Химия · Органическая химия · 10 класс

Распознавание органических веществ

Шесть пробирок без этикеток: какой реактив «выдаёт» какое органическое вещество?

Ситуация

В химическом кабинете лаборант нашёл шесть склянок, на которых отклеились этикетки. Известно, что в них глицерин, глюкоза, фенол, этанол, уксусная кислота и крахмальный клейстер, но в какой склянке что — неизвестно. Нюхать или пробовать на вкус нельзя: фенол ядовит и обжигает кожу. У химика-детектива есть семь реактивов. Какой реактив «разоблачает» какое вещество и как определить всё за наименьшее число проб?

Тема

Определение органических веществ качественными реакциями. Химик-детектив: в пробирках без надписей глицерин, глюкоза, фенол, этанол, уксусная кислота, крахмал — какой реактив что обнаружит

Ключевые понятия

Качественные реакции
Функциональные группы
Формула по продуктам горения

Формулы

C_{6} H_{12} O_{6} + 2 [Ag (NH_{3})_{2}] OH \overset{}{\to} C_{6} H_{11} O_{7} NH_{4} + 2 Ag ↓ + 3 NH_{3} + H_{2} O

Серебряное зеркало: альдегидная группа (в глюкозе) восстанавливает серебро; схематично: $C_{6} H_{12} O_{6} + Ag_{2} O \overset{}{\to} C_{6} H_{12} O_{7} + 2 Ag ↓$ .

C_{6} H_{12} O_{6} + 2 Cu (OH)_{2} \overset{}{\to} C_{6} H_{12} O_{7} + Cu_{2} O ↓ + 2 H_{2} O

Глюкоза с $Cu (OH)_{2}$ на холоду даёт тёмно-синий раствор (многоатомный спирт), при нагревании — красный $Cu_{2} O$ (альдегид).

C_{6} H_{5} OH + 3 Br_{2} \overset{}{\to} C_{6} H_{2} Br_{3} OH ↓ + 3 HBr

Фенол обесцвечивает бромную воду и даёт белый осадок — 2,4,6-трибромфенол.

C_{x} H_{y} O_{z} : n (C) = n (CO_{2}), n (H) = 2 n (H_{2} O)

Состав по продуктам горения: масса кислорода — по разности, $m (O) = m - m (C) - m (H)$ .

M = 2 D_{H_{2}}

Молярная масса по плотности газа или пара по водороду (по воздуху: $M = 29 D_{возд}$ ).

Теория

Качественная реакция (практическая работа 3.23)

Качественная реакция — реакция, по которой вещество или его функциональную группу определяют по видимому признаку: изменению цвета, выпадению осадка или выделению газа. Хороший реактив избирателен: он реагирует только на одну группу. Порядок работы: из неизвестного вещества в чистую пробирку наливают 1–2 мл (в основную склянку реактив не капают!), добавляют несколько капель реактива; при необходимости пробирку нагревают на водяной бане. Каждое наблюдение записывают в таблицу. Зелёная рамка в таблице реактивов — особый признак вещества, то есть результат, которого нет у остальных пяти.

Что «открывают» реактивы

Бромная вода — двойная связь и фенол: у фенола белый осадок (2,4,6-трибромфенол); альдегидная группа тоже медленно её обесцвечивает (глюкоза → глюконовая кислота). KMnO₄ (с серной кислотой, при нагревании) обесцвечивается почти всеми легко окисляющимися веществами, поэтому неизбирателен; уксусная кислота к нему устойчива. Серебряное зеркало (реактив Толленса $[Ag (NH_{3})_{2}] OH$ ) — альдегидная группа. Свежеосаждённый Cu(OH)₂ ( $CuSO_{4} + 2 NaOH \overset{}{\to} Cu (OH)_{2} ↓ + Na_{2} SO_{4}$ ) — с многоатомными спиртами (глицерин, глюкоза) даёт тёмно-синий раствор; при нагревании альдегидная группа восстанавливает его до красного $Cu_{2} O$ ; кислота превращает осадок в светло-голубой ацетат меди. FeCl₃ — фиолетовый цвет с фенолом. Иод — тёмно-синий цвет с крахмалом. Сода ( $NaHCO_{3}$ ) — пузырьки $CO_{2}$ с карбоновой кислотой.

