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有机化学实验教案 有机化学实验教案化学化工与生命科学学院有机化学重点课程建设组编印二O一二年十二月有机化学实验目录实验一有机化学实验常识、安全教育、仪器发放实验二熔点的测定实验三蒸馏和沸点的测定实验四减压蒸馏实验五水蒸气蒸馏实验六重结晶及过滤实验七萃取实验八有机化合物元素定性分析实验九1-溴丁烷的制备实验十正丁醚的制备实验十一 简单分馏实验十二 苄叉及二苄叉丙酮的制备实验十三 苯乙酮的制备实验十四 肉桂酸的制备实验十五 乙酰苯胺的制备实验十六 三苯甲醇的制备实验十七 乙酰乙酸乙酯的制备实验十八 生物碱的提取实验十九 薄层色谱实验二十 柱色谱实验二十一 未知物的鉴定(醛、酮、醇、糖) 实验一 有机化学实验常识、安全教育、仪器发放一、教学目的、任务 1.使学生掌握有机化学实验的基本操作技术,培养学生能以小量规模正确地进行制备试验和性质实验,分离和鉴定制备产品的能力。 2.培养能写出合格的实验报告,初步会查阅文献的能力。 3.培养良好的实验工作方法和工作习惯,以及实事求是和严谨的科学态度。为此,我们首先介绍有机化学实验的一般知识,学生在进行有机化学实验之前,应当认真学习和领会这部分内容。二、有机化学实验室的一般知识 1.有机化学实验室规则 为了保证有机化学实验正常进行,培养良好的实验方法,并保证实验室的安全,学生必须严格遵守有机化学实验室规则。 (1)切实做好实验前的准备工作。 (2)进入实验室时,应熟悉实验室灭火器材,急救药箱的放置地点和使用方法。 (3)实验时应遵守纪律,保持安静。 (4)遵从教师的指导,按照实验教材所规定的步骤、仪器及试剂的规格和用量进行实验。 (5)应经常保持实验室的整洁。 (6)爱护公共仪器和工具,应在指定地点使用,保持整洁。 (7)实验完毕离开实验室时,应把水、电和煤气开关关闭。 2.有机化学实验室安全知识 由于有机化学实验室所用的药品多数是有毒、可燃有腐蚀性或有爆炸性的,所用的仪器设备大部分是玻璃制品,故在实验室工作,若粗心大意,就易发生事故。必须认识到化学实验室是潜在危险场所,必须经常重视安全问题,提高警惕,严格遵守操作规程,加强安全措施,事故是可以避免的。 下面介绍实验室的安全守则和实验室事故的预防和处理。 (1)实验室安全守则。 (2)实验室事故的预防。 火灾的预防。 爆炸的预防。 中毒的预防。 触电的预防。 (3)事故的处理和急救。 火灾的处理。 玻璃割伤。 烫伤。 药品灼伤。 中毒。 (4)急救用具。 3.有机化学实验室常用的仪器和装置 (1)有机化学实验室常用普通玻璃仪器。 (2)有机化学实验室常用标准接口玻璃仪器。 (3)有机化学实验室常用装置。 (4)仪器的装备。 4.常用玻璃器皿的洗涤和保养 (1)玻璃器皿的洗涤。 (2)玻璃仪器的干燥。 (3)常用仪器的保养。 5.实验预习、实验记录和实验报告的基本要求 学生在本课程开始时,必须认真地本学习书第一部分有机化学实验的一般知识,在每个实验时,必须做好预习,实验记录和实验报告。 (1)预习。 (2)无预习报告,不得进入实验室。 (3)实验记录。 (4)实验报告基本要求。 6.有机化学实验文献 (1)工具书。 (2)参考书。 (3)期刊杂志。 (4)化学文献。三、有机化学实验须知 1.学生要提前5 min 进入实验室,实验时必须穿白大褂。 2.实验前必须写好预习报告,预习报告不合格不允许做实验。做实验时只能看预习报告,不能看实验教材。 3.实验时必须听从实验教师的指导,不听从指导者,教师有权停止其实验,本次实验按不及格论。 4.学生不能自己擅自决定重做实验,否则本次实验按不及格论。 5.实验中不得有任何作弊行为,否则本课程按不及格论。 6.在设计性实验阶段,将开放实验室。四、怎样写预习报告 在实验前,应认真预习,并写出预习报告,其内容如下:(一)、实验目的 写实验目的通常包括以下三个方面: 1.了解本实验的基本原理; 2.掌握哪些基本操作; 3.进一步熟悉和巩固的已学过的某些操作。(二)、反应原理及反应方程式 本项内容在写法上应包括以下两部分内容: 1.文字叙述 ? 要求简单明了、准确无误、切中要害。 2.主、副反应的反应方程式。(三)、实验所需仪器的规格和药品用量 按实验中的要求列出即可。(四)、原料及主、副产物的物理常数 物理常数包括:化合物的性状、分子量、熔点、沸点、相对密度、折光率、溶解度等。 查物理常数的目的不仅是学会物理常数手册的查阅方法,更重要的是因为知道物理常数在某种程度上可以指导实验操作。 