Laboratorní práce č. 1

Transkript

1 Laboratorní práce č. 1 Dnešní praktikum bude zaměřeno na analýzu minerálních a pitných vod (v kampusu nepitných), které tečou z kohoutku. Důležitou charakteristikou vody je obsah rozpuštěných iontů, přičemž s množstvím rozpuštěných iontů přímo souvisí pojem tvrdost vody. Čím je větší obsah iontů ve vodě, tím je její tvrdost vyšší. Prakticky se za měřítko tvrdosti vody uvažuje celkový obsah hořečnatých a vápenatých iontů, které se v běžné vodě dají stanovit vedle sebe chelatometrickou titrací. Chelatometrické titrace jsou založeny na přímé reakci aniontu disodné soli kyseliny ethylendiamintetraoctové (EDTA, Chelaton 3, zkratka pro anion H 2 Y 2- ) s ionty kovu: H 2 Y 2- + M n+ MY n H + Pro kvantifikaci tvrdosti vody se buď používají koncentrační jednotky obsahu výše uvedených iontů nebo tzv. stupně tvrdosti vody. Německé stupně tvrdosti vody (1 dh) odpovídají koncentraci 0,18 mmol dm -3 sumy (tj. celkového množství) hořečnatých a vápenatých iontů. Francouzské stupně tvrdosti (1 F) odpovídají koncentraci 0,10 mmol dm -3 sumy hořečnatých a vápenatých iontů. Úloha 1: Chelatometrické stanovení celkové tvrdosti vody Ionty vápenaté a hořečnaté se stanoví společně chelatometricky na indikátoru erichromovou černí T v prostředí amoniakálního tlumivého roztoku (ph = 10). Za těchto podmínek totiž vytváří oba s H 2 Y 2- stabilní komplexy. M 2+ + H 2 Y 2- MY H + Do titrační baňky odpipetujte 100 cm 3 zkoumaného vzorku vody. Do 100 cm 3 zkoumané vody v titrační baňce přidejte 10 cm 3 amoniakálního tlumivého roztoku a na špičku lžičky indikátoru erichromové černi T. Vínově zbarvený roztok titrujte 0,05M roztokem Chelatonu 3 (přesná koncentrace je uvedena na zásobní lahvi a na tabuli) do čistě modrého zbarvení. Titraci proveďte 3 a pro další výpočty použijte aritmetický průměr spotřeb. Jako první vzorek využijte minerální vodu, u níž máte k dispozici etiketu s analýzou obsahu iontů. Druhým vzorkem je vzorek vodu z vodovodu. Analýzu proveďte výše

2 uvedeným způsobem u obou těchto vzorků. Do protokolu uveďte spotřeby odměrného roztoku Chelatonu 3 a jejich aritmetický průměr. Z průměrné spotřeby odměrného roztoku Chelatonu 3 vypočtěte koncentraci sumy vápenatých a hořečnatých iontů ve vzorku vody (v mmol dm -3 ). U vody z vodovodu vypočtěte její tvrdost v německých a francouzských stupních. Nalezněte údaje o tvrdosti vody z vodovodu v Brně a porovnejte vaše naměřené hodnoty s hodnotami, které udává vodárna. Úloha 2: Stanovení Ca 2+ iontů ve vzorku vody Vápenaté ionty se titrují odměrným roztokem Chelatonu 3 v silně zásaditém prostředí na indikátor murexid. Reakce je popsána analogickou rovnicí jako výše. Ca 2+ + H 2 Y 2- CaY H + Do titrační baňky odpipetujte 100 cm 3 zkoumaného vzorku vody. Do 100 cm 3 vody v titrační baňce přidejte 5 cm 3 2M roztoku NaOH. Po promíchání přidejte na špičku lžičky murexidu. Titrujte Chelatonem 3 z červeného do jasně fialového zbarvení. Titraci proveďte 3 a pro další výpočty použijte aritmetický průměr spotřeb. Jako první vzorek využijte minerální vodu, u níž máte k dispozici etiketu s analýzou obsahu iontů. Druhým vzorkem je vzorek vodu z vodovodu. Analýzu proveďte výše uvedeným způsobem u obou těchto vzorků. Obrázek 1: Titrační aparatura Do protokolu uveďte spotřeby odměrného roztoku Chelatonu 3 a jejich aritmetický průměr. Z průměrné spotřeby odměrného roztoku Chelatonu 3 vypočtěte koncentraci vápenatých iontů ve vzorku vody a z nich dopočtěte koncentraci iontů hořečnatých. Uveďte koncentrace vápenatých a hořečnatých iontů v jednotkách mg dm -3 a tyto výsledky srovnejte s hodnotami deklarovanými pro váš vzorek vody. Komentujte výsledky.

