Tài liệu Giáo trình thí nghiệm hoá hữu cơ ((dùng cho sinh viên ngành công nghệ sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA HÓA VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ -----***----- GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ (Dùng cho sinh viên ngành Công nghệ sinh học) Hà Nội, 9-2020 MỤC LỤC Trang PHẦN I: CÁC NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỌC 3 PHẦN II: DỤNG CỤ, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ 7 I. Các dụng cụ thường dùng và cách sử dụng 7 II. Xác định các hằng số vật lí của hợp chất hữu cơ 12 1. Xác định nhiệt độ nóng chảy của chất rắn 12 2. Xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng 13 3. Xác định chỉ số khúc xạ của chất lỏng 14 4. Xác định tỉ khối của chất lỏng 15 III. Một số kỹ thuật thí nghiệm cơ bản 15 1. Đun nóng và làm lạnh 15 2. Gạn, lọc và li tâm 16 3. Làm khô 19 IV. Các phương pháp phân lập và tinh chế hợp chất hữu cơ 20 1. Phương pháp chưng cất 21 2. Phương pháp chiết 21 3. Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại) 23 4. Phương pháp thăng hoa. 23 5. Phương pháp sắc ký 24 PHẦN III: NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 30 Bài 1: Kết tinh lại: tinh chế và xác định nhiệt độ nóng chảy của axit benzoic 30 Bài 2: Chưng cất đơn ở áp suất thường: chưng cất etanol 34 Bài 3: Chưng cất lôi cuốn hơi nước: tinh chế tinh dầu vỏ chanh 38 Bài 4: Sắc ký cột và sắc ký lớp mỏng: phân tách các chất diệp lục và carotenoit trong lá xanh 43 Bài 5: Phản ứng este hóa: tổng hợp etyl axetat 48 1 2 PHẦN I: CÁC NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỌC 1. Nội quy làm việc trong phòng thí nghiệm Trước khi làm một thí nghiệm sinh viên phải đọc kỹ tài liệu, hiểu rõ mọi chi tiết của thí nghiệm trước khi làm và lường trước các sự cố có thể xảy ra để phòng tránh. Phải trung thực với kết quả thí nghiệm làm được. Làm xong thí nghiệm phải báo cáo kết quả với giáo viên và ghi tường trình thí nghiệm. Làm không có kết quả phải làm lại. Trong quá trình thí nghiệm phải giữ trật tự, im lặng, phải có tính nghiêm túc, chính xác, khoa học. Phải tuân theo các quy tắc an toàn. Phải giữ chỗ làm việc gọn gàng và sạch sẽ. Mỗi sinh viên phải làm việc ở 1 chỗ quy định, chỉ được làm bài thí nghiệm đã được giáo viên giao và dưới sự giám sát của giáo viên. Không được ăn uống, hút thuốc và tiếp khách trong phòng thí nghiệm. Phải rửa dụng cụ sạch sẽ, tránh làm đổ vỡ. Nếu vỡ phải báo cáo ngay với giáo viên hoặc nhân viên phòng thí nghiệm và ghi vào sổ nhật ký phòng thí nghiệm. Không được vứt giấy lọc, các chất rắn, axit, kiềm, chất dễ cháy và chất dễ bay hơi và bể rửa, mà phải đổ và chỗ quy định của phòng thí nghiệm. Không được tự tiện mang dụng cụ, hóa chất ra khỏi phòng thí nghiệm. Không dùng các dụng cụ, máy móc không thuộc phạm vi phòng thí nghiệm cũng như dụng cụ và máy móc khi chưa hiểu được tính năng và cách sử dụng. Phải tiết kiệm điện, nước và hóa chất. Khi vào phòng thí nghiệm phải mặc áo blu. Làm xong thí nghiệm phải dọn sạch sẽ chỗ thí nghiệm, rửa ngay các dụng cụ làm thí nghiệm để trả lại cho phòng thí nghiệm. Phải tắt điện, khóa nước rồi báo cáo với giáo viên hoặc nhân viên phòng thí nghiệm kiểm