Úvod do organickej chémie – prednášky.
Predmet organickej chémie.
Vlastnosti organických látok.
Izolácia organických látok.
Reakcie organických látok.
Klasifikácia organických zlúčenín.
Charakterizácia vybraných skupín organických
látok ich využitie a vzťah k ŽP.
ŽP a rizikové organické zlúčeniny.
Úvod do organickej chémie – cvičenia.
1.
Izolácia organických látok. Výpočty v extrakcii.
2. - 6. Názvoslovie v organickej chémii.
7.
1. Priebežná písomná kontrola.
8.
Vybrané reakcie organických zlúčenín.
9. – 11. Stechiometrické výpočty v organickej chémii.
12.
2. Priebežná písomná kontrola.
13.
Zápočet.
Úvod do organickej chémie - podmienky
absolvovania predmetu a spôsob hodnotenia
študentov.
25 % neúčasť ⇒ riadne ospravedlnená,
2 priebežné kontroly: max. 15 b/kontrola – min. 8 b
+ 1 opravný termín,
1 písomná kontrola neúspešná ⇒ zápočtová kontrola –
úspešná ⇒ minimum = 8 b,
zápočet:
max. 30 bodov – min. 16 bodov
skúška ⇒ písomná:
max. 70 b
úspešné absolvovanie: max. 100 b – min. 51 b.
ORGANICKÁ CHÉMIA.
Samostatná disciplína v rámci chemických vied.
Chémia - uhlíka, - uhľovodíkov a ich derivátov.
Obrovské množstvo zlúčenín (8 000 000) ⇔
málo druhov prvkov.
Teoretický základ špecializovaných disciplín
(chémia liečiv, farbív, makromolekulová chémia...).
ÚLOHY ORGANICKEJ CHÉMIE.
syntéza nových látok,
skúmanie vzťahov medzi štruktúrou a
reakčnými schopnosťami,
identifikácia nepopísaných zlúčenín.
ZDROJE ORGANICKÝCH LÁTOK.
Súčasné:
rastliny,
živočíchy,
ostatné organizmy.
Predhistorické:
rašelina,
uhlie,
ropa,
zemný asfalt,
zemný plyn,
zemné vosky.
ekonomické – priemyselné,
VYUŽITIE:
neekonomické – spaľovanie.
VLASTNOSTI ORGANICKÝCH LÁTOK
Stavebné prvky:
C, H, O, N, S, P, X.
organogénne
Svetová produkcia organických látok =
200 – 300 Mt rok-1 ≅
0,2 % z prirodzenej tvorby rastlín ZÁKLADNÁ VLASTNOSŤ ORGANICKÝCH
LÁTOK
Organická látka HORÍ!!!
čistá organická látka
C CO2 / CO H H2O O
S SO2 plynné oxidy,
halogénvodíky
N NOx X- HX organická látka +
kovové súčasti
tuhé oxidy
popol
FYZIKÁLNE VLASTNOSTI
ORGANICKÝCH LÁTOK.
1 Teplota topenia, varu, sublimácie.
2 Hustota.
3 Mólová hmotnosť.
4 Dipólový moment.
5 Index lomu.
6 Polarizovateľnosť molekúl, refrakcia.
7 Optická otáčavosť.
8 Spektrálne vlastnosti.
1 Teplota topenia.
Rovnováha medzi tuhou a kvapalnou fázou.
Ttop (s → l) = Ttuh (l → s).
Čisté látky ⇒ ostrá Ttop.
Nečistoty Ttop vždy znižujú Ttop(zmes) = Ttop(čistá látka) ⇒ látky sú identické.
Ttop(zmes) < Ttop(čistá látka) ⇒ látky sú rôzne.
Meranie teploty topenia:
sklenená kapilára (mg),
vyhrievacie bloky (µ
µg).
sklenená kapilára
vysušená prášková vzorka
teplomer
1. meranie = orientačné
15 °C min-1 ⇒ priehľadná
tavenina ⇒ teplotný interval.
2. meranie = presné 1 °C min-1.
ohrievací kúpeľ
sledovanie topenia
osvetľovacie teleso
nastavenie rýchlosti ohrevu
vyhrievací blok
lupa
držiak vzorky
krycie sklíčko
teplomer
1 Teplota varu.
Rovnováha medzi kvapalnou a plynnou fázou (parami).
Závislá od tlaku.
Nečistoty TV zvyšujú aj znižujú Menej presné kritérium čistoty.
Meranie teploty varu:
destilácia (väčšie objemy),
stanovenie podľa Siwoloboffa (menšie objemy).
Stanovenie destiláciou.
Jednoduchá destilácia väčších
objemov kvapalín ⇒
teplota varu = ustálenej
hodnote teploty
po predestilovaní kvapaliny.