3 Laboratorní práce č Výroba léčiv je jednou z významných aplikací syntetické chemie. My se v dnešní laboratorní úloze seznámíme s jednou z možných cest, jak syntetizovat účinnou látku Aspirinu kyselinu acetylsalicylovou. Rovněž si v úloze vyzkoušíme, jak se dají produkty organické syntézy přečistit a charakterizovat (tedy zjistit, zda jsme připravili skutečně to, co jsmě chtěli). Úloha: Příprava, čištění a charakterizace kyseliny acetylsalicylové Kyselina acetylasalicylová se připravuje kondenzací kyseliny salicylové (2-hydroxybenzoové) s acetanhydridem, jak ilustruje následující schéma: Do Erlenmeyerovy baňky objemu 250 ml vpravte 6,0 g kyseliny salicylové, 10 ml acetanhydridu a přidejte 10 kapek koncentrované kyseliny sírové. Tuto směs zahřívejte na vroucí vodní lázni minut. Zahřívání provádějte v digestoři. Do hrdla baňky přitom vložte nálevku, která bude fungovat jako provizorní chladič. Po uplynutí uvedené doby vyjměte Erlenmeyerovu baňku z vodní lázně, přeneste do digestoře, a opatrně (po částech) přidejte do reakční směsi 2 ml vody. Nadbytečný acetanhydrid se bouřlivě rozloží a směs se uvolněným teplem uvede do varu. Po odeznění reakce přidejte ještě 20 ml vody, směs přelijte do kádinky objemu 250 ml a míchejte tyčinkou do vychlazení a vyloučení krystalů acetylsalicylové kyseliny. Nakonec směs ochlaďte vhozením několika kousků ledu. Vzniklý produkt odsajte na Büchnerově nálevce. Surový produkt přečistíme rekrystalizací. Kyselinu acetylsalicylovou rozpusťte v nejmenším možném množství horké vody (podle získaného množství cca 50 ml, pokud se v tomto množství beze zbytku nerozpustí, musíte přidat trochu horké vody) a přiveďte k varu. Roztok odstavte z vařiče, nechejte mírně zchladnout a přidejte asi jednu lžičku aktivního uhlí. Poté opět nechejte přejít varem. Takto získanou směs přefiltrujte přes nahřátou nálevku se skládaným filtrem do Erlenmeyerovy baňky, ochlaďte pod proudem vody a vyloučené krystalky odsajte na Büchnerově nálevce.

4 Po odsátí veškerého matečného roztoku nechejte ještě asi 15 minut prosávat vzduchem, aby došlo k vysušení produktu. Po vysušení produkt zvažte. Čuchometricky stanovte případnou nečistotu ve formě kyseliny octové. V kádince rozpusťte malé množství (na špičku špachtle) kyseliny salicylové a přidejte kapku 5% roztoku FeCl 3. Tutéž reakci proveďte s roztokem kyseliny acetylsalicylové a na základě toho usuďte na případné nezreagované zbytky kyseliny salicylové. V pracovním listu uveďte výtěžek rekrystalizované kyseliny salicylové. Vypočtěte teoretický výtěžek kyseliny salicylové a stanovte procentuální výtěžek celé syntézy. Tento výsledek okomentujte. Uveďte, zda je dle provedených zkoušek produkt znečištěný kyselinou octovou nebo nezreagovanou kyselinou salicylovou. Kontrolní otázky: 1) Kyselina acetylsalicylová má kromě antipyretického účinku ještě jeden významný účinek, kvůli kterému se např. nesmí podávat těhotným ženám. Jaký? 2) Uveďte příklad ještě alespoň tří látek, které mají antipyretické účinky. 3) V jakém století byl Aspirin jako lék proti bolesti uveden do obchodní sítě? 4) Z jaké suroviny byla kyselina salicylová původně izolována?

