Качественно – элементный анализ

КАЧЕСТВЕННО – ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

Отчет по лабораторной работе №4

по дисциплине «Органическая химия»

 

 

Специальность 1 – 49 01 01 Технология хранения и переработки пищевого

растительного сырья

Специализация 49 01 01 04 Технология бродильных производств и виноделия

 

Проверил ассистент _____________Н.В.Пчелова «___»____________2015г.

Выполнил студент группы ТРБ-141 _____________________ «___»___________2015 г.

 

 

Могилев 2015

ВВЕДЕНИЕ

Возможности совершенствования технологии производства и переработки пищевых и химических продуктов предопределяются реализацией входного, пооперационного и выходного аналитического контроля продукции.

Важными аналитическими характеристиками пищевых продуктов являются содержание воды, липидов, углеводов, белков, минеральных солей. Изменение технологических и потребительских свойств пищевых продуктов в процессах их хранения и переработки сопровождаются изменениями интегрального элементного и функционального состава, накоплением новых соединений под влиянием биологических и термических факторов.

В химических производствах аналитический контроль в ещё большей степени является важной составляющей химической технологии, определяющей качество и выход промежуточных и конечных продуктов.

Изучение сложных химических и биологических объектов проводят методами качественного и количественного анализа. Современный экспресс-
анализ основан на физико-химических методах исследования: спектроскопия в ультрафиолетовой и инфракрасной области (УФ и ИК), спектроскопия ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонанса (ЯМР и ПМР), различные виды хроматографии – тонкослойная и бумажная (ТСХ и БХ), газовая, жидкостная и высокоэффективная жидкостная (ГЖХ, ЖЖХ, ВЭЖХ) и другие.

Эти методы анализа, однако, требуют наличия специальной и, как правило, дорогостоящей аппаратуры, что не всегда доступно и оправданно. Поэтому для анализа пищевых и химических продуктов в стандартных (заводских) условиях часто привлекают классические приемы аналитической органической химии.

Элементный анализ органических соединений основан на термическом разложении органического вещества при нагревании его с соответствующими неорганическими реагентами. При этом образуются новые неорганические соединения, идентифицируемые обычными методами качественного и количественного неорганического анализа.

Функциональный анализ органических соединений основан на специфических реакциях функциональных групп с реагентами, в результате которых проявляются соответствующие эффекты: выпадение или растворение осадка, появление или исчезновение окраски, специфический запах, выделение газа, другие наблюдаемые эффекты).

КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

Качественный элементный анализ позволяет определить, из атомов каких элементов построены молекулы органического вещества. Количественный элементный анализ устанавливает элементный состав соединения и простейшую формулу соединения.

При выполнении элементного анализа органическое вещество «минерализуют» – разлагают таким образом, чтобы углерод превратился в СО₂, водород – в Н₂О, галогены – в Hal^–, азот – в N₂, NO₃^– или ионы CN^– , сера – в ионы S^2– и т.п. Дальнейшее определение проводят обычными методами аналитической химии.

Открытие углерода и водорода в органическом веществе

Материалы: малолетучее органическое вещество (сахар, нафталин, глицерин и т.п.), оксид меди (в порошке); известковая или баритовая вода (насыщенный прозрачный раствор Са(ОН)₂ или Ва(ОН)₂).

Методика проведения: 0,2-0,3 г испытуемого жидкого или твердого вещества смешивают с 1-2 г порошка оксида меди. Смесь пересыпают в сухую пробирку с пробкой и газоотводной трубкой. Пробирку укрепляют в лапке штатива почти горизонтально и конец газоотводной трубки вводят в другую пробирку, содержащую 2-3 см³ известковой (Ca(OH)₂) или баритовой (Ba(OH)₂) воды, так, чтобы трубка почти касалась поверхности жидкости. Смесь нагревают.

Образование воды обнаруживается по появлению капель на холодных стенках пробирки и трубки, а образование углекислого газа – по появлению осадка нерастворимого углекислого кальция (или бария).

При прокаливании с оксидом меди содержащийся в веществе углерод превращается в СО₂, а водород – в Н₂О. Оксид меди, окисляя органическое вещество, сам восстанавливается до металлической меди.

