LABORATORIUM Z CHEMII ORGANICZNEJ INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ
Miejsce ćwiczeń: Laboratoria Katedry Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii,
budynek N1 („Nowa Chemia”) ul. Krzywoustego 4, I piętro
Opracowali: Andrzej Rajca i Andrzej Skibiński
Opracowali:
Rafał Jędrysiak, Andrzej Rajca i Andrzej Skibiński
Politechnika Śląska Wydział Chemiczny
KATEDRA CHEMII ORGANICZNEJ BIORGANICZNEJ I BIOTECHNOLOGII
Laboratorium z Chemii Organicznej Semestr V
kierunek: technologia chemiczna
Spis treści
Spis treści ... 2
1. Program ćwiczeń laboratoryjnych w semestrze V dla kierunku technologia chemiczna ... 3
2. Przepisy bezpieczeństwa ... 4
2.1. Nakazy i zakazy... 4
2.2. Wypadki w laboratorium ... 5
2.2.1. Pożar ... 5
2.2.2. Urazy chemiczne... 6
2.2.3. Skaleczenia... 6
2.2.4. Stłuczenia termometru i rozlanie rtęci... 6
3. Przepisy porządkowe ... 7
3.1. Organizacja semestru... 7
3.2. Zeszyty... 7
3.3. Materiały pomocnicze... 7
3.4. Odzież... 7
3.5. Odczynniki w laboratorium... 8
3.6. Szafki laboratoryjne... 8
3.7. Odpady... 9
3.8. Tok pracy ... 9
3.9. Dyżury studentów... 10
4. Rozdział mieszaniny dwuskładnikowej metodami chemicznymi... 11
5. Określanie grup rozpuszczalności... 11
6. Syntezy preparatów ... 12
6.1. Przygotowanie się do wykonania preparatu ... 12
6.2. Analiza przepisu i obliczanie proporcji reagentów ... 13
6.3. Tabela obliczeniowa ... 15
6.4. Kolokwium ... 18
6.5. Wykonanie preparatu... 19
6.5.1. Pobieranie odczynników ... 19
6.5.2. Pobieranie dodatkowego szkła laboratoryjnego... 19
6.5.3. Montaż aparatury ... 19
6.5.4. Wykonanie syntezy ... 20
6.5.5. Notatki laboratoryjne... 22
6.5.6. Obliczanie wydajności ... 23
6.5.7. Sporządzanie wykresu Sankey’a... 24
6.5.8. Zaliczenie preparatu ... 24
7. Przygotowanie opracowania literaturowego... 26
7.1. Strona tytułowa ... 26
7.2. Metody otrzymywania ... 26
7.3. Dane fizyczne i spektroskopowe... 26
7.4. Zastosowanie lub/i właściwości chemiczne... 26
7.5. Inne informacje ... 26
7.6. Wybrana metoda otrzymywania i przepis wykonania... 26
7.7. Przepis wykonania wraz z zaleceniami bhp i utylizacją odpadów ... 26
7.8. Notatki laboratoryjne... 26
7.9. Literatura cytowana... 27
8. Literatura zalecana:... 29
9. Załączniki... 29
9.1. Załącznik 1. Aktualny program ćwiczeń laboratoryjnych... 29
9.2. Załącznik 2. Międzynarodowe kody zagrożeń i zaleceń bezpieczeństwa (Risk and Safety Phrases) .. 29
9.3. Załącznik 3. Typowe zestawy laboratoryjne ... 29
9.4. Załącznik 4. Wzór opracowania literaturowego ... 29
1. Program ćwiczeń laboratoryjnych w semestrze V dla kierunku technologia chemiczna
Ramowy program ćwiczeń:
a) Badania rozpuszczalności związków organicznych czyli określenie charakteru kwasowego i zasadowego składników mieszaniny dwuskładnikowej (określenie grup rozpuszczalności) oraz rozdział tej mieszaniny metodami fizycznymi lub chemicznymi, bądź wydzielanie czystego składnika z substancji pochodzenia roślinnego.
b) Synteza prostych preparatów i ich oczyszczenie przez krystalizację, destylację prostą, destylację z parą wodną, destylację pod zmniejszonym ciśnieniem, bądź metodami chromatograficznymi.
c) Opracowanie bilansu materiałowego dla jednego z wykonywanych preparatów.
d) Opracowanie literaturowe zagadnień związanych z syntezą i właściwościami wybranej substancji organicznej.
e) Wyszukanie Karty Bezpieczeństwa dla wskazanego związku chemicznego.
Warunki zaliczenia:
Aby uzyskać zaliczenie z Laboratorium z Chemii Organicznej należy:
a/ rozdzielić próbkę mieszaniny dwuskładnikowej metodą chemiczną z wykorzystaniem ekstrakcji lub destylacji z parą wodną i oznaczyć właściwości fizyczne jednego ze składników lub wydzielić składnik z substancji pochodzenia roślinnego lub opcjonalnie dostarczonych przez prowadzącego ćwiczenia
b/ zaliczyć test ze znajomości „grup rozpuszczalności” i zasad rozdziału mieszanin dwuskładnikowych oraz kartkówki ze znajomości obliczeń chemicznych, wybranych technik laboratoryjnych,
c/ zsyntezować preparaty wskazane przez prowadzącego. Syntezę poprzedza wykonanie odpowiednich obliczeń i zdanie kolokwium ze znajomości prowadzonej reakcji, jej mechanizmu, przepisu wykonania preparatu, właściwości chemicznych substratów i produktów oraz podstaw teoretycznych stosowanych metod oczyszczania takich jak krystalizacja czy destylacja,
d/ sporządzać (na bieżąco w trakcie prowadzenia syntezy) sprawozdania z wykonanie preparatów w „dzienniku laboratoryjnym”,
e/ sporządzić, dla wskazanego przez prowadzącego jednego z wykonywanych preparatów, „wykres Sankey’a” z uwzględnieniem w bilansie materiałowym ilości rozpuszczalników użytych do mycia aparatury,
f/ sporządzić opracowanie literaturowe dotyczące metod otrzymywania oraz właściwości fizycznych i chemicznych dla substancji organicznej wskazanej przez prowadzącego,
g/ po zakończeniu ćwiczeń należy uporządkować szafki laboratoryjne, w których nie można pozostawić żadnego brudnego szkła (szkło laboratoryjne ma być umyte i wysuszone), preparatów, odczynników, rozpuszczalników i innych rzeczy nie będących na wyposażeniu szafki, oddać do biblioteki Katedry wypożyczone skrypty i inne materiały oraz uzupełnić straty w powierzonym sprzęcie i szkle laboratoryjnym. UWAGA – PUNKT TEN OBOWIĄZUJE TAKŻE STUDENTÓW, KTÓRZY NIE UZYSKALI ZALICZENIA!
Wpis zaliczenia laboratorium:
Studenci po zakończeniu ćwiczeń, uzyskują wpis zaliczenia laboratorium do karty i indeksu dopiero po uzupełnieniu strat w powierzonym im sprzęcie i szkle laboratoryjnym.
Po rozliczeniu zawartości szafek laboratoryjnych lista należności dostępna jest w magazynie podręcznym. Po uzupełnieniu strat każdy student otrzymuje od kierownika magazynu kwit z odpowiednią adnotacją o rozliczeniu strat. Indeksy wraz z kartami zaliczeniowymi i kwitami z adnotacjami o rozliczeniu strat oddaje się grupowo prowadzącemu zajęcia. Podpisane karty i indeksy odbiera się w sekretariacie Katedry.
Szczegółowy program i harmonogram ćwiczeń obowiązujący w danym roku akademickim wraz z oceną punktową ćwiczeń oraz warunkami zaliczenia podano w Załączniku 1.
2. Przepisy bezpieczeństwa
W laboratoriach Katedry Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii w trosce o zdrowie i bezpieczeństwo pracujących tam osób obowiązują następujące
2.1. Nakazy i zakazy
1. W salach laboratoryjnych mogą przebywać jedynie osoby upoważnione – studenci odbywający ćwiczenia i pracownicy Katedry.
2. Osoby przebywające w laboratoriach Katedry zobowiązane są nosić okulary ochronne. Okularami ochronnymi NIE SĄ okulary korekcyjne.
Zabrania się noszenia szkieł kontaktowych.
3. Praca w laboratoriach dozwolona jest jedynie w fartuchu laboratoryjnym (nie z tworzyw sztucznych)
4. Praca w laboratorium dozwolona jest jedynie, gdy w tym samym lub sąsiednim laboratorium znajdują się inne osoby, z którymi można nawiązać kontakt głosowy.
5. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek czynności z substancjami, które mogą być toksycznymi, drażniącymi, parzącymi, wybuchowymi lub żrącymi bezwzględnie należy zapoznać się z ich właściwościami i niebezpieczeństwami grożącymi przy pracy z nimi.
6. W pomieszczeniach laboratoryjnych obowiązuje zakaz jedzenia, picia.
7. W pomieszczeniach laboratoryjnych obowiązuje zakaz chodzenia w butach na wysokich obcasach.
8. W pomieszczeniach laboratoryjnych obowiązuje zakaz palenia tytoniu.
9. W trakcie ćwiczeń obowiązuje zakaz korzystania z telefonów komórkowych.
10. W trakcie ćwiczeń laboratoryjnych nie jest zalecane noszenie biżuterii.
11. Odpady nie mogą być wylewane do kanalizacji, a jedynie do odpowiednich pojemników na odpady. Wyjątkiem są niewielkie objętości wodnych roztworów naturalnych aminokwasów, cukrów i niektórych prostych soli (patrz punkt 3.7.).
Toksyczne właściwości większości substancji nie są dokładnie znane w związku z tym praca w laboratorium może być niebezpieczna i szkodliwa dla zdrowia, gdy toksyczne substancje chemiczne obecne w laboratorium przenikną do organizmu.
Szkodliwe substancje przedostają się do organizmu trzema drogami:
N z powietrzem którym oddychamy,
N poprzez skórę gdy ręce lub inna część skóry zostanie nimi skażona, N doustnie.
Dlatego należy:
N unikać wdychania par substancji łatwo lotnych i gazów,
N nie dopuścić do zetknięcia cieczy i ciał stałych ze skórą, oczami i ustami, N nie spożywać w laboratorium żadnych posiłków.
Każda osoba pracująca w laboratorium, zobowiązana jest do utrzymania porządku na swoim stanowisku pracy i sali laboratoryjnej. Powinna ona także dbać o to, aby butelki i słoiki z odczynnikami były zawsze zamknięte i prawidłowo oznaczone.
Każda osoba pracująca w laboratorium zobowiązana jest do znajomości:
M lokalizacji i obsługi środków ochrony przeciwpożarowej (gaśnic, koca gaśniczego, prysznica, włącznika instalacji alarmowej),
M dróg ewakuacji oraz lokalizacji i obsługi stanowiska do przemywania oczu,
M wyłączników prądu i gazu.
2.2. Wypadki w laboratorium 2.2.1. Pożar
Zaalarmuj otoczenie głosem i przy użyciu instalacji alarmowej (włącznik znajduje się przy wyjściu z każdej sali). Wyłącz gaz i prąd. Spróbuj ugasić pożar używając gaśnicy śniegowej lub koca gaśniczego. Jeżeli istnieje poważne niebezpieczeństwo rozszerzenia pożaru ewakuuj salę. Nie ponoś osobistego ryzyka!
Płonąca odzież: Przewróć płonącą osobę na ziemię. Nie dopuść, by uciekała w panice. Użyj koca gaśniczego, fartucha laboratoryjnego lub prysznica gaśniczego, który znajduje się przy wyjściu z każdej sali, by stłumić płomień. W ostateczności użyj gaśnicy śniegowej, lecz pamiętaj, że możesz wywołać tym poważne odmrożenie.
Płonące rozpuszczalniki: Wyłącz palnik lub prąd. Jeżeli to możliwe odetnij dopływ powietrza przez nakrycie płonącego naczynia płytką metalową lub mokrą ścierką. Użyj gaśnicy lub koca gaśniczego.
Płonący gaz: odetnij dopływ gazu.
2.2.2. Urazy chemiczne
Oczy: Dokładnie przemyj dużą ilością bieżącej wody. Stanowisko do przemywania oczu znajduje się na każdej z sal laboratoryjnych. Poinformuj prowadzącego zajęcia. Udaj się natychmiast do okulisty.
Usta: Wypłucz wielokrotnie wodą. Poinformuj prowadzącego zajęcia.
Połknięcie: Wypij dużą ilość wody jako rozcieńczalnika. Staraj się usunąć zawartość żołądka prowokując wymioty. Poinformuj prowadzącego zajęcia.
Skonsultuj się z lekarzem.
Skóra: Zmyj dużą ilością zimnej wody. Umyj mydłem i wodą nawet jeżeli substancja skażająca skórę jest nierozpuszczalna w wodzie. Poinformuj prowadzącego zajęcia.
UWAGA!!! W przypadku oparzenia bromem (Br2) usuń go z miejsca oparzenia benzyną, alkoholem etylowym lub 5% wodnym roztworem Na2S2O3, w ostateczności wodą.
Płuca: Usuń osobę poszkodowaną z skażonego obszaru, okryj ją by utrzymać ciepło. Gdy ustał oddech zastosuj sztuczne oddychanie. Poinformuj prowadzącego zajęcia.
2.2.3. Skaleczenia
Materiały opatrunkowe i środki dezynfekcyjne – znajdują się w apteczkach na salach laboratoryjnych oraz w magazynie podręcznym pokój 113.
2.2.4. Stłuczenia termometru i rozlanie rtęci
Zabezpiecz obszar, na którym rozlała się rtęć przed osobami przechodzącymi, tak by nie roznosiły kropelek rtęci na butach. Zawiadom prowadzącego ćwiczenia. Posyp obszar skażony równomiernie siarką. Po około 30 minutach zmieć siarkę z kropelkami rtęci. Bardzo starannie zbierz resztki rozlanej rtęci ze skażonego obszaru. Zasyp ponownie skażony obszar preparatem do neutralizacji rtęci lub siarką.
Więcej informacji o zagrożeniach w laboratorium i sposobach ich unikania zawiera Instrukcja pracy dla stanowisk laboratoryjnych w Katedrze Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii Politechniki Śląskiej – egzemplarz jest dostępny na każdej sali laboratoryjnej.
3. Przepisy porządkowe
3.1. Organizacja semestru
Tabela 1. Organizacja semestru Termin Godzin
lekcyjnych Przeznaczenie
1 5 Sprawy organizacyjne, podział studentów na grupy ćwiczeniowe i sale laboratoryjne, szkolenie BHP oraz odebranie szafek laboratoryjnych wraz z wyposażeniem.
2 – 14 5 Realizacja programu podanego w p. 1 oraz Załączniku 1
15 5 Mycie szkła, porządkowanie szafek, zdawanie szafek laboratoryjnych wraz z wyposażeniem, zaliczenia.
3.2. Zeszyty
Każdy student zobowiązany jest do zaopatrzenia się w dwa zeszyty 32 kartkowe w kratkę. Na pierwszej stronie pierwszego zeszytu należy wpisać tytuł: „Przepisy i obliczenia” oraz: imię i nazwisko, rok, grupę dziekańską i rok akademicki, podać salę laboratoryjną, termin odbywania ćwiczeń oraz listę wykonywanych preparatów. Zeszyt ten służy do wpisywania przepisów wykonywania ćwiczeń, prowadzenia obliczeń, wpisywania tabelek obliczeniowych. Powinien on także zawierać rysunki potrzebnej aparatury oraz wykaz aparatury i odczynników, które muszą być pobrane z magazynu podręcznego. Zeszyt ten należy każdorazowo przynosić na ćwiczenia. Wzór jego prowadzenia znajduje się w skryptach uczelnianych nr 564 i nr 955 [7].
Drugi zeszyt należy zatytułować „Dziennik laboratoryjny” i opisać podobnie jak zeszyt pierwszy. Zeszyt ten służy do prowadzenia notatek laboratoryjnych i po każdym ćwiczeniu jest przekazywany prowadzącemu. W zeszycie tym należy uwzględnić 2,5 cm margines na uwagi prowadzącego ćwiczenia. Sposób prowadzenia zapisów w „Dzienniku laboratoryjnym” omówiony jest szerzej w punkcie 6.5.5. Notatki laboratoryjne.
3.3. Materiały pomocnicze
Każdy student obowiązany jest zaopatrzyć się we własne okulary ochronne oraz rękawice gumowe, które nie mogą być uszkodzone, by stanowiły ochronę dla rąk.
Każdy student proszony jest o zaopatrzenie się w ręcznik i mydło do własnego użytku, ręczniki papierowe, ściereczki do wycierania szkła i stołu laboratoryjnego, szczotkę do mycia butelek oraz skoncentrowany detergent do mycia szkła laboratoryjnego. Bardzo pożądane i ułatwiające pracę w laboratorium jest posiadanie wykonanej z grubego drutu, najlepiej nierdzewnego (należy rozklepać jeden koniec), szpatułki umożliwiającej wydobywanie osadów z naczyń laboratoryjnych. Ponadto przydatne, (wręcz konieczne), w laboratorium są: nóż, nożyczki oraz zapałki lub zapalniczka.