5 Laboratorní práce č Dnešní laboratorní práce se bude týkat prvotních a fundamentálních částí organické chemie. Do doby, než Wöhler provedl přípravu močoviny, jakožto organické látky, z čistě anorganických surovin (kyanatan stříbrný a chlorid amonný), byla organická chemie dogmatizována konceptem tzv. vis vitalis. My v dnešním praktiku zkusíme tentýž pokus, který provedl v 19. století Wöhler a dokážeme si, že organická chemie a organické látky nejsou nic, co by ke svému vzniku potřebovalo přírodní démony. V souvislosti s tím si provedeme rovněž důkazy uhlíku, vodíku, dusíku a síry v některých organických materiálech, abychom si ověřili, že tyto prvky tvoří skutečně základní kameny struktury organických látek. Úloha 1: Příprava močoviny dle Wöhlera a její důkaz biuretovou reakcí Wöhler připravil močovinu zahříváním kyanatanu amonného vzniklého z kyanatanu stříbrného a chloridu amonného. My budeme vycházet z kyanatanu draselného a síranu amonného. Smícháním jejich zahřátých roztoků připravíme in situ kyanatan amonný, který ihned podlehne izomeraci na močovinu: KOCN + (NH 4 ) 2 SO 4 NH 4 OCN + K 2 SO 4 (1) NH 4 OCN NH 2 CONH 2 (2) Močovinu lze ve vzorku dokázat biuretovou reakcí, kdy močovina po dimeraci na biuret poskytuje s měďnatými ionty intenzivně modře zabarvený komplex: Rozpusťte 7,5 g KOCN v 50 ml vody a 7,5 g (NH 4 ) 2 SO 4 ve 20 ml vody. Oba roztoky zahřejte na teplotu přibližně 50 C. Roztoky slijte a ochlaďte studenou vodou. Vylučování močoviny podpořte přídavkem 50 ml ethanolu, ve kterém je močovina nerozpustná a okamžitě se sráží. Do zkumavky převeďte asi 5 ml suspenze močoviny přímo z kádinky, ve které jste ji připravili. Přidejte 0,5 ml 10% roztoku hydroxidu sodného a několik kapek 5% roztoku síranu měďnatého. Po intenzivním protřepání pozorujte vznik charakteristicky tmavě modře zbarveného komplexu biuretu s ionty Cu 2+. V případě, že nedochází k reakci, směs

6 mírně zahřejte (po předchozí konzultaci s dozorem). Stejnou reakci proveďte s komerčním preparátem močoviny a porovnejte oba výsledky. Do pracovního listu uveďte vyčíslené chemické rovnice reakcí (1) a (2). Uveďte,zda byly důkazy na močovinu v komerčním preparátu a ve vašem připraveném vzorku pozitivní či negativní. Vypočítejte, kolik gramů močoviny bychom mohli teoreticky výše uvedenou reakcí získat. Úloha 2: Elementární organická analýza Důkaz vodíku a uhlíku se provádí tak, že se vzorek organické látky zahřívá s oxidem měďnatým, přičemž dochází k redoxní reakci. Uhlík z organického materiálu se oxiduje na oxid uhličitý, oxid měďnatý se redukuje na oxid měďný a vodík odchází v podobě vodní páry. Přítomnost CO 2 dokazujeme roztokem hydroxidu vápenatého, který se bíle zakalí vznikajícím uhličitanem vápenatým. Voda se projeví zmodráním bezvodého síranu měďnatého, což je důsledek jeho zpětné hydratace. Mnoho organických látek obsahuje ve své molekule N a S, např. aminokyseliny, bílkoviny, dusíkaté a sirné deriváty uhlovodíků atd. Pokud organická látka obsahuje dusík, vzniká při mineralizaci vzorku amoniak, pokud síru, vzniká sulfan, sulfidy. Přítomnost amoniaku můžeme dokázat pomocí ph papírku, případně i reakcí s HCl. Sulfan reakcí s Ag + ionty poskytuje černohnědý sulfid stříbrný. Pro důkaz uhlíku a vodíku v sacharose: Do zkumavky vpravte směs sacharosy a CuO v hmotnostním poměru cca 1:2. Zkumavku upevněte vodorovně do držáku na stojanu. K ústí zkumavky nasypte několik krystalů bezvodého síranu měďnatého. (Pokud není k dispozici, připravíme ho přežíháním modré skalice.) Zkumavku uzavřete zátkou, v níž je trubice ve tvaru L. Na ústí trubice nasaďte zkumavku naplněnou roztokem hydroxidu vápenatého a tuto zkumavku upevněte do držáku. Zkumavku s reakční směsí zahřívejte a pozorujte změny v průběhu reakce. Dávejte pozor na nacucnutí vápenné vody do horké zkumavky v průběhu chladnutí! Obrázek 1: Aparatura pro důkaz uhlíku a vodíku

