Организация работы и техника безопасности при работе в лаборатории (стр. 10 )

Лабораторная работа 6(вариант 4)

Тема. Реакция нитрования. Синтез м - нитробензойной кислоты

Химизм процесса:

Реактивы:

·  бензойная кислота C6H5COOH - 6 г;

·  серная кислота Н2SO4 - 29 г (ρ = 1 ,84г/см3);

·  нитрат калия KNO3 - 12 г;

·  гидроксид бария Ba(OH)2 - 21 г.

Посуда и оборудование:

·  стакан фарфоровый или трехгорлая колба вместимостью 50 мл;

·  мотор с мешалкой;

·  установка для перегонки с водяным паром;

·  колба Бунзена и воронка Бюхнера;

·  прибор для горячего фильтрования.

Проведение синтеза:

В фарфоровый стакан или трехгорлую колбу наливают 15,6 мл серной кислоты и нагревают на водяной бане до 70°C (термометр в стакане). Удаляют баню и при постоянном перемешивании постепенно прибавляют к раствору порошкообразную смесь 6 г бензойной кислоты и 12 г нитрата калия. Смесь прибавляют таким образом, чтобы температура реакционной массы не была выше 80°C. В случае необходимости ее охлаждают с помощью бани с холодной водой. Затем реакционную массу нагревают на водяной бане при 80-90°C до тех пор, пока на поверхности не образуется масляный слой нитробензойной кислоты, который после охлаждения затвердевает. Нижний слой, содержащий смесь KHS04 и H2S04, отделяют, а оставшийся осадок промывают холодной водой и дважды кипящей водой.

Выделяют м-нитробензойную кислоту в виде бариевой соли, которая очень мало растворима в холодной воде. Сырую м-нитробензойную кислоту растворяют в 20-кратном (по массе) количестве воды и обрабатывают горячим раствором гидроксида бария до слегкa щелочной реакции. Затем добавляют 250 мл воды и кипятят смесь до полного растворения осадка. Горячий раствор фильтруют и после охлаждения отфильтровывают бариевую соль м-нитробензойной кислоты.

Для получения свободной м-нитробензойной кислоты (чистой) ее бариевую соль нагревают с 10%-ной соляной кислотой; после охлаждения отфильтровывают выпавшую м-нитробензойную кислоту, промывают холодной водой и перекристаллизовывают из горячей воды. Температура плавления м-нитробензойной кислоты 141°C.

В ИК - спектре м-нитробензойной кислоты есть полосы поглощения группы - СООН (1710,3350 cм-1) и N02 (1560, 1340 cм-1).

Примечание. М-нитробензойную кислоту применяют в качестве ингибитора коррозии.

Задания.

Написать реакцию взаимодействия м-нитробензойной кислоты с гидроксидом бария. Можно ли в данном синтезе получить п - и о-замещенные производные бензойной кислоты? Определить температуру плавления полученной м-нитробензойной кислоты. Сделать вывод о чистоте продукта. Рассчитать теоретический выход м-нитробензойной кислоты, сравнить с практическим. Какой объем раствора азотной кислоты с массовой долей HNO3 90% (плотность 1,483 г/см3) потребуется, чтобы получить нитробензол массой 24,6 г? Сколько граммов толуола потребуется для получения тринитротолуола массой 113,5 г, если выход продукта составляет 82% от теоретического? Какие вещества образуются при нитровании 2-хлортолуола, 4-гидрокситолуола?

Лабораторная работа 6 (вариант 5)

Тема. Окисление. Получение бензойной кислоты окислением толуола.

Химизм процесса:

С6Н5СН3 + 2KМnO4 → С6Н5СOOK + 2MnO2 + KOH + H2O

С6Н5СOOK + HCl → С6Н5СOOH + KCl

Реактивы:

толуол С6Н5СН3 - 2 г перманганат калия KМnO4 – 6,8 г этанол или изо-пропанол С2Н5ОН или изо-С3Н7ОН соляная кислота (концентрированная) HCl вода дистиллированная

Посуда и оборудование:

Колба круглодонная вместимостью 200 мл Обратный холодильник (шариковый) Колба Бунзена Воронка Бюхнера Колбонагреватель Электроплитка

Проведение синтеза.

Смесь 2 г толуола, 75 - 100 мл воды и 6,4 г перманганата калия кипятят в круглодонной колбе вместимостью 200 мл с обратным шариковым холодильником в течение 2 часов на колбонагревателе или масляной бане. К еще горячей ( но не кипящей) реакционной смеси через холодильник осторожно добавляют этиловый или изо-пропиловый спирт до исчезновения малиновой окраски перманганата калия. Выпавший диоксид марганца отфильтровывают и промывают на фильтре кипящей водой ( два раза по 30 мл). Промывные воды соединяют с фильтром и упаривают до объема 15 – 20 мл. Если вновь выпадает диоксид марганца, его отфильтровывают.

