi trong các tài liệu bao giờ cũng đi kèm theo nhiệt độ và vạch của ánh sáng: ntD (t là nhiệt độ, D là ánh sáng vàng của natri), n là trị

số tuyến tính của nồng độ thể tích của các cấu tử khi hoà tan vào nhau không làm tăng thể tích (nếu tăng thể tích nó là đường cong)

Chỉ số khúc xạ có ý nghĩa lớn trong việc đánh giá độ tinh khiết của chất lỏng

Mặt cáchchất lỏngKhông khí α

β

4 Xác định tỉ khối của chất lỏng

Tỉ khối của một chất lỏng là tỉ số giữa khối lượng của thể tích chất lỏng và khối lượng của cùng một thể tích nước

Hình II.13 Bình đo tỉ khối (picnomet)

Vì thể tích phụ thuộc vào nhiệt độ nên khi đo tỉ khối, bao giờ cũng chú ý đến nhiệt độ Nếu đo tỉ khối của chất lỏng và nước cùng nhiệt độ, thường là 20°C người ta ghi 𝑑 , nếu

đo khác nhiệt độ, thường đo chất lỏng ở 20°C, nước ở 4°C, vì ở nhiệt độ này nước có thể tích bé nhất và khi đó ta ghi 𝑑

Độ chính xác của phép đo tỉ khối đến con số lẻ thứ 3, nên người ta dùng tỉ khối để xác định độ tinh khiết của chất lỏng, hay qua tỉ khối mà hiểu được phần nào thành phần của chất lỏng

III MỘT SỐ KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM CƠ BẢN

1 Đun nóng và làm lạnh

a Đun nóng

Các phản ứng hữu cơ xảy ra chậm nên thường phải đun nóng để thúc đẩy phản ứng

Có thể đun nóng bình phản ứng, hơi nước hay bếp điện tuỳ theo nhiệt độ, tốc độ cần phải đun nóng và quy trình bảo hộ lao động

Thường người ta đun nóng bình phản ứng bằng bếp điện Khi cần ta dùng môi trường truyền nhiệt để đun, các môi trường truyền nhiệt thường dùng là nước, dầu hay cát, kim loại… tuỳ theo yêu cầu nhiệt độ của phản ứng

Những phản ứng cần nhiệt độ cao hơn 100°C có thể dùng bếp cách dầu, cách cát, cách parafin hay cách kim loại

Để theo dõi nhiệt độ phản ứng, người ta dùng nhiệt kế cắm trực tiếp vào hỗn hợp phản ứng Để điều chỉnh nhiệt độ đun, ta dùng máy điều nhiệt hay nhiệt kế tiếp xúc

Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi của nó mà chưa sôi, đó là hiện tượng quá sôi Hiện tượng này hết sức nguy hiểm, nếu chúng ta tiếp tục đun, sẽ sôi đột ngột cực mạnh

và phụt nổ

Để khắc phục hiểm hoạ này người ta cho thêm đá bọt vào chất lỏng trước lúc đun (mảnh nhỏ sành, sứ không tráng men) Cần chú ý rằng đá bọt chỉ dùng một lần vì khi nhiệt độ giảm, đá bọt hút chất lỏng vào lỗ xốp nên không còn tác dụng

Tuyệt đối không cho đá bọt vào chất lỏng gần sôi, đang sôi và nhất là quá sôi

Muối Lượng tương đối (g) Giới hạn thấp của

thường, băng vàng, băng xanh); có thể là vải lọc, bông, có thể là thuỷ tinh xốp với các

cỡ từ G1 đến G6

Lọc tạp chất để lấy dịch lọc sạch, người ta dùng giấy lọc gấp để dịch chảy sang nhanh (lọc ở áp suất thường)

Lọc lấy tinh thể thường dùng phễu lọc Bucne (lọc ở áp suất thấp hoặc lọc hút)

* Lọc áp suất thường (Hình II.14)

- Xếp giấy lọc cho vào phễu lọc

- Khi đổ dung dịch vào phễu lọc phải đổ cẩn thận và từ từ theo đũa thủy tinh để tránh làm rách giấy lọc

Hình II.14 Cách gấp giấy lọc và lọc ở áp suất thường bằng phễu thủy tinh

Hinh II.15 Hệ thống lọc áp suất thấp

* Lọc áp suất thấp:

- Dùng phễu xốp hoặc phễu Bucne cùng với bình Bunzen

- Cắt giấy lọc vừa khít với phễu, cho vài giọt dung dịch lọc cho ướt giấy, mở máy bơm hút nhẹ để áp sát giấy vào phễu, không để lọt chất qua

- Lắp ráp như hình vẽ (Hình II.15)

