Úvod do organickej chémie prednášky.

Transcript

1 Úvod do organickej chémie prednášky. Predmet organickej chémie. Vlastnosti organických látok. Izolácia organických látok. Reakcie organických látok. Klasifikácia organických zlúčenín. Charakterizácia vybraných skupín organických látok ich využitie a vzťah k ŽP. ŽP a rizikové organické zlúčeniny.

2 Úvod do organickej chémie cvičenia. 1. Izolácia organických látok. Výpočty v extrakcii Názvoslovie v organickej chémii Priebežná písomná kontrola. 8. Vybrané reakcie organických zlúčenín Stechiometrické výpočty v organickej chémii Priebežná písomná kontrola. 13. Zápočet.

3 Úvod do organickej chémie - podmienky absolvovania predmetu a spôsob hodnotenia študentov. 25 % neúčasť riadne ospravedlnená, 2 priebežné kontroly: max. 15 b/kontrola min. 8 b + 1 opravný termín, 1 písomná kontrola neúspešná zápočtová kontrola úspešná minimum = 8 b, zápočet: max. 30 bodov min. 16 bodov skúška písomná: max. 70 b úspešné absolvovanie: max. 100 b min. 51 b.

4 ORGANICKÁ CHÉMIA. Samostatná disciplína v rámci chemických vied. Chémia - uhlíka, - uhľovodíkov a ich derivátov. Obrovské množstvo zlúčenín ( ) málo druhov prvkov. Teoretický základ špecializovaných disciplín (chémia liečiv, farbív, makromolekulová chémia...).

5 ÚLOHY ORGANICKEJ CHÉMIE. syntéza nových látok, skúmanie vzťahov medzi štruktúrou a reakčnými schopnosťami, identifikácia nepopísaných zlúčenín.

6 ZDROJE ORGANICKÝCH LÁTOK. Súčasné: rastliny, živočíchy, ostatné organizmy. Predhistorické: rašelina, uhlie, ropa, zemný asfalt, zemný plyn, zemné vosky. VYUŽITIE: ekonomické priemyselné, neekonomické spaľovanie.

7 VLASTNOSTI ORGANICKÝCH LÁTOK Stavebné prvky: C, H, O, N, S, P, X. organogénne Svetová produkcia organických látok = Mt rok -1 0,2 % z prirodzenej tvorby rastlín

8 ZÁKLADNÁ VLASTNOSŤ ORGANICKÝCH LÁTOK Organická látka HORÍ!!! čistá organická látka organická látka + kovové súčasti C CO 2 / CO H H 2 O O S SO 2 N NO x X - HX plynné oxidy, halogénvodíky tuhé oxidy popol

9 FYZIKÁLNE VLASTNOSTI ORGANICKÝCH LÁTOK. 1 Teplota topenia, varu, sublimácie cie. 2 Hustota. 3 Mólová hmotnosť. 4 Dipólov lový moment. 5 Index lomu. 6 Polarizovateľnos nosť molekúl, l, refrakcia. 7 Optická otáčavos avosť. 8 Spektrálne vlastnosti.

10 1 Teplota topenia. Rovnováha medzi tuhou a kvapalnou fázou. T top (s l) = T tuh (l s). Čisté látky ostrá T top. Nečistoty T top vždy znižuj ujú T top(zmes) = T top(čistá látka) látky sú identické. T top(zmes) < T top(čistá látka) látky sú rôzne. Meranie teploty topenia: sklenená kapilára (mg), vyhrievacie bloky (µg).

11 sklenená kapilára vysušená prášková vzorka teplomer 1. meranie = orientačné 15 C min -1 priehľadná tavenina teplotný interval. 2. meranie = presné 1 C min -1. ohrievací kúpeľ sledovanie topenia

12

13 osvetľovacie teleso nastavenie rýchlosti ohrevu vyhrievací blok lupa držiak vzorky krycie sklíčko teplomer

14 1 Teplota varu. Rovnováha medzi kvapalnou a plynnou fázou (parami). Závislá od tlaku. Nečistoty T V zvyšuj ujú aj znižuj ujú Menej presné kritérium čistoty. Meranie teploty varu: destilácia (väčšie objemy), stanovenie podľa Siwoloboffa (menšie objemy).

15 Stanovenie destiláciou. Jednoduchá destilácia väčších objemov kvapalín teplota varu = ustálenej hodnote teploty po predestilovaní kvapaliny.

