Решение экспериментальных задач по органической химии

Ю.В.ГОЛУБКОВ,
доцент кафедры общей
и прикладной химии МГТУ «Станкин»,
Г.Н.ГОЛУБКОВА,
преподаватель химии
средней школы № 1352
(г. Москва)

Во многих экзаменационных билетах есть задания на распознавание веществ. Например: «В трех (четырех, пяти, шести) пробирках без этикеток находятся вещества А, В, С (D, E, F). Обнаружьте данные вещества».

Такие задания выполняют, как правило, с использованием так называемых качественных химических реакций.

Однако многие экспериментальные задачи могут быть решены без химических реакций, а только с использованием сведений о физических свойствах органических веществ. Поэтому в настоящей работе приведены физико-химические свойства наиболее известных органических веществ
. Использование этих данных, с одной стороны, позволяет решать экспериментальные задачи. С другой стороны, и это не менее важно, указанные константы демонстрируют правильность тезиса А.М.Бутлерова о том, что свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от строения. Для этого можно сравнить физико-химические свойства, например, цис- и трансизомеров октадецен-9-овой кислоты (олеиновой и элаидиновой кислот соответственно), бутандиолов-1,2, -1,3, -1,4, -2,3 и других изомеров.

Приведенные в табл. (табл. 1–4) данные о физико-химических свойствах органических веществ заимствованы из наиболее надежных справочных источников [1–7]. Значения показателей преломления приведены для желтой линии в спектре натрия [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]_D= 589,3 нм (линия D).

Отметим, что для измерения плотности необходимо иметь пикнометр; для измерения показателя преломления – рефрактометр. Однако можно обойтись даже без этих приборов, воспользовавшись данными о растворимости. Данные о растворимости органических веществ в воде, а также температурах кипения приведены, как правило, для комнатной температуры и атмосферного давления соответственно; в некоторых случаях в скобках указана конкретная температура и давление.

Приведены примеры использования только физических и физико-химических свойств органических веществ при решении экспериментальных задач по химии № 1 и 2. В задаче № 3 указанные свойства используются наряду с традиционными химическими методами анализа.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]


Рост числа органических соединений,
известных ученым, потрясает воображение


Экспериментальная задача № 1. Как различить находящиеся в трех пробирках без этикеток этиловый, н-бутиловый и тетрадециловый спирты, основываясь только на различии в их физических свойствах?

Решение

1. Обнаружение тетрадецилового спирта.

В отличие от этанола и бутанола-1 тетрадециловый спирт является твердым веществом.

2. Обнаружение этанола.

В оставшиеся две пробирки добавляем небольшое количество воды. Поскольку этанол неограниченно растворим в воде, после ее добавления мы получим раствор.

3. Обнаружение бутанола-1.

Поскольку бутанол-1 растворим в воде ограниченно, после добавления воды мы увидим в пробирке границу раздела между двумя слоями: верхним (спиртовым, содержащим небольшое количество растворенной воды) и нижним (водным, содержащим небольшое количество растворенного спирта).

Экспериментальная задача № 2. Как различить находящиеся в трех пробирках без этикеток уксусную, валериановую и стеариновую кислоты, основываясь только на различии в их физических свойствах?

Решение

Все указанные одноосновные карбоновые кислоты являются предельными, однако их можно идентифицировать, основываясь на различии в физических свойствах.

1. Обнаружение стеариновой кислоты CH₃(CH₂)₁₆COOH.

В отличие от уксусной и валериановой кислот стеариновая кислота является твердым веществом.

2. Обнаружение уксусной кислоты CH₃COOH.

В оставшиеся две пробирки добавляем небольшое количество воды. Поскольку уксусная кислота неограниченно растворима в воде, после ее добавления мы получим раствор.

3. Обнаружение валериановой кислоты CH₃–(CH₂)₃COOH.

Поскольку валериановая кислота растворима в воде ограниченно, после ее добавления мы увидим в пробирке границу раздела между двумя слоями: верхним (органическим, содержащим валериановую кислоту с небольшим количеством растворенной воды) и нижним (водным, содержащим небольшое количество растворенной карбоновой кислоты).

Экспериментальная задача № 3. В четырех пробирках без этикеток находятся муравьиная, уксусная, олеиновая и пальмитиновая кислоты. Используя различия в физическиx и химических свойствах, обнаружьте каждую из предложенных карбоновых кислот.

Решение

1. Обнаружение пальмитиновой кислоты CH₃–(CH₂)₁₄COOH.

Из приведенных в табл. 3 данных следует, что в отличие от остальных предложенных в экспериментальной задаче карбоновых кислот пальмитиновая кислота при обычных условиях является твердым веществом.

2. Обнаружение олеиновой кислоты цис-CH₃–(CH₂)₇–CH=CH–(CH₂)₇–COOH.

Для обнаружения олеиновой кислоты используем различия как в физических (2.1), так и в химических (2.2) свойствах.

2.1. В отличие от трех оставшихся карбоновых кислот олеиновая кислота является маслянистой жидкостью.

2.2. Олеиновая кислота как представитель непредельных карбоновых кислот обесцвечивает бромную воду*:

цис-CH₃–(CH₂)₇–CH=CH–(CH₂)₇–COOH + Br_{2 =} CH₃–(CH₂)_7–CHBr–CHBr–(CH₂)₇–COOH.

3. Обнаружение муравьиной кислоты HCOOH.

В отличие от остальных одноосновных предельных карбоновых кислот муравьиная кислота содержит не только карбоксильную, но и альдегидную группу. Поэтому муравьиная кислота легко окисляется гидроксидом меди(II). При окислении муравьиной кислоты свежеприготовленный гидроксид меди(II) светло-голубого цвета при слабом нагревании превращается в гидроксид меди(I) желтого цвета:


При дальнейшем нагревании смеси гидроксид меди(I) превращается в оксид меди(I), цвет осадка становится красным:


4. Обнаружение уксусной кислоты CH₃CООН.

Оставшаяся карбоновая кислота является уксусной. Уксусную кислоту можно идентифицировать по температурам кипения (118,1 °С) и плавления (16,6 °С).

* Следует отметить, что муравьиная кислота тоже обесцвечивает бромную воду, окисляясь до угольной кислоты:

HCOOH + Br₂ + [H₂O] = [H₂O] + CO₂ + 2HBr.

Бромная вода гораздо более сильный окислитель, чем ионы меди Cu²⁺ в Cu(OH)₂. Поэтому различить олеиновую и муравьиную кислоты по обесцвечиванию бромной воды невозможно. – Прим. ред.

Л и т е р а т у р а

1. Справочник химика. Т. 2. Л.: Госхимиздат, 1963, 1168 с.

2. Краткая химическая энциклопедия. Т. 1. М.: Советская энциклопедия, 1961, 1262 с.

3. Краткая химическая энциклопедия. Т. 2. М.: Советская энциклопедия, 1963, 1086 с.

4. Краткая химическая энциклопедия. Т. 3. М.: Советская энциклопедия, 1964, 1112 с.

5. Краткая химическая энциклопедия. Т. 4. М.: Советская энциклопедия, 1965, 1182 с.

6. Краткая химическая энциклопедия. Т. 5. М.: Советская энциклопедия, 1967, 1184 с.

7. Бандман А.Л. и др. Вредные химические вещества. Галоген- и кислородсодержащие органические вещества. Справ. изд. СПб.: Химия, 1994, 668 с.