Hầu hết các phản ứng hữu cơ được thực hiện với sự gia nhiệt. Ngồi ra cịn nhiều hoạt động khác cần sử dụng nguồn nhiệt trong phịng thí nghiệm hố hữu cơ.
Bếp cách cát được thiết kế bằng cách cho cát vào một bể thuỷ tinh với độ sâu khoảng 1 cm và sau đĩ đặt bể cát này lên bếp gia nhiệt. Do cát nĩng chậm nên cần làm nĩng bể cát trước khi sử dụng. Khơng làm nĩng bể cát trên 200°C vì sẽ làm vỡ bể thuỷ. Cĩ thể dùng giấy nhơm che bể cát để đạt được nhiệt độ gần 200°C.
Gia nhiệt bằng bể nước phù hợp cho các thí nghiệm cĩ yêu cầu nhiệt độ dưới 80°C. Một cốc thuỷ tinh (250 mL hoặc 400 mL) hoặc một bể thuỷ tinh chứa nước và được đun nĩng trên mặt bếp gia nhiệt. Một nhiệt kế được kẹp cố định tại một vị trí trong bể nước. Cĩ thể che bể nước bằng giấy nhơm để tránh sự bay hơi nước, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Hiện nay, các nhà sản xuất đã chế tạo các bếp cách thuỷ chuyên dụng, cĩ thể điều chỉnh nhiệt độ mơi trường đến 95oC. Gia nhiệt bằng bể nước hoặc bếp cách thuỷ cĩ một số lợi thế so với bếp gia nhiệt là nhiệt độ trong bể nước đồng đều và sự tiếp xúc với bình phản ứng tốt hơn. Ngồi ra, đơi khi dễ dàng thiết lập nhiệt độ trong bể nước thấp hơn so với các thiết bị gia nhiệt khác. Ngồi ra, nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng sẽ gần với nhiệt độ của nước hơn, cho phép kiểm sốt chính xác hơn các điều kiện phản ứng.
Gia nhiệt bằng dầu DO hoặc glycerinelà phương thức truyền nhiệt gián tiếp tương tự như gia nhiệt bằng bể nước. Ưu điểm của cách gia nhiệt này là cĩ thể áp dụng cho các thí nghiệm cần nhiệt độ cao hơn 80oC do đây là các chất cĩ nhiệt độ bay hơi cao hơn nước, dầu DO bay hơi trong khoảng nhiệt độ 175-370oC cịn glycerine cĩ nhiệt độ sơi 290oC.
Đầu đốt Bunsen và đèn cồn là kỹ thuật đơn giản nhất để làm nĩng hỗn hợp. Tuy nhiên, do nguy cơ hỏa hoạn rất cao, việc sử dụng đầu đốt Bunsen nên được giới hạn nghiêm ngặt trong những trường hợp nguy cơ hỏa hoạn thấp hoặc khơng cĩ nguồn nhiệt thay thế hợp lý. Chỉ dùng lửa trần để đun nĩng dung dịch nước hoặc dung dịch cĩ nhiệt độ sơi rất cao. Khơng dùng lửa trần đun nĩng trực tiếp dung mơi hữu cơ dễ cháy. Đơi khi cần sử dụng đèn cồn để kéo ống vi quản cho thí nghiệm sắc ký lớp mỏng hoặc hàn đầu ống vi quản cho thí nghiệm đo nhiệt độ nĩng chảy. Trong những trường hợp này, hãy tìm một gĩc riêng để làm việc với ngọn lửa trần mà chắc chắn khơng cĩ dung mơi dễ bắt cháy ngay gần đĩ.
4. Kỹ thuật làm lạnh
Kỹ thuật làm lạnh thường được áp dụng khi cần làm nguội bình phản ứng xuống nhiệt độ phịng, làm lạnh trong quá trình kết tinh, hoặc đơi khi cĩ những phản ứng yêu cầu nhiệt độ thấp.
