Тема: хімічний зв’язок. Кислотно-основні властивості органічних сполук. Методи очистки і виділення органічних сполук.

Актуальність теми: Атоми в молекулах органічних сполуках з’єднані між собою певним зв’язком. Природа зв’язку впливає на властивості сполук, їх фармакологічну дію. Вміти розпізнавати типи зв’язків, їх природу дає можливість визначати хімічні властивості сполук. Органічні речовини зустрічаються в природі не в чистому вигляді, а у вигляді різних сумішей. При синтезі органічних сполук для їх вивчення необхідно вміти їх виділити і очистити відомими фізичними та хімічними методами.

 

Навчальні цілі:

Знати:

- природу хімічних зв’язків;

- електронодонорні й електроноакцепторні замісники;

- індуктивний і мезомерний ефекти;

- види спряжених систем.

- хімічний посуд, його призначення;

- суть і переваги кожного методу очистки;

- сучасні найновіші інструментальні методи дослідження будови органічних сполук.

Вміти:

- визначати в органічних сполуках типи хімічних зв’язків та їх направленість;

- визначати види гібридизації орбіталей;

- визначати кислотність та основність органічних сполук.

- скласти прилад для певного виду очистки;

- перевірити його герметичність;

- надати першу медичну допомогу.

Самостійна позааудиторна робота

1. Вивчити теоретичний матеріал і вміти дати відповіді на контрольні питання теми.

2. Написати формули відомих органічних сполук, що використовуються в медицині, фармації.

3. Повторити типи хімічного зв’язку в неорганічних сполуках.

4. Хімічна природа одинарного, подвійного і потрійного зв’язків.

5. Навести приклади електронних ефектів в органічних сполуках.

6. Обчислити w(С) в глюкозі та ацетатній кислоті.

7. Знайти формулу алкану, густина за воднем якого дорівнює 22.

8. Записати електронні конфігурації елементів: С, О, N, Cl, S. Вказати скільки валентних електронів містить кожний з цих елементів.

9. Пояснити чому Карбон в органічних сполуках має валентність рівну чотирьом.

10. Написати рівняння реакцій добування метану з карбон (IV) оксиду; сажі; хлороформу.

11. Вивчити теоретичний матеріал і вміти дати відповіді на контрольні питання теми.

12. Повторити відомі методи очистки речовин з неорганічної та аналітичної хімії.

13. Відмінність методів очистки органічних і неорганічних речовин.

14. Механічні суміші і хімічні сполуки.

15. Будова і принцип роботи з ділильною лійкою.

16. Основні складові приладу для перегонки рідин.

17. Метод фракційної перегонки.

18. Перегонка з водяною парою.

19. Види хроматографії. Колоночна і паперова хроматографія.

10. Оформити протокол (перші три графи, згідно поданої схеми; в передмові).

Контрольні питання

1. Типи хімічних зв’язків в органічних сполуках: йонний, ковалентний (полярний, неполярний), семиполярний, водневий, донорно-акцепторний.

2. Види гібридизації атомних орбіталей Карбону, Нітрогену, Оксигену. Ковалентні σ і π-зв’язки та їх характеристика з позиції методу МО ЛКАО; зв’язуючі та розпушуючі МО.

3. Електронна будова подвійних та потрійних С–С зв’язків та їхня характеристика (довжина, енергія, полярність, поляризованість, просторова напрямленість).

4. Індуктивний ефект. Електронодонорні та електроноакцепторні замісники.

5. Спряжені системи з відкритим та замкненим ланцюгами. Види спряження: π–π; р–π; δ–π. Мезомерний ефект. Метод валентних схем (ВС) як якісний засіб опису делокалізації електронів.

6. Кислотні властивості органічних сполук.

7. Основність органічних сполук.

8. Кислоти і основи за теорією Бренстеда.

9. Електронна теорія кислот і основ Льюїса.

10. Типи органічних кислот і основ.

11. Метод перегонки, його суть і значення.

12. Складання приладів та перевірка їх на герметичність.