- Cho chất lên phễu và mở máy bơm hút ở áp suất vừa phải đến khi hết dung dịch; rút dây nối chân không, cho dịch rửa ngập, khuấy đều, nhẹ nhàng đủ kỹ nhưng tránh rách giấy lọc, cắm lại dây nối chân không, hút đến khô Để khô ngoài không khí hoặc sấy khô trong tủ sấy tùy trường hợp

(a) Lọc lấy dịch (b) Bình lọc hút và

phễu Bucne

(c) Bộ lọc Bucne bán vi lượng

(d) Bộ lọc vi lượng: phễu, đinh, ống đựng Hình II.16 Các phương pháp lọc dùng giấy lọc

Trong trường hợp phải lọc nóng để loại tiếp tạp chất trước lúc cho kết tinh, ta dùng phễu lọc loại (c) hay (d) (hình II.17)

Trong trường hợp tinh thể dễ tan, người ta lọc lạnh (b) (hình II.17)

Nếu dung dịch axit mạnh hay bazơ mạnh làm hỏng giấy lọc thì dùng phễu thuỷ tinh xốp (a) (hình II.17)

(a) Lọc chịu axit,

chịu kiềm

(b) Lọc lạnh theo kiểu Bucne

(c) Lọc nóng thông thường

(d) Lọc nóng Bucne Hình II.17 Các phương pháp lọc đặc biệt

b Li tâm

Li tâm là phương pháp tách một cách nhanh chóng các phân tử có khối lượng riêng khác nhau Thông thường tách các pha rắn ra khỏi pha lỏng khi nồng độ pha rắn lớn nhờ lực li tâm Trong trường hợp lọc rồi mà dung dịch vẫn đục, nghĩa là tạp chất qua được giấy lọc, thì người ta dùng phương pháp li tâm siêu tốc để loại tạp chất ra khỏi dung dịch

Thao tác với li tâm siêu tốc cần tuân theo những nguyên tắc làm việc nghiêm ngặt như cho lượng chất vào các ống phải bằng nhau, ống phải đặt đối xứng nhau, đậy nắp cẩn thận rồi mới cho máy chạy, để máy ngừng hẳn rồi mới mở nắp lấy sản phẩm…

Hình II.18 Máy li tâm

Tuỳ theo tính chất của đối tượng được làm khô mà người ta lựa chọn chất làm khô thích hợp theo nguyên tắc không làm biến chất chất được làm khô cả về tính chất vật lí và hoá học Ví dụ: làm khô HX, CS2, C2H2… dùng P4O10, H2SO4 đặc; làm khô ancol, amoniac, amin… dùng NaOH, KOH viên; làm khô ete, hydrocacbon, benzen… dùng natri kim loại Khi làm khô các chất mẫn cảm với axit cũng như bazơ người ta dùng chất làm khô trung tính như MgSO4, Na2SO4…

a Làm khô chất khí

Làm khô các chất khí (hydro, HCl, nitơ, oxi) thường cho khí lội qua bình rửa khí H2SO4

đặc và có màng thuỷ tinh xốp

Cũng có thể làm khô chất khí bằng chất rắn đựng trong một tháp làm khô và cho chất khí đi qua (Hình II.19a)

Nếu chất làm khô bị vón cục thì dùng chất đỡ như bông thuỷ tinh, vải amiăng trộn với chất làm khô

b Làm khô chất lỏng

Thông thường ta cho chất làm khô vào chất lỏng cần làm khô, thỉnh thoảng lắc Khi chất cần làm khô có nhiều nước thì phải làm khô nhiều lần liên tiếp nhau với lượng nhỏ chất làm khô, mỗi lần như vậy phải gạn hay chiết bỏ chất làm khô đã bị vữa ra rồi cho chất làm khô mới vào

c Làm khô chất rắn

Các chất rắn bền với nhiệt, có thể làm khô bằng cách sấy trực tiếp trong tủ sấy ở nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chúng

Chất làm khô không bền với nhiệt, người ta cho vào bình có hút chân không và có để chất làm khô bên cạnh (Hình II.19b) Súng lục làm khô thích hợp cho chất làm khô bền và không bền với nhiệt (Hình II.19c) Cho chất được làm khô vào buồng 1, chất làm khô vào bình 2, chất lỏng truyền nhiệt vào 3, hút chân không và đun hồi lưu chất lỏng ở 3 để gia nhiệt làm cho chóng khô

(a) Tháp làm khô chất khí (b) Bình làm khô chân không (c) Súng lục làm khô chất rắn

Hình II.19 Các dụng dụ và thiết bị làm khô

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LẬP VÀ TINH CHẾ HỢP CHẤT HỮU CƠ

Để tiến hành nghiên cứu cấu trúc phân tử, tính chất vật lý, tính chất hoá học và hoạt tính sinh học cần có chất tinh khiết Do đó việc tìm kiếm các phương pháp phân lập và tinh chế các hợp chất hữu cơ hiệu quả cao là rất quan trọng Sau đây là một số phương pháp chính