7 Pro důkaz dusíku a síry: Zkumavku s malým množstvím vzorku (sacharosa, želatina, močovina, vlasy/chlupy) uchyťte ve stojanu. Připravte si papírky k detekci amoniaku a sulfanu (vodou navlhčený ph papírek, filtrační papírek s kapkou roztoku AgNO 3 ). Vzorek ve zkumavce opatrně zahřívejte nad kahanem tak dlouho, až se začne ve zkumavce tvořit dým a vzorek se začne termicky rozkládat. Poté rychle přiložte k ústí zkumavky ph papírek a pak filtrační papír s Ag + kationty. Sledujte probíhající děje a na základě změny zbarvení papírků i dalších jevů určete přítomnost N a S ve zkoumaném vzorku. Do pracovního listu uveďte chemické rovnice dějů, které nastávají při důkazu uhlíku, vodíku, dusíku a síry. V pracovním listu vyplňte tabulku s výsledky zkoušky na dusík a síru v jednotlivých vzorcích. Kontrolní otázky: 1) V jakých sloučeninách se přebytečného dusíku zbavují (a) savci (b) ptáci (c) ryby? 2) Navrhněte alternativní způsoby detekce vody a oxidu uhličitého z prvního pokusu. 3) Jaká látka z vlasů je zodpovědná za vysoký obsah síry? Jakou funkci síra ve vlasech plní?

8 Laboratorní práce č. 4 V předchozím praktiku jsme připravili kyselinu acetylsalicylovou, účinnou látku Aspirinu. Dnes si stanovíme, jak čistou kyselinu acetylsalicylovou jsme připravili a zda souhlasí obsah kyseliny acetylsalicylové v tabletě Aspirinu s deklarovanou hodnotou 500 mg. Úloha 1: Stanovení obsahu kyseliny acetylsalicylové v Aspirinu Kyselina acetylsalicylová (HASA) je slabá kyselina, která je navíc nerozpustná ve vodě. Pro její stanovení se proto využívá princip zpětné titrace, kdy se HASA rozpustí v nadbytku hydroxidu sodného (1) a nezreagovaný hydroxid se stanoví acidimetrickou titrací (např. kyselinou sírovou) (2). (1) H 2 SO NaOH Na 2 SO H 2 O (2) Indikace bodu ekvivalence je možná jakýmkoliv indikátorem v oblasti barevného přechodu ph = [5;9], tedy např. fenolftaleinem nebo methyloranží. V této úloze stanovíme, zda je deklarovaná hodnota obsahu HASA v tabletě Aspirinu skutečně 500 mg, jak uvádí výrobce. Do titrační baňky vložte tabletu Aspirinu, přidejte pipetou přesně 20 ml 0,25 M roztoku hydroxidu sodného (přesná koncentrace je uvedena na zásobní lahvi a na tabuli) a cca stejné množství vody a zahřívejte s varnými kamínky nad kahanem, dokud se tableta úplně nerozpustí. Takto připravený roztok nechejte zchladnout na laboratorní teplotu. Do vychlazeného roztoku přidejte několik kapek roztoku fenolftaleinu a titrujte odměrným roztokem 0,1M kyseliny sírové (přesná koncentrace je uvedena na zásobní lahvi a na tabuli) do odbarvení. Postup opakujte 3 a za spotřebu berte průměr ze všech tří provedených titrací.

9 Pokyny k vypracování: Do pracovního listu uveďte do tabulky spotřeby odměrného roztoku kyseliny sírové a jejich aritmetický průměr. Uveďte látkové množství kyseliny sírové, které se na titraci spotřebovalo a rovněž látkové množství hydroxidu sodného, které bylo pipetováno do baňky s HASA. Z rozdílu těchto látkových množství a stechiometrie reakcí (1) a (2) určete průměrné látkové množství kyseliny acetylsalicylové v jedné tabletě Aspirinu. Vypočtené látkové množství přepočtěte na hmotnost (v mg) a diskutujte s deklarovanou hodnotou. Úloha 2: Stanovení čistoty připravené kyseliny acetylsalicylové Princip úlohy viz Úloha 1. V této úloze stanovíme čistotu vlastního připraveného preparátu kyseliny acetylsalicylové z předchozího cvičení. Do titrační baňky navážte přesně asi 0,5 g připravené kyseliny acetylsalicylové a navážku si zapište. Přidejte pipetou přesně 20 ml 0,25 M roztoku hydroxidu sodného (přesná koncentrace je uvedena na zásobní lahvi a na tabuli) a cca stejné množství vody a zahřívejte s varnými kamínky nad kahanem, dokud se kyselina úplně nerozpustí. Takto připravený roztok nechejte zchladnout na laboratorní teplotu. Do vychlazeného roztoku přidejte několik kapek roztoku fenolftaleinu a titrujte 0,1M odměrným roztokem kyseliny sírové (přesná koncentrace je uvedena na zásobní lahvi a na tabuli) do odbarvení. Postup opakujte 3. Do pracovního listu uveďte do tabulky navážky vámi připravené kyseliny acetylsalicylové, spotřeby odměrného roztoku kyseliny sírové a z těchto hodnot vypočtené skutečné hmotnosti kyseliny acetylsalicylové v navážce. Tyto hmotnosti v tabulce rovněž přepočtěte na hmotnostní zlomky. Uveďte průměrný hmotnostní zlomek (čistotu) kyseliny acetylsalicylové ve vašem preparátu a diskutujte případné množství nečistot a jejich možný původ. Kontrolní otázky: 1) Jakou kyselinu bychom mohli alternativně použít pro acidimetrickou titraci? 2) Jaké mohou být důvody odchylek obsahu HASA v Aspirinu od deklarované hodnoty?