13. Метод екстрагування. Органічні розчинники.

14. Метод хроматографії, його види.

15. Паперова хроматографія.

16. Метод возгонки (сублімації).

17. Фізичні константи органічних речовин, їх табличні дані.

18. Метод перекристалізації.

19. Перевірка чистоти виділених речовин, їх ідентичність.

20. Метод поляриметрії та його використання в фармацевтичному аналізі.

Самостійна аудиторна робота

 

1. Виготовити кулестержневі моделі молекул: а) метану і етену; б) етіну і бензолу; в) метилбензолу і амінобензолу; г) бутадієну- 1,3 і етанолу; д) ацетаної кислоти і фенолу; є) формальдегіду і хлороформу.

2. Написати тестовий контроль або самостійне індивідуальне завдання.

3. Визначити тип хімічного зв’язку, вид гібридизації в молекулах калій ацетату, пропані, бутені-1, етені, метилхлориді.

4. Виготовленні моделі молекул, зарисувати в протоколі.

5. Оформити протокол і його захистити у викладача.

6. Дати визначення поняттям полярність і поляризованість. Записати наведені сполуки у вигляді структур Льюїса, позначивши неподілені пари електронів: Br₂; C₂H₆; C₂H₂; C₃H₆; CH₂O.

7. Робота з хімічними довідниками та ДФУ 2001р.

8. Виконати лабораторні досліди вказані в методичній вказівці.

9. Записати спостереження і висновки в протокол.

10. Оформити протокол, у якому зарисувати: прилад перегонки, хроматографії та ділильну лійку.

11. Написати тестовий контроль або самостійне індивідуальне завдання.

12. Захистити протокол у викладача.

13. Скласти рівняння реакцій за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: Метан → Х→бензол. Назвати речовину Х. Зазначити умови перебігу реакцій.

14. З етіну, об'ємом 3,36 л (н.у.) добули 2,5 см³ бензолу. Визначити вихід продукту. Густина бензолу дорівнює 0,88 г/см³.

15. Обчислити масу 1 л метану та його густину за повітрям і киснем.

16. Навести приклади гомологів та ізомерів органічних сполук. Пояснити чим вони відрізняються.

 

 

Теоретична частина

Реакційна здатність органічних сполук залежить від природи молекул, їх електронної структури, природи хімічного зв’язку. Найбільш поширеним типом хімічного зв'язку в органічних сполуках є ковалентний зв'язок, який виникає між атомами рівними або близькими за електронегативністю. Якщо електронегативність однакова і спільна електронна пара розташовується симетрично до центрів обох атомів, то такий зв'язок називається ковалентним неполярним. Якщо електронегативність різна і електронна пара зміщується в сторону більш електронегативного атома, то такий зв'язок називається ковалентним полярним.

Число спільних електронних пар позначають: якщо одинарний простий зв'язок однією рискою, подвійний – двома, потрійний – трьома. Коли атоми різко відрізняються своєю електронегативністю то між ними виникає йонний зв'язок (зв'язок за рахунок електростатичного притягання між протилежно зарядженими йонами). Сполуки з даним зв'язком добре розчиняється в полярних розчинниках, дисоціюють, проводять електричний струм мають високі температури плавлення тощо. Різновидністю ковалентного полярного зв'язку є донорно-акцепторний зв'язок, який виникає за рахунок двох електронів, які надає атом (донор) і приймає атом, що має вільну орбіталь (акцептор). Різновидністю даного зв'язку є семиполярний. Він утворюється між атомом, що має вільну пару електронів (донором) і електронейтральною частиною, що містить секстет електронів (акцептор). Ці два атоми зв'язані двояко як ковалентним так і йонним зв'язками. Досить поширеним в органічних сполуках водневий зв'язок, який утворюється за рахунок атома Гідрогену і сильно електронегативного атома (О, F, Cl, N). Водневий зв'язок розрізняють внутрішньомолекулярний і міжмолекулярний. Він сильно впливає на хімічні та фізичні властивості речовин, конфігурацію молекул, швидкість реакцій, біохімчні процеси в організмі.