例如:相对密度?通常可以告诉我们在洗涤操作中哪个组分在上层,哪个组分在下层。 溶解度?可以帮助我们正确地选择溶剂。(五)、实验装置图 画实验装置图的目的是:进一步了解本实验所需仪器的名称、各部件之间的连接次序?即在纸面上进行一次仪器安装。 画实验装置图的基本要求是?横平竖直、比例适当。(六)、实验操作示意流程 实验操作示意流程是实验操作的指南。 实验操作示意流程通常用框图形式来表示,其基本要求是:简单明了、操作次序准确、突出操作要点。(七)、产率计算 在实验前,应根据主反应的反应方程式计算出理论产量。计算方法是以相对用量最少的原料为基准,按其全部转化为产物来计算。 五、怎样做实验记录 实验时认真操作,仔细观察,积极思考,边实验边记录是科研工作者的基本素质之一。学生在实验课中就应养成这一良好的习惯,切忌事后凭记忆或纸片上的零星记载来补做实验记录。 在实验记录中应包括以下内容: 1.每一步操作所观察到的现象,如:是否放热、颜色变化、有无气体产生、分层与否、温度、时间等。尤其是与预期相反或教材、文献资料所述不一致的现象更应如实记载。 2.实验中测得的各种数据,如:沸程、熔点、比重、折光率、称量数据(重量或体积)等。 3.产品的色泽、晶形等。 4.实验操作中的失误,如:抽滤中的失误、粗产品或产品的意外损失等。 实验记录要求实事求是,文字简明扼要,字迹整洁。实验结束后交教师审阅签字。六、怎样讨论实验结果 实验结果讨论主要是针对产品的产量、质量进行讨论,找出实验成功或失败的原因。七、有机化学实验的常用仪器 实验二 熔点的测定一、实验目的 1.了解熔点测定的意义。 2.掌握熔点测定的操作方法。 3.了解利用对纯粹有机化合物的熔点测定校正温度计的方法。 4.掌握热浴间接加热技术。二、实验原理 晶体化合物的固液两态在大气压力下成平衡时的温度称为该化合物的熔点。纯粹的固体有机化合物一般都有固定的熔点,即在一定的压力下,固液两态之间的变化是非常敏锐的,自初熔至全熔(熔点范围称为熔程),温度不超过0.5-1。如果该物质含有杂质,则其熔点往往较纯粹者为低,且熔程较长。故测定熔点对于鉴定纯粹有机物和定性判断固体化合物的纯度具有很大的价值。 如果在一定的温度和压力下,将某物质的固液两相置于同一容器中,将可能发生三种情况:固相迅速转化为液相;液相迅速转化为固相;固相液相同时并存。 上图(1)表示该物质固体的蒸气压随温度升高而增大的曲线; 上图(2)表示该物质液体的蒸气压随温度升高而增大的曲线; 上图(3)表示(1)与(2)的加合,由于固相的蒸气压随温度变化的速率较相应的液相大,最后两曲线相交于M处(只能在此温度时),此时固液两相同时并存,它所对应的温度TM即为该物质的熔点。 上图(4)当含杂质时(假定两者不形成固溶体),根据拉乌耳Raoult定律可知,在一定的压力和温度条件下,在溶剂中增加溶质,导致溶剂蒸气分压降低(图中M1L1),固液两相交点M1即代表含有杂质化合物达到熔点时的固液相平衡共存点,TM1为含杂质时的熔点,显然,此时的熔点较纯粹者低。三、课堂内容 1.通过提问检查学生预习情况(CAI课件预习及实验书预习),提问内容如下: (1)什么是熔点? 测定熔点有何意义? (2)什么是熔程?纯净的固体有机化合物的熔程是多少?物质不纯时熔点及熔程有何变化? (3)测熔点时样品为什么要研细,装实? (4)油浴温度下降多少时再换另一根样品管? (5)熔点管中装样品多少? (6)当接近熔点时加热速度为多少? (7)做本实验时应注意什么? 2.让学生演示安装及操作并讲解。 3.教师讲解熔点测定仪的使用与操作方法及注意事项。四、课堂学生测试的样品待测样品测试方法m.p.苯甲酸(未知物1)水杨酸(未知物2)毛细管法毛细管法122-123(122.4)156-157(157)五、仪器、药品 仪器:Thiele管;200温度计;熔点管、长玻璃管60cm;表面皿(中号)、锉刀、切口软木塞、胶塞、橡皮圈数字熔点仪、镊子等。酒精灯 药品:未知物1苯甲酸;未知物2水杨酸;浓硫酸(热载体);工业酒精六、实验步骤 1.熔点管的制备(参见相关实验) 2.向熔点管填装样品 样品粉末要研细,取少许研细干燥的待测样品于表面皿上,并聚成一堆。将熔点管开口向下插入样品中,然后将熔点管开口向上轻轻在桌面上敲击,使样品进入熔点管,再取约40cm的干净玻璃管垂直台面上,把熔点管上端自由落下,重复几次使样品填装紧密均匀,以达到测熔点时传热迅速均匀的目的。样品高度约2-3mm。