tra lại rồi mới được về. 2. Nguyên tắc làm việc với chất độc hại và chất dễ nổ Đại đa số các hợp chất hữu cơ ít nhiều đều độc vì thế khi tiếp xúc với hóa chất, phải biết đầy đủ tính độc và quy tắc chống độc. Khi làm việc với hóa chất độc hại phải đeo kính, găng tay hoặc làm việc trong tủ hút. Khi làm việc với Na, K phải dùng kính bảo hiểm, lấy kim loại ra khỏi bình không được dùng tay, lau khô kim loại bằng giấy lọc, phải tránh cho các kim loại tiếp xúc với nước hay CCl4, phải hủy các kim loại còn dư hoặc chưa phản ứng bằng một lượng nhỏ ancol etylic khan hoặc ete. Phải bảo quản các kim loại này trong dầu hỏa khan. Khi làm việc với H2SO4 đặc, oleum phải rót cẩn thận vào bình qua phễu và làm trong tủ hút. Khi pha loãng H2SO4 phải rót từ từ axit đặc vào nước và khuấy nhẹ đồng thời làm lạnh, không pha loãng oleum. 3 Khi làm việc với thủy ngân kim loại thì hết sức tránh rơi ra ngoài. Thủy ngân kim loại rơi vãi cần thu hồi triệt để bằng bột lưu huỳnh hoặc kim loại đồng mới (đồng sau khi đã được xử lý bằng dung dịch cường toan). Không chưng cất ete etylic, tetrahiđrofuran và đioxan khi chưa biết chất lượng của chúng. Trong một số trường hợp phải tiến hành khử peoxit trước khi chưng cất. Hình I.1. Thí nghiệm đang tiến hành trong tủ hút và mô hình di chuyển dòng không khí trong tủ hút 3. Nguyên tắc làm việc với chất dễ cháy Khi làm việc với ancol, ete, benzen, axeton, axetyl axetat, cacbon đisunfua, ete dầu hỏa và các chất dễ cháy khác phải tránh xa ngọn lửa, không được đun nóng bằng ngọn lửa đèn trần hay trên lưới và trong các bình hở. Khi đun nóng hay chưng cất phải dùng bếp cách thủy, cách dầu, cách cát hoặc bếp điện bọc. Trước khi tháo máy có chất dễ cháy, phải tắt lửa hay đèn, bếp điện trần ở gần đó. Không giữ các chất dễ cháy ở chỗ nóng, gần bếp điện, đèn hay tủ sấy nóng. Không giữ chất dễ cháy và chất lỏng hay rắn dễ tách ra khí dễ cháy trong cách bình mỏng có nút chặt. Phải giữ ete trong ống có nút chặt có mao quản hay ống CaCl2. Không được đổ chất dễ cháy vào thùng rác hay máng nước. Tất cả hóa chất ở chỗ làm việc phải được đựng trong lọ có dán nhãn rõ ràng. 4. Nguyên tắc làm việc với dụng cụ thủy tinh Khi cắt hay bẻ ống thủy tinh phải chú ý không để đầu thủy tinh chạm vào tay. Trước khi bẻ, phải dùng dao cắt thủy tinh cắt ¼ ống rồi mới bẻ ngay ở chỗ cắt của ống. Khi cho nút vào ống thủy tinh, ống sinh hàn, phễu nhỏ giọt hay nhiệt kế cần phải dùng tay giữ gần ở chỗ cho nút vào, không ấn mạnh mà xoay nhẹ dần vào. Không được đun nóng hoặc đổ dung dịch nóng vào chậu hay các bình thủy tinh dày. 4 5. Nguyên tắc làm việc với áp suất thấp Khi làm việc với thiết bị chân không, nhất thiết phải đeo kính bảo hiểm hoặc có thể dùng mặt nạ hoặc màng bảo vệ bằng thủy tinh hữu cơ. Khi chưng cất hay lọc dung môi là những chất dễ bay hơi, hay có thể phân hủy thành các chất có tính axit trong môi trường chân không thì không được dùng bơm dầu mà phải dùng bơm chân không bằng dòng nước. Không được dùng những bình đáy bằng để chưng cất chân không. Phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn của chưng cất áp suất thấp hay chân không. 