3.4. Odzież
Studenci są proszeni o używanie w laboratorium niekosztownej odzieży, bowiem jest ona narażona na ewentualne przyspieszone zużycie. Zalecane jest noszenie wygodnych butów
osłaniających stopy. W pomieszczeniach laboratoryjnych obowiązuje zakaz chodzenia w butach na wysokich obcasach. Każdy Student obowiązany jest pracować w fartuchu laboratoryjnym (nie z tworzywa sztucznego).
Odzieży wierzchniej (płaszcze, kurtki) nie wolno przetrzymywać na sali laboratoryjnej, należy umieścić ją w szafce w szatni w piwnicy. Szafkę należy zamknąć własną kłódką patentową. Po zakończeniu ćwiczeń w danym dniu należy szafkę opróżnić i pozostawić otwartą. Na sali ćwiczeniowej mogą znajdować się w wyznaczonym miejscu jedynie niewielkie torby.
3.5. Odczynniki w laboratorium
Odczynniki znajdujące się na półkach w salach laboratoryjnych przeznaczone są do analiz i oznaczeń grup rozpuszczalności. Nie wolno ich używać do wykonywania syntez.
Wyjątkiem mogą być katalityczne ilości kwasów i zasad oraz środki suszące i pomocnicze jak wazelina, smar, gliceryna czy węgiel aktywny.
Środki suszące, takie jak bezwodne sole: CaCl2, Na2SO4, MgSO4, znajdują się w zakręcanych słoiczkach na każdej z sal laboratoryjnych. Po użyciu środka suszącego należy bezwzględnie szczelnie zakręcić słoik.
Odczynniki do syntez pobiera się z magazynu podręcznego na podstawie wykazu odczynników, wpisanego do książeczki materiałowej. Wykaz ten musi być podpisany przez prowadzącego zajęcia, a podpis prowadzącego można uzyskać dopiero po zdaniu kolokwium.
3.6. Szafki laboratoryjne
Grupa studentów (2 lub 3 osoby) obejmuje na okres jednego semestru szafkę laboratoryjną ze szkłem i wyposażeniem i jest materialnie odpowiedzialna za jej zawartość.
Osoby te wypełniają rewers, potwierdzający odbiór znajdującego się w szafce szkła i innego sprzętu. Na końcu ćwiczeń studenci rozliczają się z powierzonego im szkła laboratoryjnego.
Szkło, szczególnie elementy ze szlifami i termometry są drogie!!! Na salach laboratoryjnych wiszą informacje o cenach elementów szklanych!
Każdy ze studentów otrzymuje w szafce książeczkę materiałową. Na podstawie tej książeczki pobiera odczynniki lub wypożycza szkło i sprzęt z magazynu podręcznego. Jedna część książeczki służy do pobierania odczynników, druga do pobierania szkła i sprzętu.
Książeczkę należy bardzo starannie przechowywać. Zagubienie książeczki jest związane z dotkliwą karą finansową! Niektóre rodzaje szkła i aparatury pobierane są na indywidualne rewersy i muszą być zwrócone czyste, w tym samym dniu, po zakończeniu pracy w laboratorium.
W szafce należy utrzymywać porządek. Nie wolno pozostawiać w szafkach otwartych naczyń zawierających substancje organiczne ani brudnego szkła laboratoryjnego.
Klucze do szafek przechowywane są w magazynie podręcznym i wydawane jedynie użytkownikom na czas ćwiczeń. Na końcu każdego z ćwiczeń, po zamknięciu szafek, klucze należy bezwzględnie oddać do magazynu podręcznego (pokój 113).
Brudne szkło laboratoryjne należy myć wodą z detergentami, natomiast jeżeli nie daje to rezultatu, to można użyć do mycia niewielkich ilości acetonu. Prosimy o oszczędne używanie acetonu. Rozpuszczalnik ten, jakkolwiek rozpuszcza się w wodzie, jest bardzo szkodliwy dla środowiska, szczególnie dla mikroorganizmów w oczyszczalni ścieków.
Dlatego acetonu nie wolno wprowadzać do kanalizacji, a zużyty w trakcie mycia należy
obowiązkowo wprowadzać do pojemnika na odpady oznaczonego literą O lub F jeżeli zlewki zawierają dodatkowo fluorowce.
3.7. Odpady
Na każdej sali laboratoryjnej znajduje się wyciąg z instrukcji postępowania z odpadami chemicznymi. Każdy student zobowiązany jest do zaznajomienia się z nim i przestrzegania zaleceń tam zawartych. Informacje na temat postępowania z odpadami zawarte są również w skrypcie [8].
Odpadów chemicznych organicznych nie wolno wprowadzać do kanalizacji, należy umieścić je w jednym z pojemników na odpady. W pojemniku oznaczonym zieloną etykietą z symbolem O (organiczne) gromadzi się odpady ciekłe organiczne nie zawierające fluorowców. W pojemniku oznaczonym fioletową etykietą z symbolem F (fluorowce) gromadzi się odpady ciekłe organiczne zawierające więcej niż 1% wagowych fluorowców.
Do pojemników nie wolno wprowadzać związków reaktywnych, mogących gwałtownie reagować ze zgromadzonymi odpadami, substancji kwaśnych ani zasadowych, substancji reagujących z wydzielaniem się toksycznych gazów, substancji piroforycznych, mogących wywołać samozapalenie się odpadów, substancji o intensywnym nieprzyjemnym zapachu itp.
Tego rodzaju substancje, zanim zostaną wprowadzone do pojemników na odpady, muszą zostać przekształcone w substancje względnie bezpieczne. Więcej informacji można znaleźć w literaturze oraz w „Listach bezpieczeństwa odczynników chemicznych” na serwerze wydziałowym w zakładce iChem https://ichem.chemia.polsl.pl:8443/psl/ (zakładka Merck lub POCh) ® nazwa związku ® karty bezpieczeństwa odczynników. Odpady stałe pakuje się w worki foliowe, opisuje trwale i czytelnie ich zawartość a następnie wkłada do pojemnika na odpady stałe palne.
Istnieje jedynie niewielka liczba związków, które w niewielkich ilościach (do kilkunastu gramów) można wprowadzić w postaci wodnych roztworów do systemu kanalizacyjnego. Są to naturalne aminokwasy, cukry i proste sole takie jak: chlorki, fosforany(V), octany, siarczany(VI) i węglany amonu, sodu, potasu, magnezu i wapnia.
Należy jednak zwrócić uwagę, czy nie są one zanieczyszczone toksycznymi związkami nieorganicznymi lub organicznymi. Jeżeli są, to zalicza się je do odpadów niebezpiecznych i nie wolno wylewać ich do zlewu.
3.8. Tok pracy
Studenci określają rozpuszczalność otrzymanej mieszaniny dwuskładnikowej w kilku typowych rozpuszczalnikach organicznych, wodzie oraz w 5% wodnym roztworze wodorotlenku sodu i 5% kwasie solnym. Następnie wykonują rozdział mieszaniny dwuskładnikowej metodami fizycznymi (destylacja, chromatografia) lub chemicznymi z wykorzystaniem ekstrakcji lub destylacji z parą wodną lub wydzielają substancje z produktów naturalnych. W kolejnym etapie syntezują preparaty w kolejności zalecanej przez prowadzącego zajęcia.
Na zajęciach, zgodnie z grafikiem, odbywa się test ze znajomości grup rozpuszczalności związków organicznych i metod rozdziału mieszanin oraz kartkówki ze znajomości obliczeń chemicznych i wybranych technik laboratoryjnych.
Szkolenie literaturowe, na którym omówione są sposoby poszukiwania informacji w literaturze chemicznej, odbywa się na początku semestru zgodnie z grafikiem zajęć dla poszczególnych grup studenckich.
Wykonanie syntezy każdego preparatu, poprzedzone jest ustnym, indywidualnym kolokwium dopuszczeniowym. Po pozytywnym zaliczeniu tego kolokwium student wypisuje
w książeczce materiałowej odczynniki potrzebne do wykonania preparatu, przedstawia je prowadzącemu ćwiczenia do akceptacji i podpisu, po czym pobiera je z magazynu podręcznego i przystępuje do wykonania preparatu. W trakcie syntezy prowadzi notatki w „Dzienniku Laboratoryjnym”. Po wykonaniu preparatu i oznaczeniu jego właściwości fizycznych oblicza wydajności, wypełnia „Kartę oddania preparatu” i przedstawia wykonany preparat prowadzącemu wraz z kartą i notatkami w „Dzienniku laboratoryjnym”. Prowadzący potwierdza fakt wykonania preparatu podpisem na karcie oddania preparatu i w „Dzienniku laboratoryjnym”. Preparat wraz z kartą student oddaje w magazynie podręcznym (sala 113).