装好后去除沾在熔点管外的样品,以免沾污热浴。一次熔点测定一般同时装好4根熔点管。对于易升华或易吸潮的物质,装好后立即把毛细管口用小火熔封。 3.热浴的选择与装配仪器 根据样品的熔点选择合适的加热浴液。加热温度在140以下时,选用液体石蜡或甘油。温度低于220时可选用浓硫酸,因硫酸具有较强的腐蚀性,所以操作时应注意安全。 向b形管中加入浴液至支管之上1cm处。然后固定在铁架台上;毛细管底部应位于温度计水银球中部,用橡皮圈或线绳将毛细管固定在温度计上,橡皮圈不能浸入浴液;用b形管时,温度计的水银球应处于两侧的中部,不能接触管壁。 4.校正温度计 将已知样品放入热浴中,测定其熔点,将测定值与文献值对照,其差值即为校正系数。 5.测定 (1)粗测 若未知物的熔点,应先粗测一次。粗测加热可稍快,升温速率约5-6/min。到样品熔化,记录熔点的近似值。 (2)精确测定 测定前,先待热浴温度降至熔点约30以下,换一根样品管,慢慢加热,一开始5/min,当达到熔点下约15时,以1-2/min升温,接近熔点时,以0.2-0.3/min升温,当毛细管中样品开始塌落和有湿润现象,出现下滴液体时,表明样品已开始熔化,为始熔,记下温度,继续微热,至成透明液体,记下温度为全熔。 熔点测定至少要进行2次,2次的数据应一致。每次测定必须用新装样品的毛细管,不可用已测过熔点的样品管。对于未知熔点的测定,可先以快速加热粗测,然后待浴液冷却至熔点以下约30左右时,再做精密的测定。 通常在熔程为0.5-1.0时化合物则被认为是纯物质。 物质熔点测定是有机化学工作者常用的一种技术,所得的数据可用来鉴定晶体的有机化合物并作为该化合物纯度的一种指标。七、装置图 八、注意事项 1.实训完毕,待浴液冷却后,将浴液倒回原瓶中,用滤纸擦去温度计上的浴液冷却后,用水冲洗,以免温度计水银球破裂。 2.样品要研细、装实,使热量传导迅速均匀。样品高度2-3mm,沾附于管外粉末必须擦去,以免污染加热浴液。 3.控制升温速度,开始稍快,当传热液温度距离该化合物熔点约10时,调整火焰上升速度为1-2/min,愈接近熔点,升温速度愈慢,使0.2-0.3/min。 4.仪器的装配一般是从下向上,从左到右,先难后易逐个地装配,拆卸时,按照与装配时相反的顺序,逐个拆除。 5.仪器用铁夹牢固地夹住,不宜太松或太紧,铁夹不能与玻璃直接接触,应套上橡皮管,垫上石棉网,需要加热的仪器,应夹住仪器受热最低的位置,冷却管则应夹在中间部分。 6.每个样品测三次(粗测一次,细测两次)。 7.注意观察温度计的温度。 8.油浴温度下降30以下时更换另一根管。 9.用熔点测定仪测熔点时,取放盖玻片和隔热玻璃时,一定要用镊子夹持,严禁用手触摸,以免烫伤(因熔点热台属高温部件)。 10.温度超过250时,浓硫酸发生白烟,防碍温度的读数,在这种情况下,可在浓硫酸中加入硫酸钾,加热使成饱和溶液,然后进行测定。 11.在热浴中使用的浓硫酸有时由于有机物掉入酸内而变黑,防碍对样品熔融过程的观察,在这种情况下,可以加入一些硝酸钾晶体,以除去有机物质。九、熔点测定可能产生误差的因素 1.熔点管不洁净。如含有灰尘等,能产生4-10的误差。 例如,熔点管内壁含有碱性物质,能催化醛或酮的羟醛缩合,或使糖类及其衍生物发生变旋作用,而使熔点降低,熔程变大;故熔点管必须洁净。 2.点管底未封好而产生漏管。检查是否为漏管,不能用吹气的方法,否则会使熔点管内产生水蒸气及其它杂质。检查的方法为:当装好样品的毛细管浸入浴液后,发现样品变黄或管底渗入液体,说明为漏管,应弃去,另换一根。 3.样品粉碎不够细。填装不结实,产生空隙,则不易传热,造成熔程变大。 4.样品不干燥或含有杂质。根据拉乌耳(Raoult)定律,会使熔点偏低,熔程变大。 5.样品量的多少也会影响。太少不便观察,产生熔点偏低;太多会造成熔程变大,熔点偏高。 6.升温速度应慢,让热传导有充分的时间。升温速度过快,熔点偏高。 7.熔点管壁太厚,热传导时间长,会产生熔点偏高。 归纳上述因素为四个: (1)熔点管规范(包括规格、管底封闭、洁净等)。 (2)样品合格(包括干燥、粒度等)。 (3)样品填装符合要求(量的多少、填充结实与否)。 (4)升温速度。十、实验要求 1.准确测试样品的熔点。 2.实验后上交实验报告。十一、讨论题 1.测定熔点时产生误差的因素有哪些? 2.毛细管法与数字熔点仪法测熔点的优缺点各是什么? 3.两个样品的熔点相同,能否确定它们是同一种物质? 4.