Cách làm lạnh phổ biến nhất là dùng bể nước đá để hạ nhiệt độ xuống 0°C. Cĩ thể sử dụng một cốc hoặc bể thuỷ tinh chứa hỗn hợp gồm nước và nước đá nhằm làm sự tiếp xúc với thành bình chứa hiệu quả. Lưu ý khơng để quá nhiều nước, vì sẽ làm bình nổi trong bể nước đá khiến bình bị lật.
Để hạ thấp nhiệt độ xuống dưới 0°C, cĩ thể thêm muối NaCl rắn vào bể nướcđá. Muối ion làm giảm điểm đĩng băng của đá để cĩ thể đạt được nhiệt độ từ 0 đến -10°C.
Để hạ nhiệt độ xuống đến -78,5°C cĩ thể trộn carbon dioxide rắn hay cịn gọi là đá khơ với isopropanol. Cĩ thể thay thế isopropanol bằng acetone hoặc ethanol. Hãy cẩn thận khi làm việc với đá khơ vì nĩ cĩ thể gây ra phỏng lạnh nghiêm trọng.
Để đạt được nhiệt độ cực thấp cĩ thể dùng nitơ lỏng (-195,8°C).
5. Kỹ thuật lọc
Lọc là một kỹ thuật được sử dụng cho hai mục đích chính: (1) loại bỏ tạp chất rắn khỏi chất lỏng, và (2) thu nhận một chất rắn từ dung dịch mà nĩ được kết tủa hoặc kết tinh. Một số loại kỹ thuật lọc khác nhau thường được sử dụng dựa trên hai nguyên lý chung bao gồm lọc trọng lực và lọc chân khơng (hay cịn gọi là lọc áp suất kém).
Lọc trọng lượng
Lọc trọng lượng là quá trình lọc diễn ra nhờ trọng lực. Trong kỹ thuật lọc này, giấy lọc được đặt trên phễu thuỷ tinh, nhờ tác dụng của trọng lực mà chất lỏng chảy xuống phễu ngang qua giấy lọc. Do giấy lọc cũng hấp thụ đáng kể các chất nên kỹ thuật này chỉ hữu ích khi thể tích hỗn hợp được lọc lớn hơn 10 mL. Cĩ hai cách xếp giấy lọc cơ bản cho nguyên tắc lọc trọng lượng, việc chọn lựa cách xếp giấy lọc phụ thuộc vào mục đích lọc.
Xếp giấy lọc dạng nĩn
Cách xếp giấy lọc dạng nĩn hữu hiệu để thu chất rắn. Các nĩn lọc cĩ mặt nhẵn để cĩ thể dễ dàng thu được các chất rắn (Hình 1.4.2).
Hình 1.4.2: Lọc trọng lượng với
giấy lọc dạng nĩn Hình 1.4.3: dạng nĩnCách xếp giấy lọc
Cách xếp giấy lọc xếp hình nĩn như trong Hình 1.4.3. Sau đĩ, nĩ được đặt vào một chiếc phễu cĩ kích thước phù hợp. Để tránh sự tiếp xúc giữa phễu và bình chứa làm hạn chế dịng chảy, cĩ thể chèn một mảnh giấy nhỏ hoặc một kẹp giấy giữa phễu và bình chứa để lưu thơng khơng khí (Hình 1.4.2).
Xếp giấy lọc dạng rãnh
Cách xếp giấy lọc dạng rãnh hữu hiệu khi thu nhận lượng chất lỏng tương đối lớn và loại bỏ các vật liệu rắn khơng mong muốn như bụi, than khử màu và tạp chất khơng tan. Cách xếp giấy lọc này thường được sử dụng để lọc nĩng dung dịch bão hồ trong thí nghiệm kết tinh.
Kỹ thuật xếp giấy lọc dạng rãnh được mơ tả trong Hình 1.4.4. Lợi thế của bộ lọc dạng rãnh là sự gấp nếp làm tăng tốc độ lọc theo hai cách, (1) làm tăng diện tích bề mặt của giấy lọc để dung mơi thấm qua nhanh hơn và (2) giải phĩng được áp suất tích tụ trong bình chứa do hơi nĩng của dịch lọc, đây là điểm hạn chế của cách xếp giấy lọc dạng nĩn, vì làm quá trình lọc chậm lại.