Stanovenie podľa Siwoloboffa.
Orientačné meranie ⇒
únik bubliniek z kapiláry ⇒
pravidelný prúd ⇒
teplotný interval ⇒
ochladenie ⇒
prerušenie prúdu + nasatie
kvapaliny do kapiláry ⇒
presnejšie meranie.
2 Hustota.
Hmotnosť látky v jednotkovom objeme:
m
ρ=
V
−3
M
ρ=
Vm
/ kg m , g cm
−3
Meranie hustoty:
Pyknometre (kvapaliny, tuhé látky).
ρt =
m p +v − m p
pyknometer
+ vzorka
Vt
+ 0,0012
ρvzduch / kg m-3
pyknometer
Vt = 10 cm3
t = 20 °C
kalibrovaná stupnica
hustomery
(kvapaliny)
menej presné ale rýchlejšie.
3 Mólová hmotnosť.
Hmotnosť 1 mólu = M / g mol-1.
Posúdenie identity 2 podobných látok.
Stanovenie mólovej hmotnosti:
Eudiometricky
(prchavé látky).
V
M
m, p, T
4 Dipólový moment.
Vplyv nerovnomerného rozloženia elektrónovej hustoty
na polárnych väzbách:
µ = e.d
dipólový moment
vektorová veličina
náboj
⇒
vzdialenosť
ťažísk nábojov
Aδ+
B δ-
µ molekuly = vektorový súčet µ väzieb
Stanovenie dipólového momentu:
presne ⇒ stanovenie teplotného koeficientu
dielektrickej konštanty látky v plynnom stave,
približne ⇒ meranie dielektrickej konštanty látky
v nepolárnom rozpúšťadle.
symetrické molekuly ⇒ nulový diplólový moment !!!
počet substituentov ⇒ µ ,
symetria molekuly ⇒ µ .
5 Index lomu (n).
uhol dopadu
rýchlosť svetla v prostredí 1
(vákuum,
vákuum resp. opt. redšie)
sin α v1 c
n=
= =
sin β v2 v
uhol lomu
v1 > v2 , c > v ⇒ n > 1
rýchlosť svetla v prostredí 2
(opticky hustejšie)
β
n2 > n1
lom svetla = refrakcia (disperzia)
α
Meranie indexu lomu:
Abbého refraktometer
1 = vzduch
(kvapaliny, tuhé látky)
2 = voda
t
nD
závisí od teploty
lúč = vlnová dĺžka (λ) Na čiary
hranol ⇒ skúmaná látka
6 Polarizovateľnosť molekúl.
vplyv vonkajšieho elektrického poľa na nepolárne alebo
málo polárne látky ⇒ posun ťažiska záporného aj kladného
náboja ⇒ indukovaný dipólový moment:
µi = α . E
polarizovateľnosť = f(n)
intenzita
elektrického poľa
3
n2 − 1 M
α=
. 2
.
4πN A n + 2 ρ
mólová polarizácia (P)
α .4πN A
polarizovateľnosť
3
=P
priehľadné a nepolárne látky ⇒ n2 = ε (priepustnosť) ⇒ P = RM
ε −1 M
P = RM =
.
ε +2 ρ
mólová refrakcia (RM)
7 Optická otáčavosť.
schopnosť opticky aktívnej látky (v ) – pozostávajúcej
z chirálnych molekúl (asymetrický uhlík) ⇒ otáčať rovinu lineárne
polarizovaného svetla
do prava ⇒ pravotočivé (+)
uhol otočenia (α):
do ľava ⇒ ľavotočivé (-)
α = [α ]λ .d .cm
t
špecifická otáčavosť (konštanta)
α = [α
α] ⇒ d = 10 cm, cm = 1 g cm-3
teplota
hmot. konc.
látky v / g cm-3
hrúbka vrstvy vlnová dĺžka svetla
(najčastejšie Na čiary)
Meranie optickej otáčavosti:
polarimetre.
cm
IZOLÁCIA
ORGANICKÝCH LÁTOK.
Organické reakcie pomalé, dlhý reakčný čas ⇒
zmes produktov ⇒ izolácia:
žiadanej zložky
nežiadúcich prímesí
na základe rozdielnych fyzikálno-chemických vlastností
METÓDY IZOLÁCIE
ORGANICKÝCH LÁTOK.
1 Kryštalizácia.
2 Filtrácia.
3 Destilácia.
klasické metódy, izolácia, čistenie
4 Extrakcia.
5 Chromatografia.
prístrojová metóda
deliace metódy
1 Kryštalizácia.
Delenie na základe rozdielnej rozpustnosti tuhých látok
v rozpúšťadle pri rôznych teplotách, resp. rozdielnej
kryštalizačnej schopnosti (kryštalizácia pri rôznych teplotách).