测定熔点时,下列情况对实验结果有何影响? (1)加热过快 (2)样品中有杂质 (3)熔点管太厚 (4)熔点管不干净 (5)温度计未校正 5.若样品研磨的不细,对装样品有什么影响?对测定有机物的熔点数据是否可靠? 6.加热的快慢为什么会影响熔点?在什么情况下加热可以快一些,而在什么情况下加热则要慢一些? 7.是否可以使用第一次测定熔点时已经熔化了的有机化合物再做第二次测定呢?为什么?实验三 蒸馏和沸点的测定一、实验目的 1.了解测定沸点的意义和蒸馏的意义,掌握常量法(即蒸馏法)及微量法测定沸点的原理和方法。 2.掌握圆底烧瓶、直型冷凝管、蒸馏头、真空接受器、锥形瓶等的正确使用方法,初步掌握蒸馏装置的装配和拆卸技能。 3.掌握正确进行蒸馏操作和微量法测定沸点的要领和方法。 4.掌握水浴加热操作技术。二、?实验原理 液体的分子由于分子运动有从表面逸出的倾向,这种倾向随着温度的升高而增大。如果把液体置于密闭的真空体系中,液体分子继续不断地逸出而在液面上部形成蒸气,最后使得分子由液体逸出的速度与分子由蒸气中回到液体中的速度相等,亦即使其蒸气保持一定的压力。此时液面上的蒸气达到饱和,称为饱和蒸气。它对液面所施加的压力称为饱和蒸气压。 实验证明,液体的蒸气压只与温度有关,即液体在一定温度下具有一定的蒸气压。这是指液体与它的蒸气平衡时的压力,与体系中存在的液体和蒸气的绝对量无关。 当液体的蒸气压增大到与外界施于液面的总压力(通常是大气压力)相等时,就有大量气泡从液体内部逸出,即液体沸腾。这时的温度称为液体的沸点,通常所说的沸点是在0.1Mpa(即760mmHg)压力下液体的沸腾温度。例如水的沸点为100,即指大气压为760mmHg时,水在100时沸腾。在其它压力下的沸点应注明,如水的沸点可表示为95/85.3kPa。 在常压下蒸馏时,由于大气压往往不是恰好为0.1Mpa,但由于偏差一般都很小,因此可以忽略不计。 纯粹的液体有机化合物在一定的压力下具有一定的沸点,但是具有固定沸点的液体不一定都是纯粹的化合物,因为某些有机化合物常和其它组分形成二元或三元共沸混合物,它们也有一定的沸点。 当液态物质受热时蒸气压增大,待蒸气压大到与大气压或所给压力相等时液体沸腾,即达到沸点。所谓蒸馏就是将液态物质加热到沸腾变为蒸气,又将蒸气冷却为液体这两个过程的联合操作。 分馏:如果将两种挥发性液体混合物进行蒸馏,在沸腾温度下,其气相与液相达成平衡,出来的蒸气中含有较多量易挥发物质的组分,将此蒸气冷凝成液体,其组成与气相组成等同(即含有较多的易挥发组分),而残留物中却含有较多量的高沸点组分(难挥发组分),这就是进行了一次简单的蒸馏。 如果将蒸气凝成的液体重新蒸馏,即又进行一次气液平衡,再度产生的蒸气中,所含的易挥发物质组分又有增高,同样,将此蒸气再经冷凝而得到的液体中,易挥发物质的组成当然更高,这样我们可以利用一连串的有系统的重复蒸馏,最后能得到接近纯组分的两种液体。 应用这样反复多次的简单蒸馏,虽然可以得到接近纯组分的两种液体,但是这样做既浪费时间,且在重复多次蒸馏操作中的损失又很大,设备复杂,所以,通常是利用分馏柱进行多次气化和冷凝,这就是分馏。 在分馏柱内,当上升的蒸气与下降的冷凝液互凝相接触时,上升的蒸气部分冷凝放出热量使下降的冷凝液部分气化,两者之间发生了热量交换,其结果,上升蒸气中易挥发组分增加,而下降的冷凝液中高沸点组分(难挥发组分)增加,如果继续多次,就等于进行了多次的气液平衡,即达到了多次蒸馏的效果。这样靠近分馏柱顶部易挥发物质的组分比率高,而在烧瓶里高沸点组分(难挥发组分)的比率高。这样只要分馏柱足够高,就可将这种组分完全彻底分开。工业上的精馏塔就相当于分馏柱。三、课堂内容 通过提问检查学生预习情况,提问内容如下: 1.测沸点有何意义? 2.什么是沸点?纯液态有机化合物的沸程是多少? 3.什么是蒸馏?蒸馏的意义? 4.什么是爆沸?如何防止爆沸? 5.沸石为什么能防止爆沸? 6.蒸馏的用途? 7.何时用常量法测沸点何时用微量法测沸点? 8.测折光率的意义? 9.测折光率的原理? 10.有机实验室常用的热源?加热的方式有几种? 11.热浴的方式有几种? 12.安装、拆卸仪器装置的顺序是什么? 13.冷凝管的种类有几种? 14.蒸馏物的体积是多少? 15.蒸馏装置中温度计的位置是怎样的?四、实验仪器及设备 1.30mL圆底烧瓶19# 2.蒸馏头9#3或19#214# 3.温度计套管9#或4# 4.温度计100 5.直形冷凝管(短的)19#2 6.接尾管19#2 7.30 mL三角瓶1个 8.100 mL烧杯1个 9.30 mL量筒 10.