Этот метод используется как при качественном, так и при количественном элементном анализе органических соединений.

Используемое вещество предварительно высушивают для удаления гигроскопической и кристаллизационной воды.

Открытие азота, серы и галогенов в органическом веществе

Для обнаружения присутствия азота, серы или галогенов обычно необходимо полностью разрушить органическое вещество прокаливанием со щелочью, например, с натронной известью (смесь едкого натра NaOH с Ca(OH)₂). При этом сера и галогены переходят в неорганические соли – сульфиды и галогениды, а большая часть азота выделяется в виде аммиака. Все эти образовавшиеся вещества могут быть обнаружены обычными ионными реакциями. Галогены часто удается отщепить и перевести в соли галогенводородных кислот также действием металлического натрия на спиртовый раствор испытуемого вещества (способ Степанова). Для одновременного открытия азота, серы, хлора, брома и йода в органических соединениях применяют разработанный Лассенем метод прокаливания вещества с металлическим натрием. При этом сера и галогены связываются так же, как и при их прокаливании со щелочью, азот же образует с углеродом и натрием цианистую соль:

С_nH_mNSHal ­¾® NaCN + Na₂S + NaHal

Если в органическом соединении содержится галоген, то образуется легко открываемая обычными методами соответствующая натриевая соль.

При содержании в органическом соединении азота образуются цианиды, легко обнаруживаемые по образованию комплексного цианида – берлинской
лазури.

Если в органическом соединении содержатся совместно азот и сера, то они легко идентифицируются по появлению красной окраски при добавлении солей железа (III) к раствору продуктов прокаливания исходного соединения – качественная реакция на образование роданид-иона CNS^– :

6NaCNS + FeCl₃ ¾¾® Na₃[Fe(CNS)₆] + 3NaCl

Открытие серы основано на переводе полученного сульфида натрия в нерастворимый в щелочах сернистый свинец черного цвета:

Pb(NO₃)₂ + 4NaOH ¾® 2NaNO₃ + 2H₂O + Na₂[Pb(OH)₄]

Na₂S + Na₂[Pb(OH)₄] ¾® PbS ¯ + 2NaOH + 2H₂O

(Первая из этих двух реакций необходима для перевода нитрата свинца в устойчивую в щелочной среде форму)

Если при пробе на галогены (после прокаливания с натрием) не удалены кипячением с азотной кислотой присутствующие в растворе H₂S и HCN, то добавление азотнокислого серебра может дать черный осадок Ag₂S или белый осадок AgCN; последний по характеру и цвету аналогичен хлориду серебра, но не темнеет на свету за несколько минут, как AgCl.

Перманганат калия в кислой среде окисляет ионы галогенов до свободных галогенов:

2MnO₄^– + 10 Hal^– + 16H⁺ ¾® 2Mn²⁺ + 5Hal₂ + 8H₂O

Бром и йод, легко растворяясь в органических растворителях, окрашивают их в характерный цвет.

Осторожно! Некоторые органические вещества (CH₃NO₂, CHCl₃, CCl₄, соли диазония, ди- и тринитросоединения) при прокаливании с металлическим натрием иногда реагируют бурно, со взрывом.

МЕТОДИКИ ЭПЕРИМЕНТА

Материалы: органическое соединение, содержащее указанные элементы (например, анилин, его хлоргидрат, тиомочевина, сульфаниловая кислота, мочевина, йодоформ); натрий металлический; азотнокислый свинец (10%-ный водный раствор); нитропруссид натрия (свежеприготовленный 0,5%-ный водный раствор); сернокислое железо (II); хлороформ или бензол.

ВНИМАНИЕ! Операцию с натрием необходимо проводить только в защитных очках!

Несколько кристаллов или капель исследуемого вещества помещают в узкую пробирку, держа ее наклонно, и кладут туда же (немного выше) кусочек очищенного от оксидной корки и высушенного фильтровальной бумагой металлического натрия размером 0,1-0,2 см³.

Держа пробирку почти горизонтально в зажиме, нагревают натрий до его расплавления. Затем поворачивают пробирку вертикально, чтобы капля горячего натрия упала на вещество (осторожно, ВСПЫШКА!), после чего нагревают смесь до красного каления. Раскаленную пробирку быстро опускают в фарфоровую ступку с 5-6 см³ дистиллированной воды так, чтобы пробирка растрескалась.