Výhody:
možnosť pracovať pri nízkych teplotách,
ľubovoľné množstvo látky (µ
µg → t),
opakovaná kryštalizácia ⇒ vysokočisté látky,
izolácia izomérov.
Postup:
1) Rozpustenie látky vo vhodnom rozpúšťadle.
(dobre rozpustná za horúca, málo za studena!)
2) Postupné ochladzovanie roztoku ⇒ kryštalizácia.
(prednostne kryštalizuje zložka
s vyššou kryštalizačnou schopnosťou,
ou
resp. nižšou rozpustnosťou)
ou
3) Filtrácia.
! ! ! Podobné sa rozpúšťa v podobnom ! ! !
filtrácia, sušenie
2 Filtrácia.
Separácia tuhej fázy od kvapalnej,
kvapalnej príp. kvapalnej
od kvapalnej na základe rozdielnej veľkosti častíc,
prostredníctvom filtrov s definovanou veľkosťou pórov.
2a) Filtrácia za atmosferického tlaku –
hydrostatickým tlakom filtrovanej zmesi.
Filtračné lieviky: hladké, rebrovité.
Filtračný materiál: papierový, vláknitý.
2b) Filtrácia za zníženého tlaku.
Filtračné lieviky: sklo, porcelán,
umiestnené v odsávacej nádobe
napojenej na vývevu.
Filtračný materiál: papierový,
membreánový.
2c) Filtrácia za horúca – pre filtráciu
z rozpúšťadiel, ktoré za normálnych
pracovných podmienok kryštalizujú.
Vyhrievanie – pred filtráciou parami
rozpúšťadla:
– preliatie filtra horúcim rozpúšťadlom,
– vyhrievané lieviky, frity.
vyhrievané frity
3 Destilácia.
Separácia na základe rozdielnych teplôt varu, resp. prchavosti.
3a) Jednoduchá destilácia – odobratie celého destilátu po jeho
skondenzovaní v chladiči (! Rozdiel Tv > 150 °C !).
Za normálneho tlaku – atmosferická:
teplomer (4)
chladič (5)
destilačná banka (2)
nádoba na zachytávanie destilátu (8)
vyhrievacie teleso (13) + sledovanie teploty
Za zníženého tlaku (vákuová)
= nižší tlak ⇒ nižšia teplota varu:
(
⇒ látka je menej tepelne namáhaná,
⇒ odstránenie pár,
⇒ eliminácia úniku pár do okolia.
Pre tepelne nestále látky, rozkladajúce sa pri vysokých teplotách,
oxidovateľné pri normálnom tlaku (vitamíny).
odsávanie
výveva
Destilácia s vodnou parou – pre látky nemiešateľné a nereagujúce
s vodou, prchajúce s vodnou parou.
Tv(zmesi) < Tv(H2O).
poistná
trubica
vyvíjač
vodnej
pary
destilačná
banka
destilát
3b) Frakčná destilácia:
rozdiel Tv < 100 °C,
prerušovaný diskontinuálny proces ⇒ oddelenie frakcií podľa
rastúcej Tv v časovej postupnosti:
časovo náročná.
Tv , prchavosť 3b) Rektifikácia – mnohonásobná frakčná destilácia.
frakčná destilácia v jednej kolóne
s viacerými výstupmi → frakcie,
menej časovo náročná,
viac
prchavá
látka
menej
prchavá
látka
vyparovanie = destilát (pary) ⇒
kondenzácia = kondenzát ⇒ návrat
do destilačnej časti (reflux) ⇒
vyparovanie... ⇒ neustály kontakt
medzi plynnou a kvapalnou fázou,
teplo uvoľnené pri kondenzácii (exotermický
proces)
proces sa spotrebuje na vyparenie
(endotermický proces).
proces
Účinnosť kolóny vyjadruje výškový ekvivalent teoretickej
priehradky (VETP):
L
VETP =
n
VETP
dĺžka kolóny
počet priehradiek
VETP  ⇒ účinnosť
⇒ Lan
Frakčná destilácia – spracovanie ropy:
1. atmosferická
prchavosť TV 2. vákuová
Rektifikačné kolóny
ropnej rafinérie
Princíp deliacich metód.
Distribúcia (delenie) zložiek medzi 2 fázy na základe
povahy síl, ktoré delenie spôsobujú.
Ak je rovnováha medzi fázami posunutá tak, že sa
určitá zložka vyskytuje len v jednej fáze ⇒ oddelenie
zo zmesi.
Klasifikácia deliacich metód.
Klasifikácia podľa povahy síl (princípu delenia):
rozdeľovacie koeficienty (extrakcia),
rozdielna afinita k fázam (chromatografia).