6. Nguyên tắc làm việc với khí nén Phải hết sức cẩn thận khi làm việc với khí nén (hiđro, oxi, clo, metan, axetilen. amoniac…) bởi vì dễ gây cháy, nổ và ngộ độc. Phải đế các bình nén ở trạng thái đứng chắc chắn tránh đổ vỡ hay dựng vào bàn làm việc có vòng sắt. Phải để bình khí nén ở xa chỗ đun nóng hoặc nơi gây ra tiếng nổ mạnh. Bảo vệ chúng tránh xa ánh nắng mặt trời. Khi di chuyển các bình khí phải dùng xe đẩy, không được vác trên vai. Tất cả các bình khí đều phải được lắp áp kế và van điều chỉnh khí lấy ra. Trước khi làm việc với bình khí nén phải xem màu đặc trưng cho loại khí dùng và nhãn cho chắc chắn, đặt bình ở chỗ ổn định, kiểm tra van, áp kế và dây dẫn khí vào phản ứng. 7. Nguyên tắc làm việc với áp suất cao Nếu tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của cấu tử có trong hệ hay cần phải có nồng độ cao của các khí thì phải tiến hành phản ứng trong hệ kín dưới áp suất cao. Với 1 lượng nhỏ chất và áp suất không cao thì dùng ống hàn kín, còn áp suất cao thì dùng nồi hấp kim loại. Trước khi làm việc, cần phải biết áp suất hơi của dung môi cần dùng, đánh giá áp suất trong mao quản trong thời gian phản ứng cùng với các chất tạo thành. Khi làm việc với nồi hấp, phải tuần theo quy tắc sử dụng nồi hấp trong phòng thí nghiệm. 8. Cách sơ cứu một số trường hợp chấn thương và ngộ độc Khi bỏng nhiệt, bôi ngay dung dịch KMnO4 loãng hay ancol etylic vào chỗ bỏng, sau đó bôi vazơlin hoặc glixerin vào chỗ bỏng. Khi bị bỏng axit, rửa chỗ bị bỏng nhiều lần bằng dung dịch NaHCO3 3% hay dung dịch NaOH 3%. Khi bị bỏng kiềm đặc, rửa chỗ bị bỏng nhiều lần bằng nước, rồi bằng axit axetic loãng hay dung dịch axit boric 1%. Khi bị bỏng brom, rửa nhiều lần bằng ancol etylic rồi bằng Na2S2O3 10% sau đó bôi mỡ vazơlin vào vết bỏng. 5 Khi bị bỏng phenol, rửa nhiều lần bằng glyxerin cho tới khi màu da trở lại bình thường, rồi bằng nước sau đó bang chỗ bỏng lại bằng bông tẩm glyxerin. Khi rơi chất hữu cơ lên da, trong đa số trường hợp rửa bằng nước không có tác dụng thì ta rửa bằng dung môi thích hợp. Cần rửa nhanh với lượng dung môi lớn vì dung môi dễ làm thâm nhập chất độc hữu cơ qua da nên tránh tạo thành dung dịch đậm đặc chất hữu cơ trên da. Khi hít phải nhiều chất khí clo hay brôm, thì ngửi bằng dung dịch ammoniac hay ancol rồi đi ra nơi thoáng. Khi bị đầu độc bởi hóa chất, uống 1 lượng tương đối nhiều nước, sau đó, nếu bị đầu độc bởi axit thì uống 1 cốc NaHCO3 2%, nếu bị đầu độc bởi kiềm thì uống 1 cốc giấm ăn 2%. Khi bị đầu độc nặng, đưa ngay ra chỗ thoáng, làm hô hấp nhân tạo, gọi bác sĩ hoặc đưa ngay đi cấp cứu. Khi bị thương bởi thủy tinh, gắp hết các mảnh thủy tinh ra khỏi vết thương, bôi cồn iốt 3%, băng lại vết thương. Nếu chảy nhiều máu thì cột garô lại rồi đưa đi cấp cứu. 9. Phương pháp dập tắt đám cháy Trường hợp các chất lỏng bị cháy, phải tắt hết điện hay đèn phủ ngọn lửa bằng khăn mặt, khăn amiang, chăn, cát hay là bình cứu hỏa. Nếu chất cháy tan trong nước (etanol, axeton…) thì dập tắt bằng nước. Nếu chất cháy không tan trong nước (ete, xăng…) thì không dung nước mà dùng cát hoặc bình cứu hỏa. Khi quần áo bị cháy, không chạy mà dội nước ngay vào chỗ cháy hay nằm lăn ra sàn nhà hoặc phủ chăn vào chỗ cháy. Khi áo choàng bị cháy thì phải cởi ngay áo choàng ra. Khi có