Hình 1.4.4: Cách xếp giấy lọc dạng rãnh
Lọc bằng giấy lọc xếp dạng rãnh tương đối dễ thực hiện khi hỗn hợp ở nhiệt độ phịng. Tuy nhiên, khi cần lọc nĩng dung dịch bão hồ cần chuẩn bị thêm một số bước để đảm bảo rằng bộ lọc khơng bị tắc do chất rắn kết tinh và bám trong đuơi phễu hoặc trên giấy lọc. Điều này xảy ra là
do khi dung dịch nĩng, bão hồ tiếp xúc với bề mặt phễu tương đối lạnh xảy ra sự kết tinh. Để giải quyết vấn đề này cĩ thể sử dụng một trong bốn phương pháp sau: (1) Sử dụng phễu đuơi cụt; (2) Giữ nĩng chất lỏng đang lọc tại hoặc gần điểm sơi của nĩ trong suốt thời gian lọc; (3) Làm nĩng phễu bằng cách đổ dung mơi nĩng qua nĩ trước khi lọc; (4) Giữ dịch lọc (dung dịch đã qua phễu lọc) tiếp tục được đun sơi nhẹ (bằng cách đặt cả hệ thống gồm bình chứa và phễu thuỷ tinh trên bếp cách thuỷ hoặc bếp gia nhiệt), dung mơi bốc hơi lên làm nĩng bình chứa và thân phễu, và làm tan kết tủa.
Lọc bằng pipet
Lọc bằng pipet là một kỹ thuật lọc trọng lượng áp dụng với lượng nhỏ, thường được sử dụng để loại bỏ các tạp chất rắn ra khỏi chất lỏng với thể tích nhỏ hơn 10 mL. Điều quan trọng là hỗn hợp được lọc phải gần nhiệt độ phịng vì khĩ ngăn chặn sự kết tinh sớm từ dung dịch nĩng bão hồ trong trường hợp này.
Để chuẩn bị dụng cụ lọc này, đưa một miếng bơng cotton nhỏ vào đầu trên của pipet Pasteur và đẩy xuống phần thắt dưới trong pipet, như trong Hình 1.4.5. Điều quan trọng là sử dụng lượng bơng cotton vừa đủ để giữ tất cả các chất rắn được lọc; tuy nhiên, lượng bơng được sử dụng khơng được quá lớn dẫn đến hạn chế dịng chảy qua pipet. Và cũng vì lý do này, bơng cotton cũng khơng được nhét quá chặt.
Nên rửa bộ lọc bằng cách cho khoảng 1 mL dung mơi (thường là cùng dung mơi lọc) qua lớp bơng cotton. Để tiến hành lọc, kẹp pipet lọc vào giá và đặt một bình chứa phía dưới. Hỗn hợp cần lọc được đưa vào pipet lọc bằng một pipet Pasteur khác. Sau khi chuyển hết dịch lọc, cần thêm một lượng nhỏ dung mơi để tráng rửa bộ lọc, dồn chung nước rửa và dịch lọc. Tốc độ lọc cĩ thể được tăng lên bằng cách dùng bĩp cao su đặt trên đỉnh pipet và bĩp nhẹ.
Tùy thuộc vào lượng và kích thước của chất rắn được lọc (các hạt nhỏ khĩ loại bỏ hơn bằng cách lọc này), cĩ thể cần phải đưa dịch lọc qua pipet lọc thứ hai. Điều này nên được thực hiện với một pipet lọc mới chứ khơng phải với pipet đã được sử dụng.