3.9. Dyżury studentów
W trakcie każdego z ćwiczeń jeden ze studentów z grupy odbywającej ćwiczenia pełni dyżur. Dyżurny odpowiedzialny jest za porządek na sali w trakcie i po zakończeniu ćwiczeń. Do obowiązków dyżurnych należy (bezpośrednio po rozpoczęciu ćwiczeń):
@ włączenie dygestoriów, suszarek i wagi elektronicznej,
@ zadbanie by na sali była napełniona butla z wodą destylowaną oraz flaszki z odczynnikami,
w toku ćwiczeń:
@ dopilnowanie by każdy ze studentów utrzymywał w trakcie ćwiczeń swoje stanowisko laboratoryjne w porządku i posprzątał je na zakończenie,
na końcu ćwiczeń:
@ wyłączenie suszarki i wagi elektronicznej (proszę nie wyciągać wtyczki z gniazdka),
@ sprawdzenie zamknięcie kurków gazowych i wodnych,
@ sprawdzenie porządku pod dygestoriami i na sali, a w razie potrzeby posprzątanie sali,
@ zgłoszenie prowadzącemu oraz dyżurującemu technikowi zakończenia ćwiczeń na danej sali.
4. Rozdział mieszaniny dwuskładnikowej metodami chemicznymi Każdy ze studentów otrzymuje indywidualną próbkę mieszaniny dwuskładnikowej.
Po określeniu jej rozpuszczalności w typowych rozpuszczalnikach oraz stwierdzeniu charakteru kwasowego, zasadowego lub obojętnego poszczególnych składników próbki uzyskuje od prowadzącego zajęcia informację jaką metodą rozdziału ma się posłużyć, jaki składnik ma oczyścić i wyznaczyć jego właściwości fizyczne. Opis sposobu wykonania rozdziału mieszaniny znajduje się w pozycjach literaturowych [1], [3], [5], [9]. Po wykonaniu zadania student przedstawia prowadzącemu ćwiczenia wyodrębnione substancje, sprawozdanie z wykonanych czynności oraz wpisuje w „Dzienniku laboratoryjnym” masy otrzymanych substancji i właściwości fizyczne tej z nich, którą oczyszczał.
W przypadku wydzielania substancji z produktów naturalnych student przedstawia sprawozdanie z wykonanych czynności oraz masę otrzymanej substancji i jej właściwości fizyczne.
Sprawdzenie znajomości zagadnień związanych z rozdziałem mieszanin dwuskładnikowych metodami chemicznymi w powiązaniu z ekstrakcją i destylacją z parą wodną jest w formie testu. Test obejmuje ponadto zagadnienia określania grup rozpuszczalności i odbywa się w terminie podanym w grafiku.
5. Określanie grup rozpuszczalności
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z właściwościami związanymi z rozpuszczalnością substancji w sposób fizyczny jak i ich charakterem chemicznym.
Wybraną przez prowadzącego substancję/substancje student, po uzyskaniu informacji o jej/ich składzie pierwiastkowym, przyporządkowuje do określonej grupy rozpuszczalności.
Sposób wykonania prób oraz związane z rozpuszczalnością zagadnienia opisane są w skryptach [8], [9] oraz w podręcznikach [1], [2], [3].
Po wykonaniu analiz każdy student przedstawia wyniki analiz w formie tabeli w
„Dzienniku laboratoryjnym” (Tabela 2).
Tabela 2. Przykładowe wyniki analizy rozpuszczalności Rozpuszczalność w:
Nr. Próbki
(pierwiastki) H2O Et2O 5% NaOH 5%NaHCO3 5% HCl stęż. H2SO4
Grupa rozpuszcz.
1 (C,H,O) nr - r r - - IIIa
4 (C,H,O) r r - - - - I
7 (C,H,O) nr - nr - nr r V
9 (C,H,O,S) r nr r r II
11 (C,H,Br) nr - nr nr nr nr VI
12( C,H,N) nr - nr - nr nr VII
6. Syntezy preparatów
6.1. Przygotowanie się do wykonania preparatu
Student otrzymuje od prowadzącego spis preparatów do wykonania z wyszczególnieniem ilości substancji wyjściowej z której preparat należy wykonać np.:
Etanian benzylu z 10 g chlorku benzylu Benzylidenoaceton z 0,07 m acetonu...
@ Pierwszą czynnością jest znalezienie przepisu wykonania preparatu w dostępnej literaturze, zazwyczaj w jednym ze skryptów uczelnianych lub podręczników preparatyki organicznej (patrz spis literatury na końcu niniejszej instrukcji),
@ w zeszycie „Przepisy i obliczenia” należy wpisać nazwę wykonywanego preparatu i ilość substancji wyjściowej z której zostanie on wykonany,
@ następnie należy napisać stechiometryczne równanie reakcji,
@ w następnej kolejności należy przepisać do zeszytu „Przepisy i obliczenia” znaleziony w literaturze szczegółowy sposób wykonania preparatu,
@ znaleźć właściwości fizyczne (temperatura topnienia, temperatura wrzenia, gęstości) substratów, produktów i substancji pomocniczych używanych w trakcie wykonania preparatu (pomocne mogą być Kalendarz Chemiczny, Poradnik Fizykochemiczny, podręczniki preparatyki, bazy danych w internecie),
@ wyznaczyć proporcje molowe pomiędzy substratami, produktami reakcji i substancjami pomocniczymi jakie występują w równaniu stechiometrycznym i w przepisie wykonania preparatu (patrz punkt 6.2),
@ znaleźć właściwości toksykologiczne i sposób obchodzenia się ze stosowanymi reagentami i powstającymi produktami (sprawdź ”Listy Bezpieczeństwa” odczynników w programie iChem https://ichem.chemia.polsl.pl:8443/psl/ uwagi zawarte w nowszych przepisach laboratoryjnych, w podręcznikach preparatyki, dane w katalogach firmowych odczynników chemicznych, a w szczególności zawarte w nich symbole zagrożeń R i symbole bezpieczeństwa S. Wyjaśnienia tych symboli znajdują się w Załączniku 2),
@ przemyśleć sposób zabezpieczenia się przed szkodliwym działaniem reagentów i produktów,
@ przemyśleć elementy ryzyka związane z wykonywanymi czynnościami (niebezpieczeństwo pożaru, implozji, skażenia chemicznego),
@ zapoznać się z właściwościami chemicznymi i podstawowymi reakcjami substancji używanych w toku wykonania preparatu (podstawowe podręczniki chemii organicznej),
@ zapoznać się z mechanizmem odpowiedniej reakcji,
@ zastanowić się jakie reakcje uboczne mogą zakłócać wykonanie preparatu,
@ przeanalizować przepis wykonania – określić etapy wykonania, zachodzące w nich reakcje i operacje fizyczne i ich znaczenie dla otrzymania preparatu (patrz punkt 6.2.
Analiza przepisu i obliczanie proporcji reagentów),
@ przemyśleć sposób wykonania preparatu – aparaturę (szkic aparatury narysować w zeszycie „Przepisy i obliczenia”), pojemność naczyń reakcyjnych używanych do syntezy, sposób kontroli ilości dozowanych reagentów, reżim i kontrolę temperatury mieszaniny reakcyjnej, techniki stosowane do oczyszczania surowego produktu (pomocne mogą być podręczniki techniki laboratoryjnej stosowanej w preparatywnej chemii organicznej),
@ sformułować koncepcję postępowania z odpadami.
6.2. Analiza przepisu i obliczanie proporcji reagentów
Dla zilustrowania obliczeń niezbędnych ilości substratów i substancji pomocniczych używanych w toku wykonywania preparatu oraz używanych stosunkach molowych reagentów prześledźmy przepis wykonania etanianu benzylu z 10 g chlorku benzylu. Przepis znajduje się na stronie 111 skryptu uczelnianego nr 2142 [8].
Tabela 3. Analiza przepisu wykonania etanianu benzylu:
Analiza poszczególnych etapów
syntezy Przepis wykonania
BHP
Ocena ryzyka
Sprawdzić właściwości toksyczne używanych związków, rodzaje możliwych zagrożeń (symbole R), zagrożeń związanych z przeprowadzaną reakcją oraz konieczne środki bezpieczeństwa i zasady prawidłowego postępowania z występującymi w reakcji związkami (symbole S). Wyjaśnienia występujących zwrotów R i S znajdują się w Załączniku 2.