沸点管,温度计100,胶塞,沸石,乳胶套圈 11.升降架2个 12.250 mL加热套,三角架,s扣,夹子。 ?药品:95 % C2H5OH 15 mL/人、C6H6 (AR纯五、实验装置图六、实验步骤 1.蒸馏装置安装 (1)根据蒸馏物的量,选择大小合适的蒸馏瓶(蒸馏物液体的体积,一般不要超过蒸馏瓶容积的2/3,也不要少于1/3。 (2)仪器安装顺序一般为:热源(电炉、水浴、油浴或其它热源)蒸馏瓶(固定方法、离热源的距离,其轴心保持垂直)蒸馏头(其对称面与铁架平行)冷凝管(若为直形冷凝管则应保证上端出水口向上,与橡皮管相连至水池;下端进水口向下,通过橡皮管与水龙头相连;才能保证套管内充满水)接液管或称尾接管(根据需要安装不同用途的尾接管,例如,减压蒸馏需安装真空尾接管)接受瓶(一般不用烧杯作接受器,常压蒸馏用锥形瓶,减压蒸馏用圆底烧瓶;正式接受馏液的接受瓶应事先称重并做记录)借助温度计导管将温度计固定在蒸馏头的上口处(使温度计水银球的上限与蒸馏头侧管的下限同处一水平线上)。 安装仪器顺序一般都是自下而上,从左到右,先难后易。撤卸仪器与安装顺序相反。 2.蒸馏操作(样品:95%的乙醇) (1)加料:将待蒸馏液通过玻璃漏斗小心倒入蒸馏瓶中。不要使液体从支管流出。加入几粒沸石,塞好带温度计的塞子。 (2)加热:用水冷凝管时,先打开冷凝水龙头缓缓通入冷水,然后开始加热。加热时可见蒸馏瓶中液体逐渐沸腾,蒸气逐渐上升,温度计读数也略有上升。当蒸气的顶端达到水银球部位时,温度计读数急剧上升。这时应适当调整热源温度,使升温速度略为减慢,蒸气顶端停留在原处,使瓶颈上部和温度计受热,让水银球上液滴和蒸气温度达到平衡。然后再稍稍提高热源温度,进行蒸馏(控制加热温度以调整蒸馏速度,通常以每秒1-2滴为宜。在整个蒸馏过程中,应使温度计水银球上常有被冷凝的液滴。此时的温度即为液体与蒸气平衡时的温度。温度计的读数就是液体(馏出液)的沸点。热源温度太高,使蒸气成为过热蒸气,造成温度计所显示的沸点偏高;若热源温度太低,馏出物蒸气不能充分浸润温度计水银球,造成温度计读得的沸点偏低或不规则。 (3)观察沸点及收集馏液:进行蒸馏前,至少要准备两个接受瓶,其中一个接受前馏分(或称馏头),另一个(需称重)用于接受预期所需馏分(并记下该馏分的沸程:即该馏分的第一滴和最后一滴时温度计的读数)。 一般液体中或多或少含有高沸点杂质,在所需馏分蒸出后,若继续升温,温度计读数会显著升高,若维持原来的温度,就不会再有馏液蒸出,温度计读数会突然下降。此时应停止蒸馏。即使杂质很少,也不要蒸干,以免蒸馏瓶破裂及发生其它意外事故。 (4)拆除蒸馏装置:蒸馏完毕,先应撤出热源(拔下电源插头,再移走热源),然后停止通水,最后拆除蒸馏装置(与安装顺序相反)。 2.微量法测定沸点操作 样品:本次实验蒸馏收集的95%乙醇。 (1)安装测定装置 取一根内径3-4mm、长7-8cm一端封口的毛细管作为沸点管外管,放入欲测样品4-5滴(液柱高约1cm),在此管中放入一根长8-9cm、内径约1mm的上端封口的毛细管,即开口处浸入样品中。如P.46图2.7那样将沸点管外管贴于温度计水银球旁(使待测液与温度计水银球并齐),用小橡皮圈固定。 (2)沸点测定 将上述装置浸入热水浴中(用烧杯或其它透明玻璃器皿盛水)加热,由于气体膨胀,内管中有断断续续的小气泡冒出来,到达样品沸点时,将出现一连串的小气泡,此时应停止加热,使浴温下降,随着浴温下降,小气泡逸出速度也渐渐减慢。此时应注意观察,记下最后一个气泡出现而刚欲缩回到内管的瞬间(即表示毛细管内液体的蒸气压与大气压平衡)时的温度计读数,此读数就是该液体化合物的沸点。 (3)将微量法测定结果与常量法测定结果进行比较。 液体的沸程常可代表它的纯度。纯粹的液体沸程范围很小(0.5-1,一般不超过2)。对于合成实验的产品,因大部分是从混合物中采用蒸馏法提纯,由于蒸馏方法的分离能力有限,故在普通有机化学实验中收集的沸程较宽。七、注意事项 1.仪器安装要严密、正确。 2.注意安装拆卸的顺序。 3.加热前放沸石,通冷凝水。 4.准确量取15 mL 95 % C2H5OH,蒸馏速度1-2 d/s。 5.不许蒸干,残留液至少0.5 mL,否则易发生事故(瓶碎裂等) 6.液体沸点在80以下的液体用水浴加热蒸馏。 7.仪器装配符合规范。 8.热源温控适时调整得当。 9.馏分收集范围严格无误。 10.微量法测定时,观察最后一个气泡缩回时的温度应准确。八、实验要求 回收产品,教师验收产品的回收量和折光率。