Klasifikácia podľa fáz medzi, ktoré sa zložky delia:
2 rovnaké fázy (nemiešateľné kvapaliny – extrakcia, chromatog.),
2 rôzne fázy (g – l, g – s / chromatografia, l – s / aj extrakcia).
4 Extrakcia.
Delenie na základe rozdielnej rozpustnosti tuhých zložiek
v kvapaline ⇒ extrakcia v systéme s – l:
a)
diskontinuálna
za studena
- macerácia
za tepla
- digescia
kontinuálna
s→l
l→s
Delenie na základe rozdielnej afinity zložiek k dvom navzájom
nemiešateľným kvapalným fázam ⇒ extrakcia v systéme l – l,
⇒ kvapalinová extrakcia.
b)
organická, vodná
4a) Extrakcia z tuhej fázy (s→
→l).
Soxhletov
extraktor.
Extrakcia z tuhej fázy - príklady.
Extrakcia na tuhú fázu (SPE = solid
phase extraction, l→s).
extrakcia z kvapaliny
na tuhú fázu,
adsorbčné sily,
súčasti kvapaliny
(roztoku) sa sorbujú
na tuhú fázu (polárnu,
nepolárnu).
4b) Kvapalinová extrakcia.
vytrepávanie,
protiprúdne roztrepávanie,
kontinuálna extrakcia – perforácia.
Delenie na základe rozdielnych hodnôt - deliaceho koeficientu (K),
resp. deliaceho pomeru (D).
Z vodnej do organickej
rozdeľovacia rovnováha
fázy prechádzajú len
elektroneutrálne zložky.
Nernstov rozdeľovací zákon:
Deliaci koeficient:
KA =
a ( A) org
a ( A) vod
T, pH = konšt.
Deliaci pomer:
Separačný faktor:
DA =
c( A) org
c ( A) vod
DA
α=
DB
>> 1 ⇒ rozdelenie 2 zložiek
E=
r.D( A)
1 + r.D( A)
.100
výťažnosť extrakcie / %
Vorg
r=
Vvoda
Vorg
Vvoda
pomer objemov fáz
Kvapalinová
extrakcia príklady.
Využitie extrakčných metód.
oddeľovanie zložiek zo zmesi a ich nabohacovanie,
čistenie látok od prímesí,
využíva väčšie množstvo látky ako chromatografia.
5 Chromatografia.
deliaca (koncentračne – separačná) metóda,
delenie medzi nepohyblivou (stacionárnou)
rnou a pohyblivou
(mobilnou)
mobilnou fázou,
stacionárna fáza tuhá, kvapalná (zakotvená na tuhom nosiči),
mobilná fáza kvapalná, plynná.
Rýchlosť pohybu zložky chromatografickým médiom =
f(veľkosti afinitnej sily k jednotlivým fázam, resp. distribučnej
konštanty) vysoká afinita k mobilnej fáze
⇒ vysoká rýchlosť (A),
vysoká afinita k stacionárnej fáze
⇒ nízka rýchlosť (B).
Klasifikácia
chromatografických
metód.
plynová chromatografia
(sústava g – l, g – s):
mobilná fáza
kvapalinová
chromatografia
(sústava l – l, l – s):
Klasifikácia
chromatografických
metód.
gélová chromatografia:
(distribúcia zložiek na základe
veľkosti molekúl, s = jemnozrnný
pórovitý materiál / zosieťovaný
org. kopolymér).
adsorpčná chromatografia:
(povaha síl = rozdielna
adsorpčná afinita stacionárnej
fázy k molekulám zložiek,
sústava l – s, g – s).
iónovýmenná chromatografia:
(distribúcia zložiek iónovej povahy
medzi fázy pôsobením
elektrostatických síl, sústava l – s).
rozdeľovacia chromatografia:
(povaha síl rovnaká ako
pri extrakcii, sústava l – l).
Klasifikácia
chromatografických
metód.
kolónová chromatografia
(stacionárna fáza v tvare stĺpca).
plošná chromatografia:
na tenkej vrstve
papierová
(identifikácia +
separácia)
1 – mobilná fáza
2 – papier – stacionárna fáza
3 – separovaná zmes (kvapalín alebo roztok)
4 – štandardy
5 – čelo rozpúšťadla
6 – štart
Chromatografia na tenkej vrstve:
Mobilná fáza – l = roztok obsahujúci separované zložky.
Stacionárna fáza – s = tenká vrstva adsorpčného materiálu
zakotvená na inertnom nosiči.
Využitie chromatografických metód.
čistenie látok od prímesí,
delenie zmesi látok na jednotlivé zložky,
oddelenie zložiek zo zmesi,
identifikácia a stanovenie koncentrácie zložiek zmesi.
Download

prednaskaUdOCH1.pdf