ΓΕΩΠΟΝΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΓΕΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Πρακτικά και Θεωρητικά Θέµατα Γενικής Χηµείας Εργαστηριακές Ασκήσεις Βιολέττα Κωνσταντίνου Καθηγήτρια Οργανικής Χηµείας Ηλίας Κουλαδούρος Καθηγητής Οργανικής Χηµείας Αθήνα 999
. ΜΕΣΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΨΥΞΗΣ Το πιο απλό µέσο θέρµανσης είναι ο λύχνος Bünsen. Επειδή όµως ο κίνδυνος φωτιάς από τη γυµνή φλόγα είναι µεγάλος, χρησιµοποιείται µόνο για τη θέρµανση υδατικών ή πολύ υψηλού σηµείου ζέσεως διαλυµάτων. Για τη θέρµανση εύφλεκτων ουσιών και ανάλογα µε την θερµοκρασία που θέλουµε να πετύχουµε, θερµαίνουµε οµοιόµορφα µε την βοήθεια λουτρών, όπως: υδατόλουτρο, ελαιόλουτρο, αµµόλουτρο, λουτρά τηγµένου µετάλλου. Για θέρµανση πάνω από 00 C και µέχρι 300 C συχνά χρησιµοποιούνται οι θερµοµανδύες, όπου η φιάλη µε το υγρό που θερµαίνεται περιβάλλεται από το µανδύα και η θέρµανση γίνεται ηλεκτρικά. Μειονεκτεί όµως αυτός ο τρόπος θέρµανσης, γιατί δεν ελέγχεται ακριβώς η θερµοκρασία και οι εύφλεκτες ουσίες µπορεί να αναφλεγούν στην επιφάνεια του µανδύα. Η ψύξη γίνεται µε πάγο και Η 2 Ο, όταν θέλουµε να επιτύχουµε θερµοκρασία 0 C, ή µε πάγο και αλάτι για θερµοκρασίες γύρω στους 0 C. Για να επιτύχουµε χαµηλότερες θερµοκρασίες χρησιµοποιούµε π.χ. µίγµα ξηρού πάγου (στερεό CO 2 ) ακετόνης (-78 C).. ΙΗΘΗΣΗ Τη διήθηση χρησιµοποιούµε όταν θέλουµε να διαχωρίσουµε µια στερεή ουσία από µια υγρή. Αν µας ενδιαφέρει το διήθηµα και όχι το στερεό, χρησιµοποιούµε ένα γυάλινο χωνί. Αν θέλουµε το στερεό, χρησιµοποιούµε το χωνί Büchner µε κενό υδραντλίας. Στη διήθηση µε γυάλινο χωνί χρησιµοποιείται χαρτί σε σχήµα κώνου για την κατακράτηση του στερεού, ενώ το υγρό λόγω της βαρύτητας περνά. Για πιο γρήγορη διήθηση χρησιµοποιείται ο λεγόµενος πτυχωτός ηθµός, όπου η αυξηµένη επιφάνεια του χαρτιού και ο αέρας µεταξύ χαρτιού - γυαλιού διευκολύνουν τη διαδροµή του υγρού (Σχ. ). Σχήµα Στη διήθηση µε κενό (Σχ. 2) το χαρτί για τη συλλογή του στερεού πρέπει να εφάπτεται ακριβώς στο χωνί Büchner, γιατί αλλιώς το στερεό περνά στο διήθηµα. Mεταξύ υδραντλίας και δοχείου συλλογής του διηθήµατος παρεµβάλλεται πάντοτε µια 4
φιάλη ασφαλείας (παγίδα), ώστε να αποφεύγεται αναρρόφηση του νερού (δηλ να µη περνά νερό από τη βρύση στο διήθηµα). Αναρρόφηση συµβαίνει εύκολα, π.χ. α) όταν η παροχή του νερού της βρύσης µεταβληθεί, β) όταν ο ηθµός φράξει από την ουσία µας, γ) όταν κλείσουµε τη βρύση πριν αποσυνδέσουµε τη φιάλη διήθησης από το κενό. Σχήµα 2 3. ΕΚΧΥΛΙΣΗ Η εκχύλιση χρησιµοποιείται για την αποµόνωση και διαχωρισµό µιας ουσίας από ένα διάλυµα ή στερεό µίγµα. Αυτό γίνεται µε την βοήθεια ενός διαλύτη (εκχυλιστής) πού διαλύει την ουσία και δεν διαλύει τα άλλα συστατικά. 