đám cháy lớn phải gọi phòng cháy chữa cháy. 6 PHẦN II: DỤNG CỤ, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ I. CÁC DỤNG CỤ THƯỜNG DÙNG VÀ CÁCH SỬ DỤNG 1. Dụng cụ thuỷ tinh Thuỷ tinh dùng trong phòng thí nghiệm là loại thuỷ tinh nhiệt, bền với nước, axit cũng như kiềm, có hệ số giãn nở bé, đó là thuỷ tinh bosilicat, ví dụ thuỷ tinh Pirex, Rasotherm… Chúng được dùng để chế tạo các loại dụng cụ thí nghiệm. Các loại bình: Có thể tích từ vài chục ml đến vài ba chục lít, có hình dạng khác nhau. Tuỳ theo chức năng và yêu cầu mà người ta sử dụng loại bình thích hợp. Ví dụ, bình cầu đáy tròn để tiến hành phản ứng, bình cầu đáy bằng dùng để hứng khi chưng cất, bình Claizen và bình Vuyêc dùng để chưng cất…, bình tam giác dùng để hứng, bình tam giác có vòi (bình Bunzen) dùng để lọc hút chân không. Khi cô dung dịch cần dùng bình tam giác hay cốc. (a) (c) (d) (b) (e) (f) Hình II.1. Một số loại bình dùng trong thí nghiệm hoá hữu cơ (a) Bình cầu đáy tròn; (b)Bình cầu đáy bằng; (c) Bình cầu Vuyếc; (d) Bình cầu Claizen; (e) Bình quả lê; (f) Bình Bunzen. Các loại sinh hàn: Tuỳ theo nhiệt độ khi đun dung dịch và cách thức tiến hành công việc mà người ta chọn loại sinh hàn thích hợp. Đun hồi lưu hỗn hợp phản ứng có nhiệt độ sôi cao hơn 150°C thì dùng sinh hàn không khí; đun hồi lưu hỗn hợp có nhiệt độ sôi thấp hơn 150°C, dùng sinh hàn bầu hay sinh hàn xoắn. Khi chưng cất, dùng sinh hàn thẳng (Libic), tuỳ theo nhiệt độ sôi của chất chưng cất mà sử dụng sinh hàn này một cách thích hợp: nếu nhiệt độ sôi thấp hơn 120°C thì cho nước 7 chảy qua sinh hàn, nếu nhiệt độ sôi từ 120 - 160°C thì dùng nước đựng trong sinh hàn còn ở nhiệt độ cao hơn thì không dùng nước (sinh hàn không khí). (a) (b) (d) (c) Hình II.2. Một số loại sinh hàn (a) Sinh hàn không khí; (b) Sinh hàn nước loại bầu; (c) Sinh hàn nước loại thẳng; (d) Sinh hàn nước loại xoắn Phễu: Có nhiều loại phễu khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng. Phễu thường dùng để sang lấy hóa chất hoặc còn dùng để lọc tách các chất rắn ra khỏi hỗn hợp dung dịch có độ nhớt thấp. Phễu chiết dùng để tách 2 chất lỏng không trộn lẫn với nhau, do khác nhau về khối lượng riêng nên phân tách thành 2 phần (trên/dưới), phần dưới được rút ra khi mở van đáy phễu. Phễu lọc xốp và phễu Bucne dùng để lọc tách chất rắn ra khỏi hỗn hợp có độ nhớt trung bình và cao, đôi khi có sử dụng chân không để tăng hiệu quả lọc. Phễu Bucne thường được sử dụng cùng với bình Bunzen. Phễu nhỏ giọt dùng để đong khi cho hóa chất vào bình phản ứng. (a) (b) (c) 8 (d) (e) Hình II.3. Một số phễu (a) Phễu thường; (b) Phễu chiết; (c) Phễu nhỏ giọt; (d) Phễu lọc xốp (e) Phễu Bucne; Một số dụng cụ đo thể tích: Ống đong, buret và pipet: Là các dụng cụ đo thể tích, có hình dạng ống thuỷ tinh dài hình trụ. Ống đong có đáy bằng dùng để đo thể tích dung dịch tương tối chính xác. Buret có khoá nút mài ở phần cuối để điều chỉnh lượng dung dịch trong buret chảy ra thành dòng hay nhỏ giọt. Công dụng chính của buret là đo trực tiếp thể tích dung dịch tiêu tốn trong việc chuẩn độ. Pipet là dụng cụ để lấy chính xác thể tích dung dịch. Bình định mức: Là dụng cụ dùng để điều chế dung dịch chuẩn từ các chất gốc, pha