Przygoto- wanie
Przygotowanie aparatury, przygo- towanie mieszaniny reakcyjnej
W kolbie trójszyjnej zaopatrzonej w mieszadło, termometr i chłodnicę zwrotną umieszcza się trójwodny octan sodu (0,790 mola), chlorek benzylu (0,1 mola) i bromek tetrabutyloamoniowy (TBABr) (0,008 mola).
Reakcja
Przeprowadzenie reakcji
Zawartość kolby intensywnie miesza się i utrzymuje w temperaturze 105-110°C przez jedną godzinę, a następnie ochładza
Rozdział mieszaniny poreakcyjnej przez ekstrakcję w układzie woda/
eter dietylowy. Produkt gromadzi się w fazie organicznej, produkty uboczne w fazie wodnej
i wprowadza wodę (140 cm3). Zawartość kolby przenosi do rozdzielacza, rozdziela warstwy (jeżeli występują problemy z rozdziałem mieszaniny, należy dodać do niej 10 cm3 eteru dietylowego) i warstwę wodną trzykrotnie ekstrahuje się eterem dietylowym (po 15 cm3).
Oczyszczanie ekstraktu – usuwa- nie z fazy organicznej pozostałości soli (octanu i chlorku sodu)
Wszystkie warstwy organiczne łączy się i po przemyciu wodą do odczynu obojętnego
Suszenie fazy organicznej – usu- wanie wody utrudniającej desty- lację i usunięcie środka suszącego wraz ze związaną wodą
suszy bezwodnym siarczanem(VI) magnezu. Po usunięciu środka suszącego
Wydzielanie surowego produktu
oddestylowanie rozpuszczalnika oddestylowuje się eter z kolby Claisena zaopatrzonej w krótką kolumnę Vigreux,
Oczyszczanie produktu
Końcowe oczyszczenie produktu przez destylację pod zmniejszo- nym ciśnieniem
a następnie pozostałość poddaje się destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem. Zbiera się frakcję wrzącą w temperaturze 98-101°C/14 mmHg. Temperatura wrzenia czystego octanu benzylu wynosi 94-96
°C/14 mmHg, 104-105 °C/22 mmHg, 217 °C.
Otrzymuje się 13,9 g (0,93) mola produktu, co stanowi 93 % wydajności.
Odpady
Postępowanie z odpadami
Jakie występują substancje odpadowe, ile ich powstaje i na jakim etapie, czy mogą być jeszcze wykorzystane, czy wymagają wstępnej neutralizacji, do jakich pojemników należy je wprowadzić?
Kolejność wykonywania obliczeń może być następująca
1. Przeliczyć proporcjonalnie ilości substratów stechiometrycznie potrzebne do przeprowadzenia reakcji na 1 mol substancji wyjściowej podanej przez prowadzącego, a następnie na ilość, z której faktycznie wykonana będzie synteza. Ilości substancji wyliczyć zarówno w molach jak i w gramach.
Równanie stechiometryczne reakcji i proporcje stechiometryczne substratów na 1 mol chlorku benzylu wynoszą:
C6H5CH2Cl + CH3COONa.3 H2O ® C6H5CH2OCOCH3 + NaCl + 3H2O
1 mol 1 mol 1 mol 1 mol 3 mole
126,5g 136 g 150 g 58,5 g 54 g
Ponieważ synteza wykonywana będzie z 10 g chlorku benzylu (to znaczy z 10 g/126,5 g/mol
= 0,079 mola) więc stechiometrycznie do przeprowadzenia reakcji potrzebne będzie 0,079 mola trójwodnego octanu sodu (tj.10,74 g). W reakcji, gdyby zaszła stechiometrycznie, można otrzymać po 0,079 mola etanianu benzylu i NaCl oraz 0,079.3=0,237 moli wody).
2. Wyznaczyć proporcje molowe pomiędzy substratami, produktami reakcji i substancjami pomocniczymi jakie autorzy podali w przepisie. Ilości substancji oblicza się zarówno w molach jak i w gramach, uwzględniając gęstości i procentowe zawartości substancji w roztworach. Uwaga! Stosunki molowe pomiędzy substratami w przepisie często nie odpowiadają stosunkom wynikającym z równania stechiometrycznego. Należy zastanowić się dlaczego!!!
W przypadku syntezy etanianu benzylu przepis przewiduje użycie następujących ilości substratów:
Substraty: trójwodny octan sodu - 0,790 mola - 107,4 g
chlorek benzylu - 0,100 mola - 12,65 g
Inne: bromek tetrabutyloamoniowy - 0,008 mola - 2,58 g Produkt: etanian benzylu - 0,093 mola - 13,9 g
Ponieważ zgodnie z równaniem stechiometrycznym jeden mol chlorku benzylu reaguje z 1 molem octanu sodu, więc w reakcji 0,1 m chlorku benzylu zużyje się co najwyżej 0,1 m octanu sodu. Pozostała ilość (0,790 m – 0,1 m) jest nadmiarem ponad ilość stechiometrycznie potrzebną do reakcji. Nadmiar ten wyrażony w % ilości stechiometrycznie potrzebnej do reakcji wynosi:
(0,790m – 0,100m)/0,100m = 6,9 m/m = 690%
Tak duży nadmiar prowokuje w trakcie kolokwium pytanie: Dlaczego autorzy przepisu zastosowali aż taki nadmiar tego substratu?
W przeciwieństwie do octanu sodu, bromek tetrabutyloamoniowy użyty jest w dużym niedomiarze zarówno w stosunku do chlorku benzylu jak też i do ilości powstającego produktu.
Skłania to do postawienia pytania: Dlaczego w tej syntezie używa się tak mało bromku tetrabutyloamoniowego i jaka jest jego rola w tej syntezie?
3. Przeliczyć proporcjonalnie ilości substancji podanych w przepisie na ilość substancji wyjściowej z której należy wykonać preparat.
Preparat będzie wykonany z 10 g chlorku benzylu co stanowi 10 g / 126,5 g/mol = 0,079 mola. Aby obliczyć ilość potrzebnego trójwodnego octanu sodu korzystamy z proporcji:
0,1 mola C6H7Cl - 0,79 mola CH3COONa.3H2O 0,079 mola C6H7Cl - X
X = 0,79 . 0,079/0,1 mola = 0,624 mola
0,624 mola CH3COONa.3 H2O x 136 g / mol = 84,9 g
Aby zachować stosunki molowe substratów zakładane w przepisie musimy w reakcji na 0,079 mola tj. 10 g chlorku benzylu użyć 0,624 mola tj. 84,9 g trójwodnego octanu sodu.
Podobnie z proporcji przeliczamy ilości powstających w reakcji produktów. Gdy przepis nie podaje ile produktów ubocznych powstaje, przyjmujemy ilości stechiometryczne.
Analogicznie wyznaczamy ilość używanego w reakcji bromku tetrabutyloamoniowego, jakkolwiek nie występuje on w równaniu stechiometrycznym. Powinniśmy użyć go w ilości 0,0063 mola (2,035 g).
4. Wyniki obliczeń zebrać w tabelce obliczeniowej, która ma być wpisana do zeszytu
„Przepisy i obliczenia”
6.3. Tabela obliczeniowa
Tabela obliczeniowa (patrz Tabela 4) posiada 4 podwójne wiersze główne oraz tyle kolumn ile substratów i produktów występuje w równaniu stechiometrycznym reakcji. Ważne substancje pomocnicze jak np. katalizatory czy kwasy lub zasady służące do neutralizacji półproduktów umieszcza się również w tabeli.
Wiersze tabeli zawierają:
I. Ilości stechiometryczne potrzebnych substratów i powstających produktów na 1 mol substancji wyjściowej (w naszym przykładzie na 1 mol chlorku benzylu). Ilości te podaje się zarówno w molach jak gramach.
II. Ilości stechiometryczne substratów i produktów w przeliczeniu na ilość substancji wyjściowej, z której faktycznie wykonamy syntezę (w naszym przykładzie na 10 g chlorku benzylu). Ilości te podaje się zarówno w gramach jak i molach.
III. Ilości substratów i produktów podane oryginalnie w przepisie, z którego korzystamy – w molach i w gramach, bez zmiany ilości podanych przez autorów przepisu (w naszym przypadku na 0,1 mola chlorku benzylu).
IV. Ilości substratów i produktów wg przepisu, ale przeliczone na ilość substancji wyjściowej, z której faktycznie wykonamy syntezę – podane w molach i w gramach V. Wiersz uzupełniający, w którym podaje się nadmiary substratów oraz wydajność
przewidywaną przez autorów przepisu.