Черные кусочки получившегося плава хорошо измельчают пестиком, переливают содержимое ступки в пробирку, нагревают до кипения; отфильтровывают полученную щелочную жидкость через небольшой бумажный фильтр и используют ее для проб на серу, азот и галогены. Жидкость должна быть бесцветной; желтая или коричневая ее окраска указывает на неполноту разрушения исходного вещества. В этом случае опыт надо повторить с новой порцией того же вещества.

Проба на серу

Методика проведения: К 1см³ раствора азотнокислого свинца приливают раствор гидроксида натрия по каплям до растворения первоначально образующегося его гидроксида и затем добавляют несколько капель отфильтрованной щелочной жидкости (см. выше).

Появление темно-коричневой окраски или образование черного осадка сульфида свинца, ускоряющееся при нагревании, указывает на то, что исследуемое вещество содержало серу.

Проба на азот

Методика проведения: отлив половину полученной фильтрованием щелочной жидкости, добавляют к ней маленький кристаллик железного купороса, кипятят смесь в течение 1-2 минут, охлаждают, дают постоять 3-5 минут и подкисляют разбавленной соляной кислотой. Образование синего осадка берлинской лазури указывает на то, что исходное вещество содержало азот. Если азота мало, то раствор после подкисления окрашивается в зеленый цвет, а синий осадок выделяется лишь спустя некоторое время.

Проба на галогены

Методика проведения: вторую половину щелочной жидкости подкисляют концентрированной азотной кислотой. В случае наличия серы или азота необходимо кипятить этот кислый раствор в течение нескольких минут в вытяжном шкафу для удаления сероводорода и синильной кислоты, которые мешают последующей реакции. К части остывшей прозрачной кислой жидкости добавляют несколько капель раствора азотнокислого серебра.

Образование тяжелого хлопьевидного осадка указывает на присутствие галогена.

Хлористое серебро – белое (затем темнеющее на свету), бромистое – желтоватое, а йодистое – желтое.

Если желательно уточнить, присутствует ли бром или йод, то к оставшейся части кислого раствора добавляют 1 см³ хлороформа или бензола и затем при встряхивании 2-3 капли 1%-ного раствора марганцевокислого калия. Дав смеси отстояться, отмечают окраску органического слоя; фиолетовая окраска указывает на присутствие йода, оранжевая или желтая – на присутствие брома.

Однако избыток перманганата может обусловить фиолетовую окраску водного слоя, что не следует принимать за положительную реакцию на присутствие йода.

Кратная связь

Реакция с бромом

Подавляющее большинство соединений, содержащих кратную связь (двойную, тройную, их комбинации, за исключением ароматических систем), легко присоединяют бром:

Методика проведения. Реакцию проводят обычно в уксусной кислоте или четыреххлористом углероде. К раствору 0,1г или 0,1см³ вещества в
2-3 см³ ледяной (100%-ной) уксусной кислоты, помещенному в пробирку, добавляют по каплям, встряхивая, 1%-ный раствор брома в ледяной уксусной кислоте. При наличии в веществе кратной связи раствор обесцвечивается. Для реакции удобно использовать олеиновую или итаконовую кислоту, аллиловый спирт, циклогексадиен, алкены.

В отдельных случаях соединения, содержащие водород, легко замещающийся на бром (анилин, фенол, некоторые третичные углеводороды), также обесцвечивают раствор брома. Однако при этом выделяется бромистый водород, который легко определяется с помощью влажной лакмусовой или универсальной индикаторной бумаги:

В этом случае реакцию удобнее проводить в ССl₄, в котором НВr нерастворим.

Гидроксильная группа

Реакция на фенолы

Большинство фенолов дают интенсивную окраску с раствором хлорида железа (III).:

Обычная окраска раствора синяя или фиолетовая. Но у ряда сложных фенолов она бывает зеленой или красной. Реакцию проводят в водных растворах или в хлороформе, чтобы отличить фенолы от енолов. Последние дают интенсивное окрашивание в метаноле или этаноле.