上交实验报告。九、思考题 1.什么叫沸点?液体的沸点和大气压有什么关系?文献里记载的某物质的沸点是否即为你们那里的沸点温度? 2.蒸馏时加入沸石的作用是什么?如果蒸馏前忘记加沸石,能否立即将沸石加至将近沸腾的液体中?当重新蒸馏时,用过的沸石能否继续使用? 3.为什么蒸馏时最好控制馏出液的速度为1-2滴/s为宜? 4.如果液体具有恒定的沸点,那么能否认为它是单纯物质? 5.分馏和蒸馏在原理及装置上有哪些异同?如果是两种沸点很接近的液体组成的混合物能否用分馏来提纯呢? 6.若加热太快,馏出液1-2滴/s(每秒种的滴数超过要求量),用分馏分离两种液体的能力会显著下降,为什么? 7.用分馏柱提纯液体时,为了取得较好的分离效果,为什么分馏柱必须保持回流液? 8.在分离两种沸点相近的液体时,为什么装有填料的分馏柱比不装填料的效率高? 9.什么叫共沸物?为什么不能用分馏法分离共沸混合物? 10.在分馏时通常用水浴或油浴加热,它比直接火加热有什么优点?实验四 减压蒸馏一、实验目的 1.学习减压蒸馏的原理及其应用 2.掌握减压蒸馏仪器的安装及其操作技术二、预习要求 理解减压蒸馏的定义;了解减压蒸馏的用途及适用范围;了解各种泵的减压效率;巩固有机实验装置搭配顺序;掌握测压计的使用;思考在本实验中如何防止汞中毒、玻璃仪器炸裂、倒吸等实验事故的发生。三、实验原理 减压蒸馏,顾名思义就是减少蒸馏系统内的压力,以降低其沸点来达到蒸馏纯化的目的的蒸馏操作。实验证明:当压力降低到1015毫米汞柱(1.32.0kPa)时,许多有机化合物的沸点可以比其常压下的沸点降低80100。因此,减压蒸馏对于分离或提纯沸点较高或者性质比较不稳定的液态有机化合物具有特别重要的意义。因为这类有机化合物往往加热未到沸点即已分解、氧化、聚合,或者其沸点很高很难达到,而采用减压蒸馏就可以避免这种现象的发生。所以,减压蒸馏也是分离、提纯液态有机物常用的方法。 减压蒸馏亦称真空蒸馏,一般把低于101.3kPa压力的气态空间称为真空,因此真空在程度上有很大的差别。 在减压蒸馏实验前,应先从文献中查阅该化合物在所选压力下相应的沸点。如果缺乏此数据,常用下述经验规律大致推算,仅供参考。 当蒸馏在13331999Pa(1015mmHg)下进行时,压力每相差133.3Pa(1 mmHg)沸点相差约1。在实际减压蒸馏中,可以参阅图6-1,估计一个化合物的沸点与压力的关系,从某一压力下的沸点可推算另一压力下的沸点近似值。 例如,常压下沸点为250的某有机物,减压到10mmHg时沸点应该是多少?可先从上图B线(中间的直线)上找出250的沸点,将此点与C线(右边直线)上的10mmHg的点连成一直线,延长此直线与A线(左边的直线)相交,交点所示的温度就是10mmHg时的该有机物的沸点,约为110。此沸点,虽然为估计值,但较为简便,有一定参考价值。液体在常压下的沸点和减压下的沸点近似关系图 沸点与压力的关系也可以近似地用下式求出:1gP=A十B / T P为蒸气压,T为沸点热力学温度,K,A,B为常数。如以1gP为纵坐标,T为横坐标,可以近似地得到一直线。从两组已知的压力和温度算出A和B的数值,再将所选择的压力代人上式即可算出液体的沸点。但实际上许多化合物沸点的变化并不是如此,主要是化合物分子在液体中缔合程度不同。四、实验内容(一)减压蒸馏装置 常用的减压蒸馏装置如图所示。主要包括蒸馏、量压、保护和减压四部分。减压蒸馏装置 1、蒸馏部分:主要仪器有热浴锅、双颈蒸馏烧瓶A(又称Claisen克氏蒸馏烧瓶)、毛细管C、冷凝管、多头尾接管G、接液瓶B等。 通常根据馏出液沸点的不同选择合适的浴液,不能直接用火加热。减压蒸馏过程中,一般控制浴液温度比液体的沸点高2030。双颈蒸馏烧瓶A的设计目的是防止由于暴沸或者泡沫的发生而使混合液溅入蒸馏烧瓶支管。毛细管C(其实是一端拉成毛细管的玻璃管,拉制方法见实验一)插入到距瓶底约12 mm地方,可以防止暴沸,又可以用来平衡气压。毛细管C的粗口端套上一段橡皮管,用螺旋夹D 夹住,用来调节进入瓶中的空气量。否则,将会引入大量空气,达不到减压蒸馏的目的! 蒸馏150以上物质时,可用蒸馏烧瓶作为接液瓶(切勿使用三口烧瓶);蒸馏150以下物质时,接受器前应连接合适的冷凝管。如果蒸馏不能中断或要分温度段接收馏出液,则要采用多头尾接管。通过转动多头尾接管使不同馏分收集到不同接液瓶中。 2、量压部分 主要仪器是测压计(如水银测压计),其作用是测量减压蒸馏系统的压力。水银测压计的结构如图所示。 (1)封闭式 (2)开口式 测压计装汞装置 封闭式水银测压计设计轻巧、读数方便,但是这种测压计在装汞时要严格控制不让空气进入,否则准确度受到影响。所以常用特定的装汞装置进行装汞:先将纯净的汞放入小圆底烧瓶内,然后如图与测压计连接,用高效油泵抽空至0.1mmHg以下。然后一边轻拍小烧瓶,使汞内的气泡逸出,一边用微热玻璃管,使气体抽出,最后把汞注入U形管,停止抽气、放入大气即可。 开口式水银测压计如图所示。这种测压计测量准确、装汞方便,但是比较笨重,所用U形管的高度要超过760 mm。U形管两壁汞柱高度之差即为大气压力与系统中压力之差,所以使用时要配有大气压计。另外,由于是开口式,操作时要小心,不要使汞冲出U形管。 3、保护部分 主要包括安全瓶、冷却阱和几个气体吸收塔,其作用是吸收对真空泵有损害的各种气体或者蒸气,借以保护减压设备。 ?般用吸滤瓶作安全瓶E,因为它壁厚耐压。安全瓶的连接位置与方法如图所示,活塞F用来调节压力及放气。冷却阱(又叫捕集管)用来冷凝水蒸气和一些低沸点物质,捕集管外用冰?盐或冰?水混合物冷却。无水氯化钙(或用硅胶)干燥塔,用来吸收经捕集管后还未除净的残余水蒸气。氢氧化钠吸收塔,用来吸收酸性蒸气。最后装上石蜡片干燥塔,用来吸收烃类气体。 4、减压部分 主要装置是加压泵。采用不同的减压泵,可以获得不同的真空度。用水泵可获得1.333100kKa(10760mmHg)的真空,常称为“粗”真空;用油泵可获得0.133133.3Pa(0.00110mmHg)的“次高”真空;用扩散泵可获得0.133Pa(0.001mmHg)的“高”真空。在有机化学实验室中,通常根据需要选择水泵或油泵即可达到目的。 水泵在室温下其抽空效率可以达到825毫米汞柱,此效率取决于水泵的结构、水压、水温等因素。如用水泵抽气,则减压蒸馏装置可简化如图6-5所示。由图可知安全瓶不能少,它可以防止水压下降时水流倒吸。停止蒸馏时要先放气,后关泵。 用水泵的减压蒸馏装置 若要较低的压力,可采用油泵。好的油泵应能抽到l毫米汞柱以下。但是由于油泵的成本较高,所以如果能用水泵抽气的,则尽量使用水泵。一定要用油泵时,蒸馏前必须先用水泵彻底抽去系统中的有机溶剂的蒸气,然后改用油泵,并且在蒸馏部分和减压部分之间,必须装有气体吸收浆置。 减压系统必须保持管道畅通,密封不漏气,橡皮管要用厚壁的橡皮管,磨口玻璃塞涂上真空脂。另外,整套装置中的所有仪器必须是耐压的。(二)减压蒸馏的操作 1、安装、检漏 依据图5-3所示,将仪器按顺序安装好后,先检查系统能否达到所要求的压力。检查方法为:先旋紧双颈蒸馏烧瓶A上毛细管的螺旋夹D,再关闭安全瓶上的活塞F。用泵抽气,观察测压计能否达到要求的压力。若达到要求,就慢慢旋开安全瓶上的活塞,放入空气,直到内外压力相等。如果漏气,则需在漏气部位涂上熔化的石蜡。 2、加料、抽气 在双颈蒸馏烧瓶中加入需要蒸馏的液体混合物,注意不得超过容积的1/2。旋紧安全瓶上的活塞,开动抽气泵,调节安全瓶上的活塞F,观察测压计能否达到要求的压力(粗调)。如果还有微小差距,可调节毛细管上的螺旋夹来控制导入的空气量(微调),以能冒出一连串的小气泡为宜。 3、加热、蒸馏 一段时间后,系统内压力达到所要求的低压时,便开始加热。蒸馏过程中,要经常注意测压计上所指示的压力和温度计读数。控制蒸馏速度以12滴/秒为宜。待达到某一馏分的沸点时,移开热源,更换接受器,收集馏分直至蒸馏结束。 4、后处理 蒸馏完毕,要停止加热,再慢慢旋开夹在毛细管上的橡皮管的螺旋夹,并慢慢打开安全瓶上的活塞放入空气(若放开得太快,水银柱很快上升,有冲破测压计的可能),平衡内外压力,使测压计的水银柱慢慢的恢复原状,然后才可以关闭抽气泵,以免抽气泵中的油倒吸入干燥塔。最后拆除仪器。五、思考题 1、在什么情况下才要用减压蒸馏? 2、在减压蒸馏装置中为什么要有吸收装置? 3、水泵的减压效率如何? 4、使用油泵时要注意那些事项? 5、减压蒸馏过程中为什么不能直接用火加热?实验五 水蒸气蒸馏 一、实验目的学习水蒸气蒸馏的原理及其应用掌握水蒸气蒸馏的装置及其操作方法二、预习要求 理解水蒸气蒸馏的定义;了解水蒸气蒸馏的用途;掌握水蒸气蒸馏的适用范围;掌握有机实验装置搭配顺序;思考在本实验中如何防止水蒸气烫伤、火灾、玻璃仪器炸裂、倒吸等实验事故的发生。三、实验原理 当水和不溶或者难溶于水 1 的有机化合物共热时,整个体系的蒸气压力根据道尔顿分压定律,应为各组分蒸气压之和,即可以表示为:P=P(水)+ PA。上式中P为总的蒸气压,P(水)为水的蒸气压,PA为有机化合物的蒸气压。 