Tabela 4. Przykład - tabela obliczeniowa do syntezy etanianu benzylu z 10 g chlorku benzylu
C6H5CH2Cl CH3COONa.3H2O Bu4N+Br - CH3COOCH2C6H5 NaCl H2O
mol 1 1 - 1 1 3
I Stechiometrycznie na 1 mol
chlorku benzylu g 126,5 136 - 150 58,5 54
mol 0,079 0,079 - 0,079 0,079 0,237
II Stechiometrycznie na 0,079 mol
chlorku benzylu g 10 10,74 - 11,85 4,62 4,27
mol 0,1 0,790 0,008 0,093 0,1 0,3
III Wg przepisu na 0,1 mol
chlorku benzylu g 12,65 107,4 2,58 13,9 5,85 5,4
mol 0,079 0,624 0,063 0,073 0,079 0,237
IV Wg przepisu na 0,079 mol
chlorku benzylu g 10 84,9 2,04 11,02 4,62 4,27
V Nadmiary i wydajność. 690% 93%
Jeżeli w preparacie używa się roztworów jakiegoś związku to w tabeli należy podać nie ilość roztworu tylko ilości czystego reagenta, czyli o stężeniu 100%, a pod tabelą przeliczyć ilości tego reagenta na ilość jego roztworu w gramach i w cm3. Na przykład używając kwasu solnego w tabeli umieścimy ilość moli i gramów czystego HCl (chlorowodoru), a następnie pod tabelą przeliczymy ilości chlorowodoru na ilość wodnego roztworu HCl (czyli kwasu solnego) o określonym stężeniu i podamy te wartości w gramach i w cm3.
6.4. Kolokwium
Przystępując do kolokwium student przedstawia prowadzącemu zeszyt „Przepisy i Obliczenia” z kompletem informacji o wykonywanym preparacie tj.:
Przepisem
Tabelą z właściwościami substratów, produktów i odczynników pomocniczych, Tabelą obliczeniową
Schematami aparatury,
Listą odczynników do pobrania z magazynu, Listą szkła do pobrania z magazynu,
a następnie odpowiada na zadane pytania.
Przykładowe pytania (do etanianu benzylu):
ü Jakie Pan/Pani zna typy mechanizmów substytucji nukleofilowej?
ü Proszę przedstawić mechanizm SN1 (SN2)?
ü Jaki jest efekt stereochemiczny mechanizmu SN1 (SN2) jeżeli substratem reakcji jest halogenek alkilowy z centrum chiralności przy atomie stanowiącym centrum reakcji?
ü Jakim reakcjom ulegają estry?
ü Jakie Pan/Pani zna inne reakcje przebiegające wg mechanizmu substytucji nukleofilowej? – proszę podać co najmniej 3 różne reakcje.
ü Jakie w tej reakcji możliwe są produkty uboczne?
ü Jakimi innymi metodami można otrzymać etanian benzylu?
ü Jak Pan/Pani zmontuje aparaturę do syntezy?
ü W jaki sposób Pan/Pani wykona syntezę etanianu benzylu?
ü Na czym polega działanie bromku tetrabutyloamoniowego w toku syntezy preparatu?
ü Dlaczego w toku wykonania preparatu stosuje się intensywne mieszanie?
ü Dlaczego autorzy przepisu użyli tak znacznego nadmiaru octanu sodu?
ü Dlaczego ekstrakcję fazy wodnej eterem dietylowym przeprowadza się trzykrotnie używając za każdym razem po 15 cm3 eteru?
ü Jaki byłby efekt gdyby ekstrakcję przeprowadzić jeden raz używając 45 cm3 eteru?
ü Czy niezbędna jest neutralizacja fazy wodnej po ekstrakcji?
ü Proszęnarysować schemat aparatury do oddestylowania eteru.
ü Jakie niebezpieczeństwa związane są z destylacją lotnych i palnych rozpuszczalników?
ü W jakich przypadkach stosuje się destylację pod zmniejszonym ciśnieniem?
ü Jakie niebezpieczeństwa związane są z destylacją pod zmniejszonym ciśnieniem i jak ich unikać?
ü Jaka jest zależność temperatury wrzenia od ciśnienia?
ü Proszęnarysować schemat aparatury do destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem.
Po pozytywnym zdaniu kolokwium i sprawdzeniu zeszytu prowadzący podpisuje tabelkę i stawia ocenę z kolokwium oraz podpisuje w książeczce materiałowej zgodę na pobranie odczynników z magazynu podręcznego.
6.5. Wykonanie preparatu
6.5.1. Pobieranie odczynników
Po zdaniu kolokwium student przystępuje do wykonania preparatu. Potrzebne do tego odczynniki pobiera w magazynie podręcznym. Podstawą do pobrania substratów jest podpis prowadzącego pod listą potrzebnych do syntezy odczynników w książeczce materiałowej.
Ilości pobieranych substratów ciekłych mają być podane zarówno w gramach jak i w cm3. Substancje ciekłe pobiera się do czystych, suchych, zamykanych i opisanych butelek lub kolbek. Substancje stałe higroskopijne, reagujące na powietrzu, o intensywnym nieprzyjemnym zapachu, żrące oraz toksyczne są pobierane do zamykanego szczelnie słoika.
Jedynie substancje nieszkodliwe i trwałe na powietrzu można pobrać do opisanego papierowego pudełka.
6.5.2. Pobieranie dodatkowego szkła laboratoryjnego
W razie gdy student nie dysponuje odpowiednimi elementami aparatury w swojej szafce może pobrać odpowiednie elementy z magazynu podręcznego na podstawie wpisu do książeczki materiałowej – wpisuje je do książeczki i pobiera bez konieczności uzyskania akceptacji prowadzącego. Wyjątkiem są zestawy do destylacji próżniowej, wyparek rotacyjnych, niektóre zestawy do destylacji z parą wodną oraz urządzenia elektryczne i drogie szkło szlifowe (rozdzielacze, niektóre termometry, itp.) gdzie wymagane jest wypełnienie specjalnego, otrzymanego w magazynie podręcznym rewersu, który jest parafowany przez prowadzącego. Aparatura pożyczona na rewers z magazynu podręcznego MUSI być zwrócona czysta, jak najszybciej, najpóźniej w tym samym dniu pod koniec zajęć, gdyż może być ona potrzebna innemu studentowi.
Proszę pamiętać, że za elementy pożyczone z magazynu podręcznego jak i zawartość swojej szafki laboratoryjnej student jest odpowiedzialny materialnie.
6.5.3. Montaż aparatury
Montaż aparatury przeprowadza się zgodnie z wymaganiami zawartymi w przepisie.
Należy zwróć uwagę na objętości mieszaniny reakcyjnej i pamiętać o doborze pojemności naczyń reakcyjnych czy destylacyjnych (powinny być napełnione w około 70%). Gdy są za małe będą kłopoty z przeprowadzeniem reakcji. Gdy są za duże można stracić dużą część preparatu. W razie wątpliwości proszę zapytać prowadzącego.
Należy pamiętać, że szkło laboratoryjne jest kruche – nigdy nie należy stosować brutalnej siły!
Należy pamiętać, że gdy mocuje się kolbę w łapie to szkło nie powinno bezpośrednio stykać się z metalem – między szkłem a metalem powinna znajdować się podkładka z filcu, korka lub gumy. Należy uważać, by nie ścisnąć za mocno kolby, bo łatwo może pęknąć. Jest to szczególnie ważne gdy aparatura jest ogrzewana, gdyż wraz ze wzrostem temperatury zwiększa ona swoje wymiary. Jednak gdy zbyt słabo umocuje się kolbę w łapie to może się ona wysunąć i stłuc.
Należy pamiętać, że połączenia szlifowe muszą być czyste, suche i cienko przesmarowane wazeliną lub smarem silikonowym. W przeciwnym razie mogą się zapiec, i aparatura nie da się rozmontować.
W miarę możliwości należy zmontować aparaturę na jednym statywie – szczególnie jest to istotne, gdy używa się mieszadła mechanicznego – drgania aparatury mogą spowodować jej pęknięcie.
Po zmontowaniu aparatury należy zgłosić się do prowadzącego z prośbą o jej sprawdzenie.
6.5.4. Wykonanie syntezy
Sposób wykonania syntezy etanianu benzylu przedstawiono w Tabeli 5.
Tabela 5. Sposób wykonania syntezy octanu benzylu
Na statywie zamontuj kolbę trójszyjną o pojemności 250 cm3, umieszczając ją na płytce metalowej położonej na trójnogu lub w łaźni olejowej. W środkowej szyi kolby umieść mieszadło z uszczelnieniem z węża gumowego. Mieszadło połącz z wałem giętkim mieszadła elektrycznego.