16 Stanovenie podľa Siwoloboffa. Orientačné meranie únik bubliniek z kapiláry pravidelný prúd teplotný interval ochladenie prerušenie prúdu + nasatie kvapaliny do kapiláry presnejšie meranie.

17 2 Hustota. Hmotnosť látky v jednotkovom objeme: = ρ m V ρ = M V m / kg m 3, g cm 3 Meranie hustoty: Pyknometre (kvapaliny, tuhé látky). ρ t = m pyknometer + vzorka p+ v V t m p + 0,0012 pyknometer ρ vzduch / kg m -3 V t = 10 cm 3 t = 20 C

18 kalibrovaná stupnica hustomery (kvapaliny) menej presné ale rýchlejšie.

19 3 Mólová hmotnosť. Hmotnosť 1 mólu = M / g mol -1. Posúdenie identity 2 podobných látok. Stanovenie mólovej hmotnosti: Eudiometricky (prchavé látky). V m, p, T M

20 4 Dipólov lový moment. Vplyv nerovnomerného rozloženia elektrónovej hustoty na polárnych väzbách: µ = e. d dipólový moment náboj vzdialenosť ťažísk nábojov vektorová veličina A δ+ B δ- molekuly súčet µ = vektorový µ väzieb

21 Stanovenie dipólového momentu: presne stanovenie teplotného koeficientu dielektrickej konštanty látky v plynnom stave, približne meranie dielektrickej konštanty látky v nepolárnom rozpúšťadle. symetrické molekuly nulový diplólový moment!!! počet substituentov µ, symetria molekuly µ.

22 uhol dopadu 5 Index lomu (n). rýchlosť svetla v prostredí 1 (vákuum, resp. opt. redšie) sinα v1 n = = = sin β v 2 c v v 1 > v 2, c > v n > 1 uhol lomu rýchlosť svetla v prostredí 2 (opticky hustejšie) β α n 2 > n 1 lom svetla = refrakcia (disperzia)

23 Meranie indexu lomu: Abbého refraktometer (kvapaliny, tuhé látky) 1 = vzduch 2 = voda t n D závisí od teploty lúč = vlnová dĺžka (λ)( Na čiary hranol skúmaná látka

24 6 Polarizovateľnos nosť molekúl. l. vplyv vonkajšieho elektrického poľa na nepolárne alebo málo polárne látky posun ťažiska záporného aj kladného náboja indukovaný dipólový moment: µ = α. i E polarizovateľnosť = f(n) intenzita elektrického poľa

25 α 2 3 n πN A n + 2 M ρ = mólová polarizácia (P) polarizovateľnosť α. 4πN A = P 3 priehľadné a nepolárne látky n 2 = ε (priepustnosť) P = R M ε 1 P = RM =. ε + 2 M ρ mólová refrakcia (R M )

26 7 Optická otáčavos avosť. schopnosť opticky aktívnej látky l (v ) pozostávajúcej z chirálnych molekúl (asymetrický uhlík) otáčať rovinu lineárne polarizovaného svetla do prava pravotočivé (+) uhol otočenia (α):( α = do ľava ľavotočivé (-) [ ] t α d. cm hrúbka vrstvy špecifická otáčavosť (konštanta) α = [α] d = 10 cm, c m = 1 g cm -3 vlnová dĺžka svetla (najčastejšie Na čiary) λ. teplota hmot. konc. látky v / g cm -3

27 Meranie optickej otáčavosti: polarimetre. c m

28

29 IZOLÁCIA ORGANICKÝCH LÁTOK. Organické reakcie pomalé,, dlhý reakčnýčas as zmes produktov izolácia: žiadanej zložky nežiadúcich prímesí na základe rozdielnych fyzikálno-chemických vlastností

30 1 Kryštaliz talizácia. METÓDY IZOLÁCIE ORGANICKÝCH LÁTOK. 2 Filtrácia. 3 Destilácia. 4 Extrakcia. 5 Chromatografia. klasické metódy, izolácia, čistenie deliace metódy prístrojová metóda

31 1 Kryštaliz talizácia. Delenie na základe rozdielnej rozpustnosti tuhých látok l v rozpúš úšťadle pri rôznych r teplotách, resp. rozdielnej kryštaliza talizačnej schopnosti (kryštaliz talizácia pri rôznych r teplotách). Výhody: možnosť pracovať pri nízkych teplotách, ľubovoľné množstvo látky (µg t), opakovaná kryštaliz talizácia vysokočist isté látky, izolácia izomérov.