当整个体系的蒸气压力(P)等于外界大气压时,混合物开始沸腾,这时的温度即为它们的沸点。所以混合物的沸点将比其中任何一组分的沸点都要低些,即有机物可以在比其沸点低得多的温度下,而且在低于100 的温度下随水蒸气一起蒸馏出来,这样的操作叫水蒸气蒸馏。水蒸气蒸馏是用来分离和提纯液态或者固态有机化合物的重要方法。常见水蒸气蒸馏的混合物沸点见下表5-1。 表 常见水蒸气蒸馏的混合物沸点有机物沸点P(水)/mmHgPA(有机物)/mmHg混合物沸点/乙苯136.2567195.292溴苯156.164611495.5苯甲醛178703.522097.9苯胺184.4717.542.598.4硝基苯210.9738.520.199.21?辛醇195.07441699.4 例如在制备乙苯时,将水蒸气通入含乙苯的反应混合物2中,当温度达到92时,乙苯的蒸气压为195.2 mmHg,水的蒸气压为567 mmHg,两者之和接近大气压,于是混合物沸腾,乙苯就随水蒸气一起被蒸馏出来。蒸馏时混合物的沸点保持不变,直到其中某一组分几乎全部蒸出(因为总的蒸气压与混合物中二者相对量无关)。 随水蒸气蒸馏出来的有机物和水,两者的质量比mA / m 水 等于两者的分压PA和P水分别和两者的相对分子质量MA和M18的乘积之比,因此在馏出液中有机物和水的质量比可以按下式计算: 例如:P水 567 mmHg,P乙苯 195.2 mmHg,M水18,M乙苯106,代入上式得:即每蒸出2克乙苯,便伴随蒸出1克水。 所以馏出液中乙苯的质量分数为: 这个数值为理论值,因为实验时有相当一部分水蒸气来不及与被蒸馏物充分接触便离开了蒸馏烧瓶,同时,以上关系式只适用于不溶于水的化合物,但是在水中绝对不溶的化合物是没有的,所以计算所得值也是一个近似值。四、仪器和试剂 铁架台(铁圈、铁夹)、电炉、石棉网、圆底烧瓶、双孔橡皮塞、弯导管、橡皮管、T形管、长玻璃弯导管、蒸馏烧瓶、单孔橡皮塞、直形冷凝管、尾接管、接液瓶、沸石; 1-辛醇,自来水五、实验内容(一)水蒸气蒸馏装置 实验室的水蒸气蒸馏装置如图所示。主要包括水蒸气发生器部分、蒸馏部分、冷凝部分和接受器四个部分,其中后三部分与简单蒸馏装置类似。 水蒸气蒸馏装置 金属制的水蒸气发生器 水蒸气发生器顾名思义就是产生水蒸气的装置,一般使用金属制成的,如图5-2所示。实验室常用容积较大的短颈圆底烧瓶代替,瓶口配一双孔软木塞,一孔插入长玻璃管(5060cm)作为安全管,另一孔插入水蒸气导出管。导出管用橡皮管与T形管相连。T形管的下管口上套一短橡皮管,橡皮管上用螺旋夹夹住。T形管的另一端与蒸馏部分的水蒸气导入管3相连。这段水蒸气导入管应尽可能短些,以减少水蒸气的冷凝,且T形管右边比左边稍高出一点,可以使冷却水又流回水蒸气发生器。T形管可以用来除去冷凝下来的水,在蒸馏过程中发生不正常的情况时,还可以使水蒸气发生器与大气相通,方法是:将夹子夹在T形管与水蒸气导入管之间的橡皮管上即可,小心烫伤。 蒸馏部分通常是采用三口蒸馏烧瓶。左口塞上塞子;中口插入水蒸气导入管,要求插到液面以下,距瓶底67毫米;右口连接馏分导出管(或蒸馏头),导出管末端连接一直形冷凝管,组成冷凝部分。被蒸馏的液体体积不能超过烧瓶容积的三分之一。也可以用短颈圆底烧瓶代替三口蒸馏烧瓶,且一般将烧瓶倾斜45左右,这样可以避免由于蒸馏时液体跳动十分剧烈引起液体从导出管冲出,以至污染馏分。 为了减少由于反复移换容器而引起的产物损失,常直接利用原来的反应器(即非长颈圆底烧瓶),按图所示装置进行水蒸气蒸馏,如果产物不多,则改用半微量装置,如下图所示。 用原容器进行水蒸气蒸馏的装置 少量物质的水蒸气蒸馏 通过现察水蒸气发生器安全管中水面的高低,可以判断出整个水蒸气蒸馏系统是否畅通。若水面上升很高,则说明有某一部分阻塞,这时应将夹在T形管下端口的夹子取下,改夹到T形管与水蒸气导入管之间的橡皮管上,然后移去热源,稍冷后拆下装置进行检查(一般多数是水蒸气导入管下管被树脂状物质或者焦油状物所堵塞)和处理。否则,就会发生塞子冲出、液体飞溅的危险。(二)水蒸气蒸馏操作 1、检漏 依据图所示,将仪器按顺序安装好后,应认真检查仪器各部位连接处是否严密,是否为封闭体系。 2、加料 在水蒸气发生器中加入约2/33/4体积的热水,并加入几粒止爆剂。从三口蒸馏烧瓶的左口加入待蒸馏的混合物和几粒止爆剂,塞好塞子。再仔细检查一遍装置是否正确,各仪器之间的连接是否紧密,有没有漏气。 3、加热 加热至沸腾。当有大量水蒸气产生从T形管的下管