К упаренному раствору бензоата калия прибавляют по каплям концентрированную соляную кислоту до кислой реакции по конго красному. Выпавшую бензойную кислоту отсасывают, промывают на фильтре небольшим количеством ледяной воды и сушат на воздухе. Тпл. 121 – 122 ˚С. Выход продукта 1,6 г (60%).

Бензойная кислота – бесцветное кристаллическое вещество со слабым запахом. Плохо растворимо в холодной воде и эфире, хорошо – в спирте, уксусной кислоте, пиридине.

Примечание. Бензойную кислоту применяют в качестве консерванта; для производства пластификаторов, пероксида бензоила (инициатор полимеризации), вулканизаторов силиконовых каучуков; для определения свободного оксида кальция в цементе, а также используют для защиты арматуры и железобетона от коррозии.

Задания.

1.  Для полученной бензойной кислоты определить температуру плавления, сравнить со справочными данными, сделать вывод о чистоте продукта.

Провести очистку полученного продукта перекристаллизацией из воды. Определить температуру плавления после проведения перекристаллизации. Проверить растворимость в органических растворителях. Рассчитать теоретический выход бензойной кислоты и сравнить его с практическим выходом. Каким способом получают бензойную кислоту в промышленности? Подтвердите ответ уравнениями реакций. При окислении смеси бензола и толуола подкисленным раствором перманганата калия при нагревании получено 8,54 г одноосновной органической кислоты. При взаимодействии этой кислоты с избытком водного раствора гидрокарбоната натрия выделился газ, объем которого в 19 раз меньше объема такого же газа, полученного при полном сгорании исходной смеси бензола и толуола. Определить массы веществ в исходной смеси. Ответ: 10,92 г бензола; 6,48 г толуола Напишите уравнения реакций окисления бензола, толуола, этилбензола, расставьте коэффициенты.

VI. Определение важнейших физических констант органических соединений

Каждое органическое вещество характеризуется определенными температурами плавления и кипения, плотностью, показателем преломления и т. д. Эти величины называются физическими константами. С их помощью можно определить (идентифицировать) вещество, а также установить его чистоту. Для этого определяют некоторые физические константы вещества и сравнивают их с литературными данными.

6.1.  Определение температуры плавления

Температура плавления – это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое.

Для экономии времени вначале определяют приблизительную температуру плавления. Несколько мелких кристаллов вещества помещают на шарик термометра, находящегося в горизонтальном положении. Термометр медленно нагревают на сетке или на закрытой электроплитке. В момент начала плавления кристаллов отмечают показание термометра. Обычно эти данные бывают несколько завышены. Прибор для точного определения температуры плавления от 40 до 210°C представляет собой колбу с серной кислотой или силиконовым маслом. В колбу вставляется специальная пробирка, в которой закреплен термометр. Отверстия на внешнем и внутреннем шлифе должны совпадать, чтобы в колбе не создавалось давления при нагревании.

Вещество, температуру плавления которого определяют, помещают в капилляр, запаянный с нижнего конца. Капилляр для определения температуры плавления вытягивают из нетугоплавкой тщательно вымытой трубки диаметром 5-10 мм. Полученная капиллярная нить имеет внутренний диаметр 0,8-1,0 мм. Ее разрезают острым напильником на куски по 40-50 мм, обращая внимание на то, чтобы линия отреза была ровной, иначе наполнение капилляра будет затруднено. Отрезок капилляра нужного диаметра запаивают с одного конца, осторожно внося его сбоку в пламя горелки. Капилляр наполняют веществом так, чтобы плотный слой его имел длину 0,5 см.

Для этого 5-10 мг перекристаллизованного сухого вещества тонко измельчают на плотной гладкой бумаге или на часовом стекле, собирают в кучку и погружают в нее открытый конец капилляра. Небольшое количество вещества попадает внутрь капилляра. Сместить это вещество вниз, к запаянному концу капилляра, и уплотнить его можно, бросая капилляр с веществом запаянным концом вниз в стеклянную трубку длиной 60-80 см, поставленную вертикально на пластинку из стекла или на часовое стекло. Капилляр, наполненный веществом, прикрепляют резиновым кольцом к термометpy так, чтобы столбик вещества находился на уровне шарика термометра.

Для определения температуры плавления прибор нагревают на горелке. Сначала быстро, а последние 15-20°С до предварительно определенной приблизительной температуры плавления пламя горелки регулируют так, чтобы температура поднималась со скоростью не более 1°С в минуту. В противном случае шарик термометра не успевает нагреться и температура плавления окажется заниженной.

Следует иметь в виду, что внешний вид вещества перед плавлением обычно несколько изменяется: оно уплотняется и между отдельным частицами его могут появиться пузырьки воздуха. Затем вещество «съеживается». Этот момент, а именно момент размягчения вещества и переход его в жидкое состояние, считают началом плавления. Когда все вещество превращается в прозрачную жидкость, плавление считают законченным.

Интервал температур между началом плавления и его окончанием называют температурой плавления данного вещества. Этот интервал тем меньше, чем чище вещество. На практике обычно считают допустимым, когда вещество плавится в пределах 0,5 – 1,0°С.