Hình 1.4.5: Lọc bằng pipet
Gạn
Đơi khi, khơng nhất thiết phải sử dụng giấy lọc để tách kết tủa khỏi dung dịch. Với các trường hợp mẫu cần lọc cĩ dạng hạt lớn, nặng, khơng hồ tan thì cĩ thể dùng cách gạn. Hãy rĩt nhẹ và cẩn thận để loại dung mơi, các hạt rắn sẽ lắng xuống đáy bình để cĩ thể dễ dàng tách riêng. Ví dụ, đá bọt hoặc hạt cát dưới đáy bình tam giác chứa đầy chất lỏng cĩ thể dễ dàng tách ra theo cách này. Cách làm này cĩ ưu điểm hơn lọc là giảm thất thốt sản phẩm. Nếu các hạt rắn giữ lại một lượng đáng kể chất lỏng, cần rửa chúng bằng dung mơi và thực hiện lần gạn thứ hai.
Lọc chân khơng
Lọc chân khơng, hay cịn gọi là lọc áp suất kém, nhanh hơn lọc trọng lượng và hầu hết được áp dụng trong trường hợp thu nhận các sản phẩm rắn từ sự kết tủa hoặc kết tinh. Kỹ thuật này được sử dụng chủ yếu khi thể tích chất lỏng được lọc lớn hơn 1-2 mL. Trong kỹ thuật lọc chân khơng,
một bình lọc cĩ nhánh rẽ được sử dụng. Nhánh rẽ được nối chắc chắn và kín với nguồn chân khơng bằng ống cao su. Cần dùng ống cao su cĩ thành dày và chắc chắn để tránh bị ép chặt trong chân khơng và bịt kín nguồn chân khơng nối với bình (Hình 1.4.6).
Hình 1.4.6: Bộ lọc chân khơng kèm các loại phễu Hirsch và phễu Büchner
Hai loại phễu thường dùng trong lọc chân khơng là phễu Hirsch và phễu Büchner. Trên bề mặt phễu cĩ nhiều lỗ nhỏ, để ngăn các lỗ này khơng bị tắc bằng chất rắn, phễu luơn phải được sử dụng với giấy lọc hình trịn cĩ kích thước vừa bằng mặt trong của phễu. Trước khi bắt đầu lọc, nên làm ẩm giấy lọc với một lượng nhỏ dung mơi rồi khởi động máy bơm nhằm làm cho giấy lọc bám dính bề mặt trong của phễu.
Phần II
BÀI 1
TINH CHẾ CHẤT RẮN BẰNG KỸ THUẬT KẾT TINH VÀ KỸ THUẬT THĂNG HOA
Mục tiêu bài thí nghiệm: Sau khi học xong bài này, sinh viên cĩ khả năng:
• Trình bày được nguyên tắc kỹ thuật kết tinh và các yêu cầu lựa chọn dung mơi trong kỹ thuật kết tinh.
• Kiểm tra được khả năng hồ tan của chất tan trong các dung mơi.
• Trình bày được nguyên tắc kỹ thuật thăng hoa.
• Áp dụng được kỹ thuật kết tinh và kỹ thuật thăng hoa để tinh chế chất rắn.
• Áp dụng được kỹ thuật đo nhiệt độ nĩng chảy để xác định mức độ tinh sạch của chất rắn.
1.1. NHỮNG KIẾN THỨC LIÊN QUAN CẦN ĐỌC TRƯỚC
Lực liên phân tử trong các hợp chất hữu cơ.
Độ hồ tan.
Nhiệt độ nĩng chảy.
Các kỹ thuật đo lường thể tích và khối lượng. Kỹ thuật lọc. Các kỹ thuật đun nĩng và làm lạnh.
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.2.1. Kỹ thuật kết tinh 1.2.1. Kỹ thuật kết tinh
Hầu hết các hợp chất hữu cơ khi mới điều chế đều khơng tinh khiết. Chúng lẫn các chất chưa phản ứng hết, sản phẩm phụ và tạp chất. Nếu là chất rắn, nĩ cĩ thể được tinh chế bằng phương pháp kết tinh.