1 Phương pháp chưng cất

Chưng cất là quá trình chuyển chất lỏng thành hơi rồi ngưng tụ hơi thành lỏng Muốn chuyển chất lỏng thành hơi người ta đun sôi chất lỏng Chất lỏng sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài Khi áp suất bên ngoài giảm thì nhiệt độ sôi giảm, thông thường khi

áp suất giảm một nửa thì nhiệt độ sôi giảm 15°C Ví dụ, chất A sôi ở 180°C/760 tor; 165°C/380 tor Trong quá trình chưng cất một chất tinh khiết, nhiệt độ sôi của nó không đổi nếu không có hiện tượng hơi quá nhiệt do đun mạnh

Với các chất có nhiệt độ sôi xa nhau (trên 80°C) người ta dùng phương pháp cất đơn, với các chất có nhiệt độ sôi gần nhau thì dùng phương pháp cất phân đoạn để tinh chế Cả hai phương pháp này có thể thực hiện ở áp suất thường nếu cấu tử sôi cao không quá 150°C, nếu cấu tử sôi cao hơn thì phải tiến hành cất ở áp suất thấp (cất chân không) để tránh sự phân huỷ của chất do nhiệt gây ra

a Chưng cất đơn ở áp suất thường

Phương pháp chưng cất đơn ở áp suất thường được dùng để phân lập và tinh chế các chất có nhiệt độ sôi xa nhau và nhiệt độ sôi không quá 150oC

b Chưng cất phân đoạn ở áp suất thường

Chưng cất phân đoạn: là hệ thống sử dụng cột chưng cất phân đoạn có cấu tạo gồm nhiều đĩa, mỗi đĩa hoạt động như một sinh hàn hồi lưu lắp ngược, nhưng hoạt động tổng thể của cột phân đoạn lại như một sinh hàn xuôi Nồng độ chất dễ bay hơi tỉ lệ thuận với thứ tự đĩa và số lượng đĩa Nồng độ chất dễ bay hơi ở đĩa cuối cùng ngưng tụ lại là cao nhất Như vậy nếu hứng chất dễ bay hơi ngưng tụ lại ở đĩa cuối cùng, ta sẽ có một hệ sinh hàn xuôi với nồng độ chất chưng cất cao

c Cất lôi cuốn bằng hơi nước

Phương pháp này dùng để tinh chế các chất lỏng không tan trong nước Như ta đã biết,

áp suất hơi của hỗn hợp hai cấu tử tan hoàn toàn vào nhau tuân theo định luật Raoult khi chúng không có đẳng phí với nhau

K = CCTrong đó CA là nồng độ của chất tan trong chất lỏng A, CB là nồng độ của chất tan trong chất lỏng B; A và B không tan vào nhau

Định luật Nexơ chỉ đúng cho trường hợp nồng độ nhỏ và chất hoà tan có trạng thái như nhau trong cả hai chất lỏng A và B Theo định luật trên, để chiết có kết quả một chất thì chất đó phải hoà tan tốt hơn rất nhiều trong dung môi đem chiết so với trong môi trường mà

nó tồn tại, nghĩa là hằng số phân bố đối với dung môi chiết phải lớn

Ví dụ: Chiết hỗn hợp anilin trong nước bằng benzen Nếu gọi độ hoà tan của anilin trong nước là K2, trong benzen là K1 thì hệ số tách là:

β = KK

Hệ số tách càng lớn thì tách càng dễ Những chất có β>100 có thể tách một lần bằng chiết Những chất có β<100 phải chiết nhiều lần (chiết theo cấp số nhân) Trường hợp này tương tự như cất đơn và cất phân đoạn

Sự hoà tan phụ thuộc vào bản chất của chất tan, bản chất của dung môi, nhiệt độ và còn phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt tiếp xúc Chính vì vậy khi chiết người ta phải lắc càng

kĩ càng tốt Lẽ dĩ nhiên trong trường hợp tạo huyền phù do lắc thì phải có phương pháp chống huyền phù

Bằng toán học người ta chứng minh được rằng cùng một lượng dung môi như nhau, nhưng chia ra chiết nhiều lần thì tốt hơn so với trường hợp để cả một lần mà chiết Khi chiết các chất từ dung dịch (thường là dung dịch nước) ta cho dung dịch vào phễu chiết (hình 1.24a) và thêm dung môi vào phễu

b Chiết các chất rắn

Đối với các chất rắn thì chất bị chiết hoặc ở thành nang nhỏ hoặc phân tán trong chất rắn Vì vậy để tăng cường bề mặt tiếp xúc giữa dung môi chiết và chất bị chiết, ta nghiền chất rắn càng nhỏ càng tốt