Uszczelnienie przesmaruj wazeliną. Sprawdź czy mieszadło obraca się swobodnie i czy obroty mieszadła dają się regulować w szerokim zakresie oraz czy uszczelnienie zapewnia szczelność.
Kolbę zaopatrz w chłodnicę zwrotną „kulkową” (wprowadzenie wody chłodzącej od dołu chłodnicy) oraz w termometr. Sprawdź (nie uruchamiając silnika mieszadła!) czy mieszadło przy obrotach nie zawadza o zbiorniczek z rtęcią termometru. Rysunki typowej aparatury laboratoryjnej znajdziesz w Załączniku 3.
Przygotowanie aparatury Przygotowanie mieszaniny reakcyjnej
Odmierz cylindrem miarowym 9,1 cm3 chlorku benzylu lub odważ do czystej i suchej kolbki stożkowej 10 g chlorku benzylu i wprowadź go do kolby trójszyjnej przez szyję, w której zamontowany jest termometr (po jego czasowym zdemontowaniu). Odważ 84,9 g trójwodnego octanu sodu, rozdrobnij i wprowadź do kolby trójszyjnej. Odważ 2,58 g bromku tetrabutylo- amoniowego i wprowadź do kolby. Zamontuj termometr.
Przeprowadzenie reakcji
Uruchom mieszadło i ogrzewaj łaźnię olejową tak by temperatura w kolbie osiągnęła 105 °C. Ustaw grzanie łaźni olejowej lub wyreguluj palnik gazowy tak by temperatura mieszaniny reakcyjnej utrzymywała się w zakresie 105 – 110 °C.
Kontynuuj ogrzewanie i mieszanie przez 1 godzinę, dbając by wskazania termometru cały czas mieściły się w wyznaczonym zakresie a mieszanie było intensywne. Jeżeli temperatura opadnie poniżej wyznaczonego zakresu przedłuż okres mieszania i ogrzewania. Wyłącz ogrzewanie, poczekaj aż mieszanina ostygnie.
Przeróbka - rozdział mieszaniny poreakcyjnej
Odmierz cylindrem miarowym 140 cm3 wody, wlej przez chłodnicę do kolby reakcyjnej i rozmieszaj aż do całkowitego rozpuszczenia fazy stałej.
Zdemontuj ogrzewanie, chłodnicę zwrotną, termometr i mieszadło. Na statywie zamontuj pierścień metalowy i umieść w nim rozdzielacz o pojemności 500 cm3. Sprawdź czy jest czysty, czy kran jest drożny, czy jest zamknięty oraz sprawdź szczelność rozdzielacza wlewając do niego 10 cm3 eteru dietylowego (użyj eteru do późniejszego przemycia kolby reakcyjnej i ekstrakcji). Przelej zawartość kolby reakcyjnej do pustego rozdzielacza. Kolbę reakcyjną przemyj 10 cm3 eteru dietylowego i dodaj eter do rozdzielacza. Wlot do rozdzielacza zamknij dopasowanym korkiem szlifowym i zakołysz delikatnie kilkakrotnie rozdzielaczem przytrzymując korek. Wyjmij korek wypuszczając nadmiar par eteru z rozdzielacza. Odstaw rozdzielacz na statyw i poczekaj kilka minut aż warstwy organiczna i wodna dobrze się rozdzielą. Usuń korek szlifowy z rozdzielacza. Warstwę wodną wprowadź do czystej kolby stożkowej na 250 cm3 lub do kolby reakcyjnej, którą umieść bezpiecznie w naczyniu uniemożliwiającym przewrócenie się kolby. Warstwę organiczną (górną) wprowadź do czystej kolbki stożkowej o pojemności 100 cm3. Warstwę wodną wprowadź ponownie do rozdzielacza, dodaj 15 cm3 eteru, zamknij rozdzielacz i wytrząśnij początkowo delikatnie, likwidując ciśnienie par eteru, a następnie energicznie i dokładnie kilka razy tak by zapewnić dobry kontakt fazy organicznej i fazy wodnej i starannie wyekstrahować pozostałą w warstwie wodnej część octanu benzylu. Za każdym razem odpowietrzaj rozdzielacz. Odstaw rozdzielacz do rozdzielenia warstw, zlej fazę wodną do kolbki, w której znajdowała się uprzednio, a fazę eterową dołącz do fazy organicznej z pierwszej ekstrakcji. Czynności te powtórz dwukrotnie z dwoma świeżymi porcjami po 15 cm3 eteru.
Przeróbka – c.d.
Połączone warstwy eterowe umieść w rozdzielaczu. Dodaj około 20 cm3 wody, wytrząśnij starannie (odpowietrzając rozdzielacz) poczekaj do rozdzielenia warstw. Fazę wodną dołącz do fazy wodnej z pierwszej ekstrakcji, a fazę organiczną przemyj jeszcze dwukrotnie w analogiczny sposób wodą.
Sprawdź czy odczyn fazy wodnej jest obojętny. Jeżeli tak to fazę organiczną wprowadź do czystej i suchej kolbki stożkowej. Zwróć uwagę by do kolbki nie dostała się większa ilość wody. Do kolbki dodaj taką ilość bezwodnego siarczanu(VI) magnezu by siarczan już się nie zbrylał (2-3 g). Sprawdź czy środek suszący jeszcze się zbryla lub czy nie rozpływa się i czy nie tworzy drugiej fazy ciekłej.
Jeżeli tak, to fazę tą lub zbrylony środek suszący należy oddzielić od fazy organicznej i dodać świeżą porcję środka suszącego. Zamknij kolbkę i odstaw, co najmniej na 30 minut by siarczan związał wodę rozpuszczoną w eterze. W tym czasie przygotuj kapilarę do destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem.
Wydzielenie surowego produktu Zmontuj aparaturę składającą się z kolbki Claisena z kolumną Vigreux w szyi bocznej o pojemności
50 cm3, chłodnicy Liebiga, przedłużacza z odprowadzeniem par i odbieralnika. W szyi głównej kolby Claisena umieść na korku gumowym kapilarę sięgającą dna kolby. Po dopasowaniu długości, kapilarę wraz z korkiem wyciągnij i schowaj. Do kolby wprowadź teraz kilka „zarodników wrzenia”
– małych kawałków porowatej porcelany. W szyi głównej kolby zamontuj wkraplacz, z którego w trakcie destylacji będziesz stopniowo wprowadzać eterowy roztwór octanu benzylu. W szyi bocznej umieść termometr tak by zbiorniczek z rtęcią znajdował się nieco poniżej wlotu do chłodnicy. Do rozdzielacza przesącz przez fałdowany sączek wysuszony roztwór eterowy. Napełnij kolbę destylacyjną w połowie i rozpocznij ogrzewanie. Kolbę ogrzewaj ostrożnie na łaźni wodnej lub na czaszy grzejnej. W trakcie oddestylowania eteru ciągle uzupełniaj ilość roztworu w kolbie z szybkością równą szybkości destylacji aż do wyczerpania się roztworu eterowego w rozdzielaczu.
Destylację kontynuuj aż do zaniku destylacji eteru (twrz = 39 °C). Uważaj, aby nie przekroczyć temperatury 50°C.
Końcowe oczyszczanie produktu przez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem
Przebuduj aparaturę tak by nadawała się do destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem. Z szyi głównej kolby Claisena usuń wkraplacz i w to miejsce wprowadź wcześniej dopasowaną kapilarę wraz z korkiem (jej długość sprawdziłeś jeszcze, gdy aparatura nie została napełniona roztworem eterowym!). Na końcu chłodnicy umieść „krówkę” umożliwiającą zmianę odbieralnika w trakcie destylacji bez zapowietrzania aparatury. Zważ odbieralniki przed rozpoczęciem destylacji. Połącz aparaturę z układem próżniowym – manometrem, flaszką zabezpieczającą i źródłem próżni. Przed aparaturą umieść ekran zabezpieczający. Włącz próżnię i poczekaj do ustalenia próżni w aparaturze.
Odczytaj ciśnienie na manometrze. W razie potrzeby doszczelnij aparaturę. Po ustaleniu ciśnienia sprawdź, jaka powinna być temperatura wrzenia twojej substancji pod tym ciśnieniem. Ogrzewaj kolbę destylacyjną i zbieraj poszczególne frakcje zgodnie z przepisem notując, co 30 sekund temperaturę wrzenia i ciśnienie, zachowując stałe tempo destylacji w zakresie 1-3 krople na sekundę.