3. Εκχύλιση υγρού ή στερεού σώµατος διαλυµένου σε υγρό από ένα άλλο υγρό Αν σ ένα υγρό ή στερεό σώµα που είναι διαλυµένο σ ένα διαλύτη Α προσθέσουµε ένα (µη µιγνυόµενο µε τον Α) διαλύτη Β, τότε το σώµα κατανέµεται µεταξύ των δύο διαλυτών, µε ορισµένη πάντα αναλογία, η οποία εκφράζεται από τον συντελεστή κατανοµής Κ D της ουσίας. Συνήθως ο ένας διαλύτης είναι το νερό (υδατική φάση) και ο άλλος κάποιος οργανικός διαλύτης (οργανική φάση). Ο συντελεστής κατανοµής Κ D εξαρτάται από τη θερµοκρασία. Ορίζουµε ως συντελεστή κατανοµής Κ D ενός σώµατος, σε ορισµένη θερµοκρασία, το πηλίκο της συγκέντρωσης του σώµατος στο διαλύτη Β (εκχυλιστής) προς την συγκέντρωση της ουσίας στον διαλύτη Α. D = [ ουσία στον εκχυλιστή διαλύτη Β] [ ουσία στο διαλύτη Α ] 3.. Τεχνική της εκχύλισης Η εκχύλιση γίνεται µε την βοήθεια της εκχυλιστικής χοάνης. Τοποθετούµε το διάλυµα της ουσίας που θα εκχυλίσουµε µαζί µε το κατάλληλο εκχυλιστικό υγρό µέσα 5
στη χοάνη, έτσι ώστε να πιάνουν το πολύ τα 3/4 του όγκου της και τα ανακατεύουµε ανακινώντας δυνατά. Συγχρόνως προσέχουµε να κρατάµε το καπάκι, γιατί η πίεση που αναπτύσσεται από την τάση ατµών των υγρών µε την ανάµειξη, µπορεί να το πετάξει και να προκαλέσει ατυχήµατα. Την ισορροπία των πιέσεων µέσα και έξω από την χοάνη πετυχαίνουµε µε το τακτικό άνοιγµα της στρόφιγγας, ενώ τη χοάνη την κρατάµε όπως στο σχήµα 3. Μετά την ανάµειξη περιµένουµε τις δυο φάσεις να ξεχωρίσουν και συγκεντρώνουµε χωριστά τα δυο υγρά µε την βοήθεια της στρόφιγγας. Πρέπει να διευκρινίσουµε τώρα, πότε µια εκχύλιση είναι αποτελεσµατικότερη. Όταν Σχήµα 3 κάνουµε πολλές εκχυλίσεις µε λίγο διαλύτη ή µε µια εκχύλιση µε όλο τον διαλύτη; Για να απαντήσουµε ας κάνουµε τις πιο κάτω υποθέσεις: Έστω ότι σε m υδατικού διαλύµατος περιέχονται W 0 gr διαλυµένης ουσίας και εκχυλίζουµε µε 2 m οργανικού διαλύτη. Αν W gr ουσίας µένουν στην υδατική φάση µετά την πρώτη εκχύλιση, δηλαδή η συγκέντρωση στο νερό είναι: W gr/ ml, τότε W0 W gr/ ml 2 είναι η συγκέντρωση της ουσίας στον οργανικό διαλύτη. Το W βρίσκεται µε την βοήθεια του Κ D της ουσίας W0 W 2 ( W0 W ) D = ή D = ή W = W0 () W 2W D2 Έστω W 2 το ποσό της ουσίας που παραµένει στην υδατική φάση µετά την δεύτερη εκχύλιση, τότε: W W2 D = 2 ή W2 = W W2 D2 (2) Αλλά λόγω της (), η (2) γράφεται: 6
W 2 2 = W0 D2 Όµοια µετά από n εκχυλίσεις, θα έχει µείνει στο νερό: W n n = W0 gr ουσίας (3) D2 Με την εκχύλιση θέλουµε το W n να γίνεται όσο µπορεί µικρότερο και επειδή W 0, D και σταθερά, πρέπει στον τύπο (3) να γίνει το 2 µικρό και το n µεγάλο. Με άλλα λόγια καλύτερα αποτελέσµατα έχουµε όταν κάνουµε πολλές εκχυλίσεις µε µικρή ποσότητα διαλύτη, παρά µε µια εκχύλιση µε όλο τον όγκο του διαλύτη. Μόνο όταν ο λόγος κατανοµής είναι πολύ µεγάλος είναι δυνατή η εκχύλιση της ουσίας ποσοτικά µε µία µόνο εκχύλιση. 3..2 Κριτήρια για την επιλογή του εκχυλιστικού υγρού Σε µια εκχύλιση ο εκχυλιστής διαλύτης πρέπει: ) Να µην αντιδρά µε την ουσία που εκχυλίζουµε. 2) Να διαλύει περισσότερο την επιθυµητή από τις άλλες που υπάρχουν µαζί της. 3) Να έχει πολύ διαφορετική πυκνότητα από το υγρό που είναι διαλυµένη η ουσία ώστε µετά το κούνηµα οι δύο στιβάδες να ξεχωρίζουν αµέσως. 4) Να έχει σχετικά χαµηλό σηµείο ζέσεως για να αποµονώνεται η ουσία εύκολα. 