32 Postup: 1) Rozpustenie látky vo vhodnom rozpúšťadle. (dobre rozpustná za horúca, málo za studena!) 2) Postupné ochladzovanie roztoku kryštalizácia. 3) Filtrácia. (prednostne kryštalizuje zložka s vyšš ššou kryštaliza talizačnou schopnosťou ou, resp. nižšou rozpustnosťou ou)!!! Podobné sa rozpúšťa v podobnom!!!

33 filtrácia, sušenie

34 2 Filtrácia. Separácia tuhej fázy od kvapalnej, príp. kvapalnej od kvapalnej na základe rozdielnej veľkosti častíc, prostredníctvom filtrov s definovanou veľkosťou pórov. 2a) Filtrácia za atmosferického tlaku hydrostatickým tlakom filtrovanej zmesi. Filtračné lieviky: hladké, rebrovité. Filtračný materiál: papierový, vláknitý.

35 2b) Filtrácia za zníženého tlaku. Filtračné lieviky: sklo, porcelán, umiestnené v odsávacej nádobe napojenej na vývevu. Filtračný materiál: Filtračný materiál: papierový, membreánový.

36 2c) Filtrácia za horúca pre filtráciu z rozpúšťadiel, ktoré za normálnych pracovných podmienok kryštalizujú. Vyhrievanie pred filtráciou parami rozpúšťadla: preliatie filtra horúcim rozpúšťadlom, vyhrievané lieviky, frity. vyhrievané frity

37 3 Destilácia. Separácia na základe rozdielnych teplôt t varu, resp. prchavosti. 3a) Jednoduchá destilácia odobratie celého destilátu po jeho skondenzovaní v chladiči (! Rozdiel T v > 150 C!). Za normálneho tlaku atmosferická: teplomer (4) chladič (5) destilačná banka (2) nádoba na zachytávanie destilátu (8) vyhrievacie teleso (13) + sledovanie teploty

38

39

40 Za znížen eného tlaku (vákuová)( = nižší tlak nižšia teplota varu: látka je menej tepelne namáhaná, odstránenie pár, eliminácia úniku pár do okolia. Pre tepelne nestále látky, rozkladajúce sa pri vysokých teplotách, oxidovateľné pri normálnom tlaku (vitamíny). odsávanie výveva

41 Destilácia s vodnou parou pre látky nemiešateľné a nereagujúce s vodou, prchajúce s vodnou parou. T v (zmesi) < T v (H 2 O). poistná trubica vyvíjač vodnej pary destilačná banka destilát

42 3b) Frakčná destilácia: rozdiel T v < 100 C, prerušovaný diskontinuálny proces oddelenie frakcií podľa rastúcej T v v časovej postupnosti: časovo náročná. T v, prchavosť

43 3b) Rektifikácia mnohonásobná frakčná destilácia. frakčná destilácia v jednej kolóne s viacerými výstupmi frakcie, menej časovo náročná, menej prchavá látka viac prchavá látka vyparovanie = destilát (pary) kondenzácia = kondenzát návrat do destilačnej časti (reflux) vyparovanie... neustály kontakt medzi plynnou a kvapalnou fázou, teplo uvoľnen nené pri kondenzácii (exotermický proces) sa spotrebuje na vyparenie (endotermický proces).

44 Účinnosť kolóny vyjadruje výškový ekvivalent teoretickej priehradky (VETP): VETP = L n dĺžka kolóny počet priehradiek VETP účinnosť L a n VETP

45 Frakčná destilácia spracovanie ropy: 1. atmosferická prchavosť T V 2. vákuová

46 Rektifikačné kolóny ropnej rafinérie

47 Princíp deliacich metód. Distribúcia (delenie) zložiek medzi 2 fázyf na základe z povahy síl, s ktoré delenie spôsobujú. Ak je rovnováha medzi fázami f posunutá tak, že e sa určit itá zložka vyskytuje len v jednej fáze f oddelenie zo zmesi.

48 Klasifikácia deliacich metód. Klasifikácia podľa povahy síl (princípu delenia): rozdeľovacie ovacie koeficienty (extrakcia), rozdielna afinita k fázam (chromatografia). Klasifikácia podľa fáz medzi, ktoré sa zložky delia: 2 rovnaké fázy (nemiešateľné kvapaliny extrakcia, chromatog.), 2 rôzne fázy (g l, g s / chromatografia, l s / aj extrakcia).