loãng chính xác các dung dịch đặc, pha chế thể tích chính xác dung dịch mẫu phân tích. (a) (b) (c) (d) Hình II.4. Một số dụng cụ đo thể tích: (a) Ống đong, (b) Pipet, (c) Buret, (d) bình định mức 2. Dụng cụ nối Để lắp ráp các dụng cụ bằng thuỷ tinh, người ta dùng nút lie, nút cao su, hoặc nút nhám. Các chỗ nối có thể tiếp xúc, luồn vào nhau, có dạng hình chóp hay côn. Để chuyển từ kích thước nọ sang kích thước kia, người ta dùng cổ nối hoặc ống nối. Có nhiều loại ống nối có hình dạng và cấu tạo khác nhau dùng để nối các bộ phận của một hệ thống phản ứng, hoặc chưng cất. Chúng được lắp ghép với nhau bằng nút cao su hoặc chỗ nối được mài nhám để 9 đảm bảo độ kín khít. Hiện nay người ta dùng các loại nhám tiêu chuẩn có đường kính 14,5mm, 19mm, 24mm, 44mm… Hình II.5. Các loại ống nối Khi dùng thuỷ tinh nhám, bao giờ cũng dùng thuỷ tinh có độ giãn nở như nhau để nối vào nhau (cùng loại thuỷ tinh), bất đắc dĩ có thể dùng loại nhám ngoài có hệ số giãn nở lớn hơn, không dùng ngược lại. Khi lắp các đầu nhám lại với nhau, bao giờ cũng dùng mỡ (vazơlin hoặc silicon) để bôi một lớp rất mỏng vào nhám trong rồi vặn nhẹ nhám ngoài vào cho đến khi nhìn thấy trong suốt. Việc lắp các bộ dụng cụ được tiến hành theo nhu cầu của công việc. Ví dụ như hệ thống đun hồi lưu, hệ thống chưng cất phân đoạn, hệ thống tổng hợp có lắp sinh hàn xuôi… 3. Bộ giá đỡ dụng cụ Bộ giá đỡ và các bộ phân trên giá đỡ dùng để giữ các dụng cụ thí nghiệm trong các hệ phản ứng hoặc cố định dụng cụ trong hệ. (b) (a) Hình II.6. Giá đỡ sắt cả bộ (a); Các bộ phận trên giá đỡ (b) 1: Cặp lớn; 2: Cặp bé; 3: Cặp vòng; 4: Noa giữ cặp và vòng vào giá 4. Một số hệ thống dụng cụ dùng trong tổng hợp hữu cơ a. Hệ thống sinh hàn hồi lưu Hệ thống sinh hàn hồi lưu là hệ thống có sử dụng sinh hàn nước lắp ngược được sử dụng để thu hồi lại dung môi dễ bay hơi trong quá trình phản ứng, tránh hao tổn dung môi. Dung môi hoặc chất bay hơi được ngưng tụ và quay trở lại bình phản ứng. 10 Nước ra 3 1. Bếp điện Nước vào 2. Bình cầu 1 cổ 3. Sinh hàn ruột gà. 2 4 5 6 7 4 8 3 6 7 8 9 2 11 1 5 3 9 2 1 1 10 Hình II.7. Hệ phản ứng dùng sinh hàn hồi lưu Nước vào Nước ra 7 1. Bếp điện từ 2. Con từ 5 6 3. Bình cầu 3 cổ đáy tròn 4 4. Nhiệt kế 5. Cổ nối 6. Phễu tam giác 7. Sinh hàn bầu. 3 2 4 5 6 7 4 8 3 9 2 1 11 5 6 7 8 3 1 9 2 1 10 Hình II.8. Hệ phản ứng dùng sinh hàn hồi lưu có khuấy và phễu nhỏ giọt 11 b. Hệ thống sinh hàn thẳng Hệ thống sinh hàn thẳng là hệ thống sử dụng sinh hàn nước lắp xuôi, được sử dụng để thu dung môi hoặc chất dễ bay hơi bằng cách ngưng tụ lại và thu hồi ở đầu ra của sinh hàn tại bình hứng. Nước ra Nước vào Hình II.9. Hệ thống chưng cất dùng sinh hàn thẳng 1. Bếp điện; 2. Bình cầu 1 cổ; 3. Cổ nối; 4. Nhiệt kế; 5. Sinh hàn thẳng; 6. Sừng bò; 7. Bình hứng. II. XÁC ĐỊNH CÁC HẰNG SỐ VẬT LÍ CỦA HỢP CHẤT HỮU CƠ Các chất nguyên chất có các hằng số vật lí xác định. Vì vậy có thể căn cứ vào chúng để xác định độ tinh khiết của chất. Một chất được coi là tinh khiết nếu qua tinh chế nhiều lần mà hằng số vật lí của nó không thay đổi. 1. Xác định nhiệt độ nóng chảy của chất rắn Nhiệt độ nóng chảy (t°nc ) của một chất là nhiệt độ tại đó pha rắn và pha lỏng cân bằng