 

Методика проведения: в пробирке растворяют несколько кристаллов или одну каплю вещества в 1 см³ воды или хлороформа. Встряхивают, добавляют 1 каплю 1%-ного водного раствора FeCl₃. В присутствии фенольного гидроксида тотчас же появляется интенсивная окраска. Енолы в этих условиях дают лишь слабое окрашивание. Фенолы четче дают реакцию в присутствии воды.

Карбонильная группа

Реакция с реактивом Фелинга

Альдегиды жирного ряда восстанавливают двухвалентную медь в одновалентную. В качестве реактива, содержащего ионы двухвалентной меди, применяется реактив Фелинга. Его готовят перед употреблением, смешивая
2 раствора: раствор CuSO₄ и щелочной раствор сегнетовой соли (калиево-натриевой соли винной кислоты). При сливании растворов образуется гидроксид меди, который с сегнетовой солью дает комплексное соединение типа гликолята меди:

 

Ароматические альдегиды эту реакцию не дают.

Методика проведения: приготавливают в пробирке реактив Фелинга, сливая по 1 см³ исходных растворов, и прибавляют 2 см³ 1%-ного раствора глюкозы. Верхнюю часть содержимого пробирки нагревают в пламени горелки до начала кипения и наблюдают появление желтого или красного осадка оксида меди (I). Параллельно проводят реакцию с формалином и бензальдегидом, прибавляя к 2 см³ реактива Фелинга (по отдельности) по 2-3 капли формалина и 1-2 капли бензальдегида. Наблюдают происходящие изменения.

Карбоксильная группа

Обнаружение сложного эфира

Методика проведения: к раствору 100-500 мг сложного эфира в 3-5 см³ спирта приливают несколько капель раствора фенолфталеина и прибавляют по каплям 0,5н спиртовой раствор гидроксида калия. Возникшая в начале красная окраска вскоре исчезает. Эта проба на омыление дает положительный результат не только для сложных эфиров, но и для лактонов, ангидридов.

Углеводы

2.5.1 Реакция на углеводы с a-нафтолом (реакция Молиша)

При действии серной кислоты на самые различные углеводы (кроме моносахаридов) первоначально идет гидролиз. Образующийся моносахарид конденсируется в 5-гидроксиметилфурфурол. Последний конденсируется с двумя молекулами a-нафтола в хиноидную структуру, подвергающуюся сульфированию. Образуется ярко окрашенное красно-фиолетовое соединение хиноидного типа.

Методика проведения: в 1 см³ воды вносят 0,01 г углевода (или сырья, содержащего углевод) и 2 капли свежеприготовленного 10%-ного спиртового раствора a-нафтола. Смесь слегка мутнеет из-за выпадения a-нафтола. Осторожно из пипетки по стенкам пробирки приливают 1 см³ концентрированной серной кислоты так, чтобы она опустилась на дно, не смешавшись с водным слоем. При наличии в исследуемом веществе углеводов на границе слоев появляется красно-фиолетовое кольцо. Реакция очень чувствительна, и необходимо следить, чтобы в реакционную смесь не попали углеводные загрязнения.

Реакция Троммера на альдозы

Методика проведения: в пробирку наливают 1 см³ 1%-ного водного раствора глюкозы, 1 см³ 2н раствора гидроксида натрия и 2 капли 5%-ного раствора сульфата меди. Выпадающий гидроксид меди быстро растворяется в темно-синий раствор за счет возникновения хелатов меди по расположенным рядом гидроксигруппам (см. 2.2.3). Медленно нагревают верхнюю часть пробирки на спиртовке до начала кипения. Синий цвет исчезает, выделяется желтый или красно-коричневый осадок оксида меди (I), (см. 2.3.4). Если для опыта взять невосстанавливающий дисахарид, например, сахарозу, то изменение окраски не происходит.

Кислотный гидролиз сахарозы

С целью получения глюкозы и фруктозы проводят кислотный гидролиз сахарозы. Молекула сахарозы легко расщепляется при гидролизе на молекулу глюкозы и молекулу фруктозы. Оба моносахарида входят в состав сахарозы в циклических формах. В создании связи между ними участвуют оба гликозидных гидроксила.