10 Laboratorní práce č Určitě jste si všimli, že voda zde v UKB není úplně čistá. Dost často teče tzv. rezavá, což znamená, že obahuje poměrně velké množství železitých iontů. Kromě toho (což ovšem nevidíme, ale na zrychlených peristaltických pohybech cítíme) obsahuje i poměrně velké množství zinku. My se dnes v poslední úloze zaměříme na jednoduché zkoumání, jaký je vlastně obsah železa ve vodě v UKB. Využijeme k tomu tzv. gravimetrie, což je vážková analýza. Úloha: Gravimetrické stanovení železa ve vodě Princip gravimetrického stanovení železa je relativně jednoduchý. Veškeré železité ionty, které jsou přítomny v kalné rezavé vodě se rozpustí okyselením vody pomocí HCl. Vzniklé železité ionty, které jsou kompletně rozpuštěné se sráží amoniakem na hydroxid železitý. Ten se pak žíháním převádí na oxid železitý, který se zváží a z jeho hmotnosti se určí obsah želeža v původním vzorku. FeCl OH - Fe(OH) Cl - 2 Fe(OH) 3 Fe 2 O H 2 O Odpipetujte přesně 100 ml rezavé vody do kádinky objemu 250 ml. Vodu zahřejte na cca 60 C a přidávejte po kapkách koncentrovanou kyselinu chlorovodíkovou, dokud není roztok žlutý a čirý. Následně přidejte 10 ml 10% roztoku NH 4 NO 3 a zahřívejte téměř k varu. Při prvním náznaku varu přerušte zahřívání a začněte srážet nejprve rychlými, po začátku kalení velmi pomalými (po kapkách), přídavky 2M roztoku NH 3. Po sbalení a vyvločkování sraženiny můžete přídavky 2M NH 3 zrychlit a pokračujte v přidávání dokud není z roztoku zřetelně cítit amoniak. Sraženinu nechte usadit a mezitím si připravte aparaturu pro filtraci za sníženého tlaku. Do Büchnerovy nálevky nicméně vystřihněte takový filtr, který zhruba o 0,5 cm přečuhuje z ploché části Büchnerovy nálevky. Obsah kádinky přefiltrujte za sníženého tlaku a zbytky sraženiny v kádince vypláchněte horkým 10% NH 4 NO 3. Sraženinu hydroxidu železitého na filtru promyjte 3 15 ml horkého 10% NH 4 NO 3 a následně jednou 20 ml ethanolu. Poté nechte asi 5 minut prosávat vzduchem, aby došlo k rychlému usušení. Poté kvantitativně vyjměte filtr z nálevky a co nejlépe složte tak, aby veškerá sraženina byla uvnitř filtru. Sestavte aparaturu pro žíhání a sraženinu hydroxidu železitého ve filtračním papíru žíhejte za občasného promíchání nejméně 30 minut, dokud nedostanete rezavě červený oxid železitý. Vzniklý oxid železitý zvažte na analytických Obrázek 1: Aparatura pro žíhání vahách.

11 Do protokolu uveďte množství vzniklého Fe 2 O 3. Z naměřeného množství Fe 2 O 3 vypočítejte, jaká byla koncentrace železa ve vodě v jednotkách mg/l. Kontrolní otázky: 1) Hydratovaný oxid železitý je významnou složkou jednoho z kazů železa. Jakého? 2) Zapište rovnici hydrolýzy železitého iontu.