nhau. Các chất tinh khiết có nhiệt độ nóng chảy rõ ràng và ổn định. Một lượng rất nhỏ tạp chất cũng làm thay đổi đáng kể nhiệt độ nóng chảy và khoảng nóng chảy rộng. Vì thế, khi trộn kỹ hai chất rắn với lượng bằng nhau mà t°nc của chúng không đổi thì hai chất đó là một (trừ trường hợp các chất đồng hình). Nếu t°nc bị hạ thấp và khoảng chảy rộng thì chúng hoàn toàn khác nhau. Khi nóng chảy, nhiều hợp chất hữu cơ bị biến dạng hay bị phân huỷ (chuyển màu hay bốc hơi). Đó thường là các axit hữu cơ, muối của axit, lacton… Có chất thăng hoa mà không bị chảy. 12 Nhiệt độ nóng chảy liên quan chặt chẽ với cấu trúc phân tử: phân tử đối xứng có nhiệt độ nóng chảy cao, dạng trans nóng chảy cao hơn dạng cis, dạng mạch nhánh thấp hơn dạng thẳng, liên kết hidro giữa các phân tử làm tăng t°nc của chất. Hình II.10. Dụng cụ đo nhiệt độ nóng chảy mao quản Có thể xác định nhiệt độ nóng chảy của chất rắn bằng nhiệt kế + bếp điện (đo sơ bộ), dùng ống mao quản (Hình II.10) hoặc máy đo điểm chảy (Hình II.11). Hình II.11. Máy đo điểm nóng chảy 2. Xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng Một chất lỏng tinh khiết có nhiệt độ sôi (t°s) xác định ở một áp suất xác định. Người ta thường lấy nhiệt độ chưng cất của chất lỏng làm nhiệt độ sôi. Phương pháp này có sai số lớn khi lắp nhiệt kế không đúng vị trí, đun quá lửa làm cho hơi quá nhiệt, vì thế không lấy làm lạ rằng trong các tài liệu khác nhau với cùng một chất nhưng có nhiệt độ sôi khác nhau. 13 Nhiệt độ sôi phụ thuộc rất nhiều vào lực liên kết giữa các phân tử như lực Van der Waals, liên kết hydro, vì thế anlcol có nhiệt độ sôi cao hơn ete có cùng phân tử khối, nó cũng tăng theo khối lượng phân tử và cũng phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, dạng cis sôi thấp hơn dạng trans, dạng mạch nhánh thấp hơn dạng mạch thẳng. 3. Xác định chỉ số khúc xạ của chất lỏng Chỉ số khúc xạ (n) là tỷ số giữa sin góc khúc xạ khi ánh sáng đơn sắc đi từ môi trường này sang môi trường khác qua mặt phẳng phân cách. Thường môi trường thứ nhất là không khí, môi trường thứ hai là chất lỏng định đo. Không khí α β 𝑛= Mặt cách chất lỏng sin 𝛼 sin 𝛽 Chỉ số khúc xạ n phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng 1°C thì n giảm đi khoảng 5.10-4 lần. Chỉ số khúc xạ n thay đổi theo bước sóng của ánh sáng đi qua. Thường người ta dùng ánh sáng vàng của natri kim loại. Hình II.12. Máy đo khúc xạ kế ABBE để bàn Atago NAR-1T Liquid Vì có sự phụ thuộc trên nên chỉ số khúc xạ ghi trong các tài liệu bao giờ cũng đi kèm theo nhiệt độ và vạch của ánh sáng: ntD (t là nhiệt độ, D là ánh sáng vàng của natri), n là trị số tuyến tính của nồng độ thể tích của các cấu tử khi hoà tan vào nhau không làm tăng thể tích (nếu tăng thể tích nó là đường cong). Chỉ số khúc xạ có ý nghĩa lớn trong việc đánh giá độ tinh khiết của chất lỏng. 14 4. Xác định tỉ khối của chất lỏng Tỉ khối của một chất lỏng là tỉ số giữa khối lượng của thể tích chất lỏng và khối lượng của cùng một thể tích nước. Hình II.13. Bình đo tỉ khối (picnomet) Vì thể tích phụ thuộc vào nhiệt độ nên khi đo tỉ khối, bao giờ cũng chú ý đến nhiệt độ. Nếu đo tỉ khối của chất lỏng và nước cùng nhiệt độ, thường là 20°C người ta ghi 