Người ta có thể thực hiện chiết nguội bằng cách ngâm chất rắn vào dung môi trong một thời gian rồi chiết dung môi ra Cũng có thể thực hiện chiết nóng bằng cách đun hồi lưu dung môi với chất rắn một thời gian rồi rút ra Để chiết nhiều lần liên tục và tiết kiệm dung môi, ta dùng bộ máy Xôclet như hình II.20b

Hình II.20 Phễu chiết chất lỏng (a) và bộ chiết chất rắn (b)

3 Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại)

Kết tinh lại là quá trình hình thành và phát triển của tinh thể từ tướng 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 đung nóng trong dung môi thích hợp, loại bỏ chất phụ và chất kết tinh trở lại khi làm lạnh

4 Phương pháp thăng hoa

Thăng hoa là quá trình làm bay hơi chất rắn thành hơi rồi ngưng tụ lại tành trạng thái rắn, không qua trạng thái lỏng

Những chất chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái khí mà không qua trạng thái lỏng gọi là chất thăng hoa

Vì áp suất hơi của chất rắn tăng theo nhiệt độ nên ta có thể đun nóng chất rắn đến nhiệt độ mà áp suất hơi của chất rắn bằng áp suất hơi bên ngoài thì chất rắn thăng hoa Sự thăng hoa xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Phương pháp thăng hoa có ưu điểm hơn các phương pháp khác là thu được chất tinh khiết hơn và có thể dùng một lượng nhỏ chất Ngược lại phương pháp này cũng có nhược điểm là các chất bẩn phải có tính bay hơi khác nhiều so với chất tinh chế, quá trình thăng hoa thường chậm và hao phí nhiều chất hơn các phương pháp khác

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 và lượng nhỏ chất (Hình II.21a) 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, 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 thẩn vì nếu đun nóng quá thì chất thăng hoa sẽ bị phân hủy Với lượng chất lớn hơn có thể lắp dụng cụ như hình II.21b

Những chất không hoặc khó thăng hoa ở áp suất thường thì có thể thăng hoa ở áp suất thấp (hình II.21c)

a) Bộ thăng hoa đơn giản b) Bộ thăng hoa ở áp suất thường c) Bộ thăng hoa ở áp suất thấp

Hình II.21 Các dụng cụ thăng hoa

5 Phương pháp sắc ký

a Kiến thức cơ sở

Dựa vào tính chất bị hấp phụ của các chất hữu cơ trên các chất hấp phụ (pha tĩnh)

và tính tan của chúng trong dung môi hữu cơ (pha động) đi qua chất hấp phụ người ta xây dựng nên phương pháp để phân tích định tính, định lượng, phân lập và tính chế các chất hữu cơ gọi là phương pháp sắc ký

Người đặt nền móng cho phương pháp này là Svet và Kun 1930 – 1936

Tuỳ theo phương thức thực hiện mà người ta chia phương pháp sắc ký thành nhiều loại: sắc ký khí; sắc ký mao quản; sắc ký giấy; sắc ký bản mỏng; sắc ký lỏng cao áp; sắc

ký cột…

Trong phương pháp sắc ký có sự cạnh tranh giữa tính bị hấp phụ của chất khảo sát trên chất hấp phụ và tính giải hấp của nó bởi dung môi đi qua Nếu sự hấp phụ thắng hoàn toàn thì chất không bị dịch chuyển khi dung môi đi qua Nếu sự giải hấp thắng hoàn toàn thì chất được giải phóng và đi cùng với tuyến dung môi Còn nếu sự giải hấp chỉ mạnh hơn sự hấp phụ chút ít thì quá trình hấp phụ và giải hấp xảy ra một cách liên tục khi dung môi đi qua và kết quả cuối cùng chất khảo sát đi được một khoảng nhất định gọi là độ chuyển dịch sắc ký

Hình II.22 Cách xác định Rf trong quá trình sắc ký bản mỏng

Trong sắc ký khí độ chuyển dịch này gọi là thời gian lưu, đó là thời gian tính từ lúc bơm mẫu đến lúc phát hiện chất; trong sắc ký lỏng cao áp cũng vậy Trong sắc ký giấy và sắc ký bản mỏng, thời gian này được đặc trưng bởi giá trị Rf

Sự hấp phụ phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và theo nguyên lí: chất phân cực hấp phụ chất phân cực và ngược lại

Căn cứ và độ phân cực mà người ta chia chất hấp phụ thành 2 loại chính: chất hấp phụ phân cực (Fe2O3 > Al2O3 > silica gel > cacbonhidrat) và chất hấp phụ không phân cực (than hoạt tính > nhựa Vonphatit EW)

Điểm xuất phát

chất ban đầu

Điểm xuất phát sản phẩm

Điểm xuất phát mẫu