В сахарозе остаток фруктозы находится в виде непрочного 5-членного цикла – фуранозы; такие сложные сахара очень легко гидролизуются.

Химизм процесса:

Методика проведения: в пробирку наливают две капли 1%-ного водного раствора сахарозы, 2 капли 2н соляной кислоты, 5 капель воды и осторожно нагревают над пламенем горелки 20-30 минут. Полученный раствор разливают на две пробирки, в которых открывают глюкозу и фруктозу.

Реакция крахмала с йодом

Методика проведения: в пробирку помещают 2 капли 2%-ного крахмального клейстера и 1 каплю 0,1н водного раствора йода. Содержимое пробирки окрашивается в синий цвет.

Полученную темно-синюю жидкость нагревают до кипения. Окраска при этом исчезает, но при охлаждении появляется вновь.

Крахмал является неоднородным соединением. Он представляет собой смесь двух полисахаридов – амилозы (20%) и амилопектина (80%). Амилоза растворима в теплой воде и дает с йодом синее окрашивание.

И амилоза, и амилопектин состоят из остатков глюкозы, связанных a-гликозидными связями; но они отличаются формой молекул. Амилоза представляет собой линейный полисахарид, построенный из нескольких тысяч остатков глюкозы, обладающий структурой спирали. Внутри спирали остается свободный канал диаметром около 5 мк, в который могут внедряться молекулы, образуя особого типа комплексы – так называемые соединения включения (клатраты). Одним из них является соединение амилозы с йодом, имеющее синее окрашивание.

Строение амилозы схематически выражается следующей формулой:

Амилопектин в теплой воде нерастворим, набухает в ней, образуя крахмальный клейстер. В состав амилопектина, в отличие от амилозы, входят разветвленные цепи гликозных остатков.

Амилопектин с йодом дает красновато-фиолетовое окрашивание.

Амины

2.6.1 Обнаружение аминогруппы по реакции с
2,4-динитрохлорбензолом

В бесцветном 2,4-динитрохлорбензоле атом хлора весьма подвижен и в мягких условиях реагирует с аминами, образуя окрашенные в желтый цвет продукты конденсации:

Реакция происходит только со свободными основаниями.

Методика проведения: к 1-2 каплям исследуемого эфирного раствора вещества в пробирке прибавляют 1-2 капли 1%-ного эфирного раствора
2,4-динитрохлорбензола, выпаривают эфир на водяной бане. Желтое или бурое остающееся пятно указывает на наличие аминов. Гетероциклы, содержащие атом азота с основными свойствами, также дают положительную реакцию (пиридин, хинолин, имидазол, пурин и т.д.).

Аминокислоты. Белки

Реакция с солями меди

В слабокислых средах аминокислоты дают с солями меди ярко-синие хелаты:

Для сдвига равновесия вправо ее лучше проводить в буферном растворе с добавкой ацетата натрия.

Методика проведения: в 1 см³ 1%-ного раствора аминокислоты вносят кристаллик медного купороса и кристаллик ацетата натрия. В присутствии аминокислоты раствор становится густо-синим.

Биуретовая реакция на белки

Методика проведения: в пробирку с 3 см³ раствора альбумина вливают
1 см³ 10%-ного раствора едкого натра и 2 капли 2%-ного раствора медного купороса. Появляется красно-фиолетовое окрашивание, указывающее на наличие в белковой молекуле пептидных связей:

Продукты распада белка – полипептиды – также дают биуретовую реакцию. Цвет образующихся медных комплексов определяется числом аминокислот, связанных пептидной связью. Дипептиды дают синюю окраску, трипептиды – фиолетовую, а тетрапептиды и более сложные пептиды – красную, фиолетовый цвет медного комплекса с белком в условиях биуретовой реакции указывает на преобладание в сложной белковой частице трипептидных группировок (это подтверждается и другими данными).

Некоторые атомные группы, например,

накапливаясь в молекуле, также дают биуретовую реакцию. При ее проведении следует избегать избытка медной соли, так как образующийся в этом случае синий гидроксид меди (II) маскирует появление фиолетовой окраски.