𝑑 , nếu đo khác nhiệt độ, thường đo chất lỏng ở 20°C, nước ở 4°C, vì ở nhiệt độ này nước có thể tích bé nhất và khi đó ta ghi 𝑑 . Độ chính xác của phép đo tỉ khối đến con số lẻ thứ 3, nên người ta dùng tỉ khối để xác định độ tinh khiết của chất lỏng, hay qua tỉ khối mà hiểu được phần nào thành phần của chất lỏng. III. MỘT SỐ KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM CƠ BẢN 1. Đun nóng và làm lạnh a. Đun nóng Các phản ứng hữu cơ xảy ra chậm nên thường phải đun nóng để thúc đẩy phản ứng. Có thể đun nóng bình phản ứng, hơi nước hay bếp điện tuỳ theo nhiệt độ, tốc độ cần phải đun nóng và quy trình bảo hộ lao động. Thường người ta đun nóng bình phản ứng bằng bếp điện. Khi cần ta dùng môi trường truyền nhiệt để đun, các môi trường truyền nhiệt thường dùng là nước, dầu hay cát, kim loại… tuỳ theo yêu cầu nhiệt độ của phản ứng. Những phản ứng cần nhiệt độ cao hơn 100°C có thể dùng bếp cách dầu, cách cát, cách parafin hay cách kim loại. Để theo dõi nhiệt độ phản ứng, người ta dùng nhiệt kế cắm trực tiếp vào hỗn hợp phản ứng. Để điều chỉnh nhiệt độ đun, ta dùng máy điều nhiệt hay nhiệt kế tiếp xúc. Chú ý: Không bao giờ dùng nguồn nhiệt có khả năng bật ra tia lửa (như ngọn lửa, dây mayso của bếp điện trần) để đun các chất lỏng dễ cháy, sôi dưới 100°C. Ví dụ: đietyl ete, cacbon đisunfua… Nếu phải thao tác với các chất này với lượng lớn thì nhất thiết phải tiến hành trong những nơi có điều kiện phòng cháy nổ đặc biệt. 15 Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi của nó mà chưa sôi, đó là hiện tượng quá sôi. Hiện tượng này hết sức nguy hiểm, nếu chúng ta tiếp tục đun, sẽ sôi đột ngột cực mạnh và phụt nổ. Để khắc phục hiểm hoạ này người ta cho thêm đá bọt vào chất lỏng trước lúc đun (mảnh nhỏ sành, sứ không tráng men). Cần chú ý rằng đá bọt chỉ dùng một lần vì khi nhiệt độ giảm, đá bọt hút chất lỏng vào lỗ xốp nên không còn tác dụng. Tuyệt đối không cho đá bọt vào chất lỏng gần sôi, đang sôi và nhất là quá sôi. b. Làm lạnh Nếu muốn làm lạnh trong khoảng nhiệt độ không thấp lắm thì sử dụng nước đá lạnh hoặc đá lạnh. Nếu muốn làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn 0oC thì dùng đá nghiền trộn với muối vô cơ. Nếu muốn làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn có thể dùng CO2 làm lạnh đến -78°C hoặc nitơ lỏng làm lạnh đến -196°C. Lượng tương đối (g) Muối Giới hạn thấp của nhiệt độ (oC) Đá nghiền Muối NaCl 100 33 -21,5 KCl 100 30 -11 NH4Cl 100 25 -15 NH4NO3 100 50 -17 NaNO3 100 50 -18 NH4Cl + NaNO3 100 13 – 38 -31 49 100 -19,5 61 100 -39 70 100 -54,9 CaCl2.6H2O 2. Gạn, lọc và li tâm a. Gạn và lọc Phương pháp gạn là phương pháp đơn giản để tách chất rắn ra khỏi dung môi bằng cách để chất rắn lắng xuống thành kết tủa sau đó gạn. Lọc là phương pháp thông thường để tách chất rắn ra khỏi chất lỏng bằng cách cho chất lỏng đi qua màng lọc, màng lọc có thể là giấy lọc có độ mịn khác nhau (giấy lọc 16 thường, băng vàng, băng xanh); có thể là vải lọc, bông, có thể là thuỷ tinh xốp với các cỡ từ G1 đến G6. Lọc tạp chất để lấy dịch lọc sạch, người ta dùng giấy lọc gấp để dịch chảy sang nhanh (lọc ở áp suất thường). Lọc lấy tinh thể thường dùng phễu lọc Bucne (lọc ở áp suất