Кислотність та основність органічних сполук пояснюють дві теорії: протонна Бренстеда і електронна Льюїса. За Бренстедом кислоти це речовини, які віддають протон, а основи навпаки приймають його. Мірою сили кислот є константа кислотності, а основ константа основності. Сила кислот залежить від електронегативності атома і його поляризованості. На кислотність впливають замісники, які введені в радикал. Електронодонорні знижують кислотність, а електроноакцепторні підвищують. Сильніший вплив проявляють замісники, які ближче знаходяться до даних атомів. Органічні основи поділяються на амонієві, оксонієві і сульфонієві. Сила основ залежить від тих факторів, що і кислот. За теорією Льюєса будь-яка частинка, яка віддає пару електронів на утворення ковалентного зв'язку називається кислотою, а яка приймає основою. Основа є донором, кислота-акцептором. Кислоти Льюїса поділяються на жорсткі і м'які. Такий же поділ мають і основи.

Перш ніж розпочати вивчення будови органічної сполуки необхідно її виділити з реакційної суміші або природних джерел в чистому вигляді. Для виділення і очистки використовують такі основні методи:

а) перекристалізації;

б) перегонки;

в) екстракції;

г) хроматографії та інші відомі методи.

Трудність очищення полягає в тому, що органічні речовини нестійкі до нагрівання, легко звітрюються, тому підбір методу очищення потребує великої уваги і вміння. Для очищення суміші рідин в лабораторних умовах часто використовують метод перегонки. Якщо складові суміші різко відрізняються температурами кипіння то застосовують звичайну перегонку, яку проводять в перегінному апараті. Апарат складається з колби Вюрца, холодильника Лібіха, алонжа і приймачів. Окремі фракції збирають в приймачі слідкуючи за сталою температурою кипіння. Якщо близькі температури кипіння то використовують фракційну перегонку, а коли дуже леткі то перегонку з водяною парою.

Метод сублімації (возгонки) використовують для речовин, які при нагріванні, минаючи рідкий стан переходять в пароподібний (нафталін, саліцилова, бензойна кислоти і ін.).

Метод екстрагування застосовують, коли складові частинки суміші розчиняються в різних розчинниках, які не змішуються між собою (вода-ефір, вода-бензол і ін.). Екстрагування в лабораторії проводять в ділильних лійках, відокремлюючи окремі фракції, а потім розчинник випаровують або відганяють.

Останнім часом в лабораторну практику широко впроваджений метод хроматографії, особливо паперова. Суть даного методу описана в даній лабораторній роботі.

Після одержання речовин в хімічночистому вигляді, встановлюють їх будову.

 

Практична робота

Очищення та виділення органічних речовин.

Дослід 1. Метод возгонки (сублімації).

На дно хімічного стакану насипати забрудненої бензойної або саліцилової кислоти і помістити в нього кілька сухих гілочок або соломинок. Стакан накрити зверху колбою, заповненою до половини холодною водою. Нагрівати вміст стакану на слабкому вогні, не доводячи до плавлення.

Що спостерігається?

Яка форма кристалів? Зарисувати їх в протоколах.

Які речовини можна очищати даним методом?

 

Прилад для сублімації.

Дослід 2. Метод перегонки.

В колбу Вюрца (до половини) налити забрудненого етанолу і вкинути 2-3 скляних капіляри. Колбу закрити корком з термометром, ртутний стовпчик якого повинен знаходитися на 0,5 см нижче рівня відвідної трубки колби. Колбу з'єднати з водяним холодильником і підставити приймач для конденсату. Підключивши воду до холодильника, нагрівати колбу на водяній бані. За термометром визначити температуру кипіння спирту, який відганяється від різних домішок. Перегонку проводити до різкої зміни температури на 5-10⁰С.

Чому температура залишається сталою?

Для чого в колбі скляні капіляри?