5) Να µην αναµιγνύεται µε το υγρό που είναι διαλυµένη η ουσία ή να σχηµατίζει µε αυτό γαλάκτωµα. 6) Να µην είναι τοξικός και εύφλεκτος. 3..3 Παράδειγµα Έστω ότι θέλουµε να ξεχωρίσουµε το C 6 H 5 COOH από την C 6 H 5 NH 2 που βρίσκονται και τα δυο διαλυµένα σε CH 2 Cl 2. Θα εκµεταλλευτούµε τις όξινες ιδιότητες του οξέος και τις βασικές της ανιλίνης, καθώς και την υδατοδιαλυτότητα του υδροχλωρικού άλατος της ανιλίνης και του βενζοϊκού νατρίου. Πειραµατική πορεία Μέσα σε εκχυλιστική χοάνη τοποθετούµε 25cm 3 CH 2 Cl 2 και προσθέτουµε 20cm 3 Η 2 O και 5 cm 3 ΝaOH N. Οι δύο φάσεις αναδεύονται καλά και αφού ισορροπήσουν, µε πεχαµετρικό χαρτί δοκιµάζεται αν η υδατική φάση είναι αλκαλική (αν δεν είναι προστίθεται κι άλλο ΝaOH). Τότε η µεν ανιλίνη παραµένει στο CH 2 Cl 2, ενώ το C 6 H 5 COΟH αντιδρά µε το NaOH και σαν C 6 H 5 COONa περνάει στο νερό. Ξεχωρίζουµε τις δυο φάσεις και τις κατεργαζόµαστε χωριστά. Στην υδατική φάση που περιέχει το βενζοϊκό νάτριο, προσθέτουµε ΗCl Ν ( 5cm 3 ) και ελέγχουµε µε πεχαµετρικό χαρτί να είναι όξινη. Τότε από το C 6 H 5 COΟΝa 7
παράγεται C 6 H 5 COΟH που είναι αδιάλυτο στο νερό και παραλαµβάνεται µε διήθηση σε Büchner. Την οργανική φάση του CH 2 Cl 2 µπορούµε να την κατεργαστούµε µε δύο τρόπους: α) Να διώξουµε µε απόσταξη το CH 2 Cl 2 (σ. ζέσεως 44 ) και να πάρουµε την ανιλίνη (σ. ζέσεως 84 ) ή β) Να προσθέσουµε στο CH 2 Cl 2 20 cm 3 + ( 5cm 3 ) ΗCl µέχρις ότου γίνει η υδατική στοιβάδα όξινη, οπότε η ανιλίνη σαν υδροχλωρικό πλέον αλάτι, περνά στο νερό. Ξεχωρίζουµε τις δυο φάσεις και στην υδατική προσθέτουµε ΝaΟΗ µέχρις ότου το ph γίνει αλκαλικό. Τότε απελευθερώνεται η C 6 H 5 NH 2 από το αλάτι της και σαν υγρή αδιάλυτη στο νερό φτιάχνει δεύτερη φάση. Παραλαµβάνεται η φάση της ανιλίνης. Ερωτήσεις ) Να γραφούν οι αντιδράσεις που γίνονται στο διαχωρισµό του C 6 H 5 COOH από την C 6 H 5 NH 2. 2) Ουσία Α διαλυµένη σε διαλύτη όγκου εκχυλίζεται µε διαλύτη όγκου 2. Πόσο % της Α εκχυλίστηκε στην πρώτη εκχύλιση; (Συν. κατανοµής της Α=Κ D. Σχήµα 4 Συσκευή εκχυλίσεως Soxhlet 3.2 Εκχύλιση στερεού µε υγρό Οταν θέλουµε να εκχυλίσουµε στερεό µε υγρό, χρησιµοποιούµε ειδικές συσκευές, όπως είναι η Soxhlet που επιτυγχάνει πολλές συνεχείς εκχυλίσεις µε µικρή ποσότητα διαλύτη. Στη συσκευή Soxhlet η ουσία που θέλουµε να εκχυλίσουµε µπαίνει στην κάψα α του σχήµατος 4, ενώ ο διαλύτης στην φιάλη Α. Η φιάλη Α θερµαίνεται και οι ατµοί του διαλύτη µέσα από τον σωλήνα Β, φτάνουν στον ψυκτήρα Γ. Εκεί υγροποιούνται και πέφτοντας µέσα στην κάψα α διαλύουν µια ποσότητα ουσίας που εκχυλίζεται. Όταν ο διαλύτης που υγροποιείται γεµίσει την κάψα α, µε σιφωνισµό ρέει πίσω στην φιάλη Α, παρασύροντας µαζί του την εκχυλισµένη ουσία. Ο διαλύτης στην φιάλη Α, ξαναεξατµίζεται ενώ η εκχυλισθείσα ουσία παραµένει. Έτσι ο διαλύτης ανακυκλώνεται, µέχρι να συγκεντρώσουµε την ζητούµενη ουσία στη φιάλη Α, ποσοτικά. 4. ΞΗΡΑΝΣΗ - ΞΗΡΑΝΤΙΚΑ ΜΕΣΑ Η ξήρανση είναι απαραίτητο στάδιο στην πορεία παρασκευής ή αποµόνωσης κάποιου προϊόντος. Όταν µιλάµε για ξήρανση διαλύµατος εννοούµε την αποµάκρυνση 8