thấp hoặc lọc hút). * Lọc áp suất thường (Hình II.14) - Xếp giấy lọc cho vào phễu lọc. - Khi đổ dung dịch vào phễu lọc phải đổ cẩn thận và từ từ theo đũa thủy tinh để tránh làm rách giấy lọc. Hình II.14. Cách gấp giấy lọc và lọc ở áp suất thường bằng phễu thủy tinh Hinh II.15. Hệ thống lọc áp suất thấp 17 * Lọc áp suất thấp: - Dùng phễu xốp hoặc phễu Bucne cùng với bình Bunzen. - Cắt giấy lọc vừa khít với phễu, cho vài giọt dung dịch lọc cho ướt giấy, mở máy bơm hút nhẹ để áp sát giấy vào phễu, không để lọt chất qua. - Lắp ráp như hình vẽ (Hình II.15). - Cho chất lên phễu và mở máy bơm hút ở áp suất vừa phải đến khi hết dung dịch; rút dây nối chân không, cho dịch rửa ngập, khuấy đều, nhẹ nhàng đủ kỹ nhưng tránh rách giấy lọc, cắm lại dây nối chân không, hút đến khô. Để khô ngoài không khí hoặc sấy khô trong tủ sấy tùy trường hợp. (a) Lọc lấy dịch (b) Bình lọc hút và phễu Bucne (c) Bộ lọc Bucne bán vi lượng (d) Bộ lọc vi lượng: phễu, đinh, ống đựng Hình II.16. Các phương pháp lọc dùng giấy lọc Trong trường hợp phải lọc nóng để loại tiếp tạp chất trước lúc cho kết tinh, ta dùng phễu lọc loại (c) hay (d) (hình II.17). Trong trường hợp tinh thể dễ tan, người ta lọc lạnh (b) (hình II.17). Nếu dung dịch axit mạnh hay bazơ mạnh làm hỏng giấy lọc thì dùng phễu thuỷ tinh xốp (a) (hình II.17). (a) Lọc chịu axit, chịu kiềm (b) Lọc lạnh theo kiểu Bucne (c) Lọc nóng thông thường Hình II.17. Các phương pháp lọc đặc biệt 18 (d) Lọc nóng Bucne b. Li tâm Li tâm là phương pháp tách một cách nhanh chóng các phân tử có khối lượng riêng khác nhau. Thông thường tách các pha rắn ra khỏi pha lỏng khi nồng độ pha rắn lớn nhờ lực li tâm. Trong trường hợp lọc rồi mà dung dịch vẫn đục, nghĩa là tạp chất qua được giấy lọc, thì người ta dùng phương pháp li tâm siêu tốc để loại tạp chất ra khỏi dung dịch. Thao tác với li tâm siêu tốc cần tuân theo những nguyên tắc làm việc nghiêm ngặt như cho lượng chất vào các ống phải bằng nhau, ống phải đặt đối xứng nhau, đậy nắp cẩn thận rồi mới cho máy chạy, để máy ngừng hẳn rồi mới mở nắp lấy sản phẩm… Hình II.18. Máy li tâm 3. Làm khô Làm khô trong hoá hữu cơ là làm mất nước. Một chất làm khô được gọi là tốt khi cường độ làm khô của nó mạnh và khả năng làm khô của nó lớn. Cường độ làm khô được đánh giá bằng áp suất hơi nước của chất đó, khả năng làm khô được đánh giá bằng lượng nước hấp thụ được. Các chất như P4O10, H2SO4 đặc, CaCl2, MgSO4, Na2SO4… đều là các chất làm khô mạnh. Người ta còn chia chất làm khô thành 3 loại: axit như P4O10, H2SO4 đặc; bazơ như KOH, NaOH viên…; và chất làm khô trung tính: MgSO4, Na2SO4… Tuỳ theo tính chất của đối tượng được làm khô mà người ta lựa chọn chất làm khô thích hợp theo nguyên tắc không làm biến chất chất được làm khô cả về tính chất vật lí và hoá học. Ví dụ: làm khô HX, CS2, C2H2… dùng P4O10, H2SO4 đặc; làm khô ancol, amoniac, amin… dùng NaOH, KOH viên; làm khô ete, hydrocacbon, benzen… dùng natri kim loại. Khi làm khô các chất mẫn cảm với axit cũng như bazơ người ta dùng chất làm khô trung tính như MgSO4, Na2SO4… a. Làm khô chất khí Làm khô các chất khí (hydro, HCl, nitơ, oxi) thường cho khí lội qua bình rửa khí H 2SO4 đặc và có màng thuỷ tinh xốp. 19