Жиры

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот как средней, так и большой молекулярной массы. В жирах всегда присутствует небольшое количество свободных кислот и незначительное количество неомыляемых составных частей.

Обнаружение жиров

Реакцией на присутствие жира служит акролеиновая проба, которой открывают в жирах глицериновый остаток. При нагревании жира глицериновый остаток частично переходит в глицерин, который теряет воду и образует акролеин, легко обнаруживаемый по специфическому раздражающему запаху. Воски, в отличие от жиров, такой реакции не дают.

Методика проведения: в сухую пробирку помещают 1-2 капли жира, добавляют двойное количество (по объему) сухого гидросульфата калия и нагревают содержимое до появления белых густых паров. Резкий, раздражающий запах говорит об образовании акролеина:

Предварительное исследование вещества

Исследование начинают с описания внешних свойств вещества: агрегатного состояния, цвета, запаха. Если вещество твердое, то записывают какое – кристаллическое (иглы, пластины, призмы и т.п.), микрокристалллическое, аморфное. Обращают внимание, однородное это вещество или нет. Записывают его окраску. К числу окрашенных относятся хиноны, некоторые a-дикетоны, азо-, нитрозо-, нитропроизводные, некоторые полигалогенопроизводные, соединения с большим числом сопряженных связей. Отмечают, сохраняется ли окраска при перекристаллизации и перегонке, т.е. присуща она веществу или обусловлена примесями. У кристаллических веществ определяют температуру плавления, у жидких – температуру кипения.

Записывают константы вещества, цвет и запах чистого вещества. Многие органические соединения обладают специфическим запахом, по которому при навыке можно определить, к какому классу они относятся (эфиры, фенолы, нитросоединения, амины и др.).

Прокаливание – см. раздел 1.1.

Определение растворимости. Растворимость вещества в различных растворителях помогает сделать заключение о наличии в веществе тех или иных функциональных групп. Кроме того, определение растворимости позволяет подобрать подходящий растворитель для перекристаллизации вещества (подобное растворяется в подобном). Растворимость целесообразно исследовать в следующих растворителях: вода; 5%-ные растворы едкого натра, гидрокарбоната натрия, соляной кислоты; концентрированная серная кислота; этиловый спирт; бензол; петролейный эфир; уксусная кислота. В пробирку вносят одну каплю жидкого или 0,01 г твердого соединения и по каплям 0,2 см³ растворителя. После каждой прибавленной порции растворителя пробирку взбалтывают. Если соединение полностью растворимо, то его регистрируют как растворимое. Если вещество плохо растворяется или не растворяется при комнатной температуре, нагревают до кипения. В случае плохой растворимости в неорганических растворителях нерастворившееся вещество отделяют, а раствор нейтрализуют и наблюдают, не выделяется ли из него исходное соединение. Помутнение нейтрализуемого фильтрата указывает на свойства вещества: кислые – если растворителем была щелочь или сода, основные – кислый растворитель. При внесении вещества в раствор гидрокарбоната нужно обратить внимание, не выделяется ли диоксид углерода.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Стандарт предприятия СТП 15-06-2004. Дата введения 2005-01-01

2. Практикум по органической химии: учебное пособие для вузов. / под ред. О. Ф. Гинзбурга и А. А. Петрова. – М.: Высшая школа, 1989. – 317 с.

3. Щербина А. Э. Органическая химия. Лабораторный практикум по органическому синтезу / А. Э. Щербина, Л. Г. Матусевич, И. В. Сенько – Минск: БГТУ, 2006. – 415 с.

4. Роганов Г. Н., Баранов О. М., Методические указания к лабораторным работам по теме «Методы очистки и определение физических констант органических соединений» по курсу органической химии для студентов технологических специальностей. – Могилев: УО «МГУП», 2011 –27 с.

5. Практикум по органической химии. Синтез и идентификация органических соединений. Под ред. проф. О. Ф. Гинзбурга и чл.-кор. АН СССР А. А. Петрова. – М.: Высшая школа, 1989. – 318 с.

6. Грандберг И. И. Практические работы и семинарские занятия по органической химии. М.: Высшая школа, 1973. – 239 с.

 

КАЧЕСТВЕННО – ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