Коли не можна використовувати даний метод очистки?

 

Прилад для перегонки.

Дослід 3. Метод перекристалізації.

У пробірку внести 0,5 г забрудненої саліцилової або бензойної кислоти і долити 5-6 см³ води. Суміш нагріти до повного розчинення. Гарячий концентрований розчин відфільтрувати через складчастий фільтр. Фільтрат розділити на дві пробірки. Одну пробірку швидко охолодити під струменем холодної води. Другу залишити для повільного охолодження і кристалізації. Одержані кристали відфільтрувати і здати лаборанту.

На чому оснований метод кристалізації?

Яка різниця у формі кристалів в обох пробірках?

 

Дослід 4. Метод паперової хроматографії.

На стрічку фільтрувального паперу, просоченого розчинником хлороформ – ацетон (90: 10) на відстані 2 см від нижнього краю, олівцем провести лінію старту через 10 см провести лінію фінішу. На лінію старту через рівні інтервали (1-1,5 см) нанести по 2 краплі стандартного і досліджуваного хлороформних розчинів саліцилової кислоти, амідопірину і антипірину. Папір висушити на повітрі і помістити в хімічний стакан місткістю 100 см³, в якому міститься 12% - розчин гліцерину. Стрічку паперу закріпити в верхній частині стакану так, щоб край паперу з нанесеними на неї краплями розчинів був занурений в рухомий розчинник приблизно на 0,8 – 1 см. Стакан накрити скляною пластинкою. При досягненні фронту лінії фінішу (час утворення хроматограми близько 15 хвилин) пластинку вийняти із стакану підсушити і обробити з розпилювача 3-5% розчином ферум (ІІІ) хлоридом. Спостерігати появу плям: фіолетовий колір – саліцилова кислота, бурого – амідопірин, рожевого – антипірин.

Які переваги даного методу над іншими?

Які ще види хроматографії відомі?

Дослід 5. Метод екстрагування.

У пробірку помістити 0,3 г натрій бензоату і долити 5 см³ води. Добре перемішати до повного розчинення кристалів. Після цього долити конц. НСІ. Що спостерігається? Охолодити пробірку і долити до неї 5 мл ефіру, щільно закрити, добре стряхнути і вміст пробірки перелити у ділильну лійку. Після відстоювання і розділення шарів відкрити нижній кран ділильної лійки і корок, яким закрита лійка та обережно, не розливаючи, розділити суміш на окремі фракції в окремі посудини.

Коли використовують даний метод?

На чому оснований метод екстрагування?

Яке значення він має у фармацевтичному аналізі?

Ділильна лійка (метод екстрагування)

 

ЛІТЕРАТУРА

Основна:

1. Черних В.П., Зименковський Б.С., Гриценко І.С. Органічна хімія в 3-х кн.- Харків, 1993.

2. Н.А. Тюкавкина, Ю.И. Бауков. Биоорганическая химия. – Москва, -"Медицина", 1991.

3. Посібник до лабораторних та семінарських занять з органічної хімії. – Харків, 1991.

4. Конспект лекцій.

5. Українська Державна Фармакопея. К., 2001.

6. Ахметов Н.С. Общая неорганическая химия; Учебное пособие для студентов хим.-тех. спец. Вузов., М.: Высш. шк., 1988г.

Додаткова:

7. А.В. Домбровський, В.М. Найдан. Органічна хімія.- К.: Вища школа, 1992.

8. О.В. Стеценко, Р.П. Виноградова. Біоорганічна хімія. Навчальний посібник.-К.: Вища школа, 1992.

9. Б.Н. Степаненко. Курс органической химии.-К., 1989.

10. В.М. Найдан. Органічна хімія. Малий лабораторний практикум.-К., 1994.

11. М.Н. Стромберг. Курс физической химии.-М.: Высш. шк, 1993.

12. Нейланд О.Я. Органическая химия. М.:Высшая школа, 1990.

 

Методичні вказівки для студентів до практичних занять.

ЗАНЯТТЯ №3