49 4 Extrakcia. Delenie na základe rozdielnej rozpustnosti tuhých zložiek v kvapaline extrakcia v systéme s l: a) diskontinuálna kontinuálna s l za studena - macerácia za tepla - digescia l s Delenie na základe rozdielnej afinity zložiek k dvom navzájom nemiešateľným kvapalným fázam extrakcia v systéme l l, b) organická, vodná kvapalinová extrakcia.

50 4a) Extrakcia z tuhej fázy (s l). Soxhletov extraktor.

51 Extrakcia z tuhej fázy - príklady.

52 Extrakcia na tuhú fázu (SPE = solid phase extraction,, l s) l s). extrakcia z kvapaliny na tuhú fázu, adsorbčné sily, súčasti kvapaliny (roztoku) sa sorbujú na tuhú fázu (polárnu, nepolárnu).

53 4b) Kvapalinová extrakcia. vytrepávanie, protiprúdne roztrepávanie, kontinuálna extrakcia perforácia. Delenie na základe rozdielnych hodnôt - - deliaceho koeficientu (K), resp. deliaceho pomeru (D). rozdeľovacia rovnováha Z vodnej do organickej fázy prechádzajú len elektroneutrálne zložky.

54 Nernstov rozdeľovací zákon: Deliaci koeficient: K A = a a ( A) org ( A) vod T, ph = konšt. Deliaci pomer: D A = c c ( A) org ( A) vod Separačný faktor: = D A α >> DB >> 1 rozdelenie 2 zložiek

55 E = 1+ r. D ( A) r. D ( A).100 výťažnosť extrakcie / % V org r = V V org voda pomer objemov fáz V voda

56 Kvapalinová extrakcia - príklady.

57 Využitie extrakčných metód. oddeľovanie zložiek zo zmesi a ich nabohacovanie, čistenie látok od prímesí, využíva väčšie množstvo látky ako chromatografia.

58 5 Chromatografia. deliaca (koncentračne ne separačná) metóda, delenie medzi nepohyblivou (stacionárnou) a pohyblivou (mobilnou) fázou, stacionárna fáza f tuhá,, kvapalná (zakotvená na tuhom nosiči), i), mobilná fáza kvapalná,, plynná.

59 Rýchlosť pohybu zložky chromatografickým médiom = f(veľkosti afinitnej sily k jednotlivým m fázam, f resp. distribučnej konštanty) vysoká afinita k mobilnej fáze f vysoká rýchlosť (A), vysoká afinita k stacionárnej fáze f nízka rýchlosr chlosť (B).

60 Klasifikácia chromatografických metód. plynová chromatografia (sústava g l, g s):

61 mobilná fáza kvapalinová chromatografia (sústava l l, l s):

62 Klasifikácia chromatografických metód. adsorpčná chromatografia: (povaha síl = rozdielna adsorpčná afinita stacionárnej fázy k molekulám zložiek, sústava l s, g s). rozdeľovacia chromatografia: (povaha síl rovnaká ako pri extrakcii, sústava l l). gélová chromatografia: (distribúcia zložiek na základe veľkosti molekúl, s = jemnozrnný pórovitý materiál / zosieťovaný org. kopolymér). iónovýmenná chromatografia: (distribúcia zložiek iónovej povahy medzi fázy pôsobením elektrostatických síl, sústava l s).

63 Klasifikácia chromatografických metód. kolónová chromatografia (stacionárna fáza v tvare stĺpca). plošná chromatografia: na tenkej vrstve papierová (identifikácia + separácia) 1 mobilná fáza 2 papier stacionárna fáza 3 separovaná zmes (kvapalín alebo roztok) 4 štandardy 5 čelo rozpúšťadla 6 štart

64 Chromatografia na tenkej vrstve: Mobilná fáza l = roztok obsahujúci separované zložky. Stacionárna fáza s = tenká vrstva adsorpčného materiálu zakotvená na inertnom nosiči.

65 Využitie chromatografických metód. čistenie látok od prímesí, delenie zmesi látok na jednotlivé zložky, oddelenie zložiek zo zmesi, identifikácia a stanovenie koncentrácie zložiek zmesi.

66