Детектив: наименьшее число проб

Проверять каждую пробирку всеми семью реактивами — это 42 пробы. Умный путь: сначала взять реактив, который разделяет вещества на группы. Если у одного реактива несколько разных результатов, он даёт много сведений за одну пробу. Внутри группы используются особые реактивы. Пробу может заменить и метод исключения: если определены пять веществ, шестое известно само собой — последнюю пробирку проверять не нужно. В режиме «Детектив» число проб подсчитывается.

Задачи: состав и горение (3.24–3.25)

При горении органического вещества углерод превращается в $CO_{2}$ , водород — в $H_{2} O$ : $C_{x} H_{y} O_{z} + (x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}) O_{2} \overset{}{\to} x CO_{2} + \frac{y}{2} H_{2} O$ . При элементном анализе (метод Либиха) навеску сжигают в токе кислорода над раскалённым CuO, продукты проходят последовательно через две трубки: в одной $CaCl_{2}$ , в другой KOH; трубки взвешивают до и после опыта. Расчёт: $n (C) = n (CO_{2})$ , $n (H) = 2 n (H_{2} O)$ , $m (O) = m - m (C) - m (H)$ ; отношение количеств вещества даёт простейшую формулу. Молярную массу находят по плотности пара: $M = 2 D_{H_{2}}$ ; во сколько раз $M$ больше массы по простейшей формуле, во столько раз умножают индексы. Расчёт по уравнению реакции: например, 18 г (0,1 моль) глюкозы в реакции серебряного зеркала выделяют 0,2 моль, то есть 21,6 г серебра.

Вуз: функциональный анализ (Органическая химия, Л21–Л24)

Неизвестное органическое вещество определяют по схеме: каждая проба указывает на одну функциональную группу. Проба горением: ароматическое кольцо даёт жёлтое коптящее пламя. NaHCO₃ — карбоксильная группа ( $CO_{2}$ ; фенолы его не дают). FeCl₃ — гидроксил фенола. 2,4-динитрофенилгидразин (реактив Брэди) — карбонильная группа: альдегиды и кетоны дают жёлто-красный осадок гидразона; карбоновые кислоты, сложные эфиры и амиды — нет. Толленс — отличает альдегид от кетона. Проба Бейльштейна: медную проволоку, покрытую CuO, касаются вещества и вносят в пламя — зелёно-голубое пламя показывает наличие Cl, Br или I (фтор не обнаруживается). Разбавленная HCl — растворяет вещество, образуя соль амина, нерастворимого в воде. Fe(OH)₂ — нитрогруппа окисляет его до красно-бурого $Fe (OH)_{3}$ . Натрий — водород гидроксильной группы ( $H_{2}$ ; образец обязательно безводный). Бромная вода — двойная связь (обесцвечивание), фенол и анилин (белый осадок).

Безопасность и модель

Техника безопасности: защитные очки и перчатки; фенол и бром обжигают кожу — работайте с ними в вытяжном шкафу; вещества не пробуйте на вкус, а если нужно понюхать, направляйте пары рукой к себе. При нагревании пробирки не направляйте её отверстие на себя и на других. Реактив Толленса не хранят — его каждый раз готовят заново: при старении может образоваться взрывчатый нитрид серебра; после работы остатки уничтожают разбавленной кислотой. Сухой 2,4-ДНФГ может взорваться от удара и трения. Натрий хранят под керосином: он бурно реагирует с водой и может воспламениться. Модель: цвета и осадки условные; время реакций сокращено (в реальном опыте обесцвечивание бромной воды глюкозой и серебряное зеркало занимают несколько минут); водяная баня всегда 80 °C; формула комплекса фенола с FeCl₃ упрощена; в анализе горения принято, что навеска сгорает полностью и продукты поглощаются полностью, точность весов 0,001 г.

Знаете ли вы?

Реактив серебряного зеркала описал в 1882 году немецкий химик Бернхард Толленс. Реактив не продают и не хранят: его каждый раз готовят заново из нитрата серебра и аммиака, потому что при старении может образоваться взрывчатый нитрид серебра.
Простейший способ обнаружить галоген в органическом веществе — коснуться его раскалённой медной проволокой и внести в пламя — предложил в 1872 году Фридрих Бейльштейн. Зелёное пламя показывает наличие хлора, брома или иода, а фтор эта проба «не видит».

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс
Углеводы: глюкоза и крахмал — 10 класс
Стереохимия и конформации — 2 курс
Радикальный и электрофильный механизмы — 3 курс
SN1, SN2 и элиминирование — 3 курс
Ароматическое кольцо и азокрасители — 3 курс
Карбонильные соединения и синтез — 3 курс