Po zakończeniu destylacji wyłącz ogrzewanie, zamknij manometr, pozostaw aparaturę do ostygnięcia, wprowadź powietrze do aparatury (uważaj, aby odbieralniki nie zsunęły się ze szlifów!), ściągnij odbieralniki i wyłącz próżnię. Bardzo ostrożnie wprowadź powietrze do manometru.
Rozmontuj aparaturę i uporządkuj stanowisko do destylacji próżniowej. Umyj aparaturę.
Zważ odbieralniki wraz z frakcjami uzyskanymi w trakcie destylacji. Przelej produkt do kolbki stożkowej o odpowiedniej pojemności i opisz czytelnie podając nazwę preparatu i jego wagę oraz temperaturę wrzenia i ciśnienie, a także swoje nazwisko i numer sali, na której wykonujesz ćwiczenia
Porównując zwięzły przepis, zawarty w skrypcie [8], wykonania preparatu o średnim stopniu złożoności, jakim jest octan benzylu (patrz też Tabela 3), ze znacznie bardziej szczegółowym opisem koniecznych czynności (Tabela 5) łatwo zauważyć, iż w przygotowaniu się do wykonania preparatu należy uwzględnić wiele informacji dotyczących sposobu wykonywania różnych czynności laboratoryjnych. Znajomość odpowiednich elementów techniki laboratoryjnej jest bardzo istotnym, a często decydującym czynnikiem, dla pomyślnego wykonania syntezy. Technika laboratoryjna opisana jest w podręcznikach preparatyki i dotyczącym jej skrypcie [1-6].
6.5.5. Notatki laboratoryjne
Należy pamiętać, aby notatki laboratoryjne były tak napisane, aby po dłuższym czasie ktokolwiek mógł powtórzyć opisany w notatkach eksperyment, bez zaglądania do innych materiałów.
Notatki laboratoryjne prowadzone w „Dzienniku laboratoryjnym” są formą sprawozdania z wykonania syntezy preparatu. Powinny być prowadzone na bieżąco w trakcie wykonywania syntezy. Nie mogą być ograniczone do przepisania przepisu wykonania.
Powinny być możliwie zwięzłe, ale szczegółowe. Należy w nich opisać użytą aparaturę (rysunek), sposób jej ogrzewania lub chłodzenia, koniecznie zanotować ilości i kolejność dozowania reagentów, czasy prowadzenia reakcji, ogrzewania, chłodzenia, ilości wprowadzanych katalizatorów i substancji pomocniczych, oraz obserwacje dotyczące zmian w wyglądzie i zachowaniu się mieszaniny reakcyjnej – zmiany barwy, wydzielanie się gazów, wytrącanie osadów, efekty cieplne, samorzutne wrzenie itp.
Przy opisie destylacji należy podać ile substancji wzięto do destylacji, w jakiej aparaturze prowadzono destylację, jaka była pojemność kolby destylacyjnej, jak ogrzewano kolbę, oraz zanotować parametry destylacji – temperaturę wrzenia, ciśnienie, przy którym prowadzono destylację, przybliżone tempo destylacji (ilość kropel na sekundę). Dane te tradycyjnie podaje się w postaci „tabelki destylacyjnej”, w której bardzo wyraźnie wyróżnia się granice wyciętych frakcji (przykład - Tabela 6.). Oprócz tego podaje się wagi pustych i zapełnionych odbieralników i wagi poszczególnych frakcji.
Tabela 6. Destylacja octanu butylu Łaźnia*
Czas Ciśnienie*
[mmHg] Moc grzałki*
Temp.
łaźni*
Temp.
wrzenia [°C]
Tempo destylacji [kropli/10s]
Uwagi
11.15 [**] odbieralnik I = 51,23 g
początek destylacji,
11.21.20 0.3 38 5
+30 s 39 10
+30 s 39 15
+60 s 39 20
+60 s 39 20
…
+60 s 39 10
+60 s 40 5
+60 s 38 2
Przedgon I = rozpuszczalnik
11.39 0.6 73,38 – 51,23
11.43 0.6 98 odbieralnik II = 57,95 g
11.45 110 3
+30 s 118 6
+30 s 123 10
+30 s 124 10
+30 s 124 10
Przedgon II
+30 s 124 10 60,15 – 57,95 = 2,20 g
+30 s 0.6 124,5 10 odbieralnik III = 58,10 g
+30 s 124 10
+30 s 124,5 15
+30 s 124,5 15
+60 s 124,5 15
…
+60 s 125 10
+60 s 0.7 125,5 20
… 126 15
+60 s 125,5 10
+60 s 123 10
+60 s 121 2
Frakcja główna
+60 s 120 0 74,90 – 58,10 = 16,80 g
12.09 koniec
Pogon
156,47 – 151,84 = 5,63 g
* - opcjonalnie, ** - położenie pokrętła regulatora mocy czaszy grzejnej
Notując dane dotyczące krystalizacji zapiszemy ile surowego produktu wzięto do krystalizacji, ile wzięto rozpuszczalnika, w jakiej aparaturze prowadzono krystalizację, ile dodawano dodatkowo rozpuszczalnika dla osiągnięcia rozpuszczenia, czy osad rozpuścił się całkowicie, czy dodano środka adsorbującego (ile?, jakiego?), czy roztwór sączono na gorąco, czy po ochłodzeniu osad samorzutnie się wytrącił, czy roztwór chłodzono dla przyspieszenia osiągnięcia określonej temperatury, czy roztwór oziębiano, czy powstawało ewentualne zmętnienie, czy wytrącał się olej, czy roztwór zaszczepiono kryształkami produktu, jaką ilością rozpuszczalnika przemyto osad po odsączeniu, jak go suszono, ile otrzymano wysuszonego produktu i jaka była jego temperatura topnienia, jak wykonano ten pomiar.
6.5.6. Obliczanie wydajności
W naszym laboratorium przed przedstawieniem preparatu do zaliczenia obowiązuje tradycyjnie obliczenie dwóch wydajności, tzw. „wydajności teoretycznej” i „wydajności praktycznej”.
„Wydajność teoretyczna” jest obliczana wg wzoru:
% 100
t
t m
W = m
gdzie: m – masa substancji otrzymanej w toku syntezy, mt – masa substancji którą można by otrzymać z użytej ilości substratów gdyby reakcja zaszła stechiometrycznie w 100%
(wielkość tę wyliczyłeś już w tabeli obliczeniowej w wierszu II). Jest więc to wydajność odniesiona do maksymalnej ilości stechiometrycznie możliwej do otrzymania. Wydajność taka jest podawana w większości przepisów w literaturze chemicznej.
„Wydajność praktyczna” jest obliczana wg wzoru:
% 100
p
p m
W = m
gdzie: m – masa substancji otrzymanej w toku syntezy, mp – masa substancji którą powinno się otrzymać z użytej ilości substratów zgodnie z przepisem (wielkość tę wyliczyłeś w tabeli obliczeniowej w wierszu IV). Jest więc to wydajność odniesiona do ilości przewidywanej przez autorów przepisu i charakteryzuje stopień odtworzenia przepisu.
6.5.7. Sporządzanie wykresu Sankey’a
Przykłady wykresów Sankey’a dla syntezy preparatów zawarte są w skrypcie [8]
str.17 i 18. Wykres należy sporządzić najlepiej na papierze milimetrowym w odpowiednio dobranej skali, a w bilansie materiałowym uwzględnić ilość zużytego do mycia aparatury acetonu.
6.5.8. Zaliczenie preparatu
Przed zaliczeniem preparatu należy w „Dzienniku laboratoryjnym”, po zakończonych notatkach z syntezy danego preparatu, umieścić podsumowanie, w którym podaje się otrzymaną ilość związku, uzyskane wydajności i oznaczone właściwości fizyczne, także wg literatury. Należy także wypełnić kartę oddania preparatu – karta jest do pobrania w magazynie podręcznym.
KARRTA ODDANIA PREPARATU
Imię i Nazwisko...
Numer preparatu... Skala...
Nazwa preparatu...
Własności fizyczne otrzymane...
wg lit. ...
Otrzymana ilość...
Wydajność prakt. ... Wydajność teoret. ...
Podpis prowadzącego ćwiczenia ...
Sprawdził
... ............................. ......tu az..a preparaw........N...... ..............................aga..Oddany m dozynu............ .........................................Odebrał......................... ..
Właściwości fizyczne podawane w „Dzienniku laboratoryjnym” i w karcie oddania preparatu to temperatura wrzenia (zakres temperatur w jakim zebrano frakcję główną i pod jakim ciśnieniem) lub temperatura topnienia (zakres temperatur w którym substancja się topi).