Kết tinh là một kỹ thuật thường được dùng để tinh chế bằng cách tách chất rắn ra khỏi hỗn hợp. Để thực hiện kết tinh, hỗn hợp rắn được hồ tan trong dung mơi (hoặc hỗn hợp dung mơi) để tạo dung dịch bão
hồ, sau đĩ làm lạnh từ từ dung dịch. Quá trình chất rắn kết tinh tách ra khỏi dung dịch khi làm lạnh được gọi là hiện tượng kết tinh. Tạp chất khơng tan trong dung dịch ngay cả khi nĩng được loại đi bằng cách lọc nĩng (trước khi kết tinh), chất màu được loại bằng cách hấp phụ với than hoạt tính và tạp chất tan rất tốt trong dung mơi được loại đi khi lọc áp suất kém.
Điều quan trọng nhất của phương pháp kết tinh là việc chọn dung mơi. Dung mơi được chọn để thực hiện kết tinh cần đảm bảo các yêu cầu như sau: (1) Hồ tan tốt chất rắn cần tinh chế ở nhiệt độ cao và ít hồ tan ở nhiệt độ thấp; (2) Khơng phản ứng hố học với chất cần tinh chế; (3) Khơng hồ tan các tạp chất (để cĩ thể loại bỏ khi lọc nĩng) hoặc hồ tan rất tốt tạp chất (khi làm lạnh các tạp chất này vẫn tan, cĩ thể loại bỏ khi lọc áp suất kém); (4) Dung mơi cần dễ dàng loại bỏ khỏi bề mặt tinh thể khi rửa hay làm bay hơi dung mơi; (5) Nhiệt độ sơi của dung mơi phải thấp hơn nhiệt độ nĩng chảy của chất cần tinh chế ít nhất từ 10-15oC.
Thơng thường dung mơi được chọn theo quy tắc các dung mơi khơng phân cực sẽ hồ tan tốt các hợp chất khơng phân cực, cịn các dung mơi phân cực sẽ hồ tan tốt các hợp chất phân cực. Trên thực tế cĩ thể chọn dung mơi kết tinh dựa vào các cuốn sách cẩm nang hố học. Trường hợp khơng cĩ dữ liệu với chất cần tinh chế thì thực hiện thí nghiệm kiểm tra độ hồ tan.
Than hoạt tính cĩ thể được sử dụng để loại màu khi bản thân chất rắn cần tinh chế khơng màu nhưng khi tiến hành hồ tan lại thu được dung dịch cĩ màu. Khi dùng bột than hoạt tính cần lưu ý là chỉ sử dụng một lượng nhỏ vì than hoạt tính cũng hấp phụ chất cần tinh chế. Lưu ý khơng cho than hoạt tính vào dung dịch đang sơi vì sẽ tạo sự sơi bùng.
Trong trường hợp dịch lọc bão hồ đã làm nguội mà vẫn chưa kết tinh cĩ thể kích thích kết tinh bằng một trong những cách sau: (1) Dùng đũa thủy tinh cạ nhẹ vào thành bình chứa, theo thao tác kéo lên và xuống ngay bề mặt dung dịch; (2) Cho một mầm tinh thể nhỏ sẵn cĩ vào dung dịch bão hồ.
1.2.2. Kỹ thuật thăng hoa
Thăng hoa là kỹ thuật tinh chế chất rắn mà chất rắn chuyển trạng thái trực tiếp thành thể hơi mà khơng qua thể lỏng. Yêu cầu hợp chất cần tinh chế phải cĩ áp suất hơi tương đối cao trong khi tạp chất cĩ áp suất hơi rất thấp.
Bằng cách đun nĩng, chất rắn sẽ bay hơi và trở về trạng thái rắn khi hơi tiếp xúc với bề mặt lạnh.
Một số hợp chất rắn như iodine, camphor, naphthalene, acetanilide, benzoic acid,… cĩ thể được tinh chế bằng phương pháp thăng hoa ở áp suất khí quyển. Một vài hợp chất thăng hoa khi đun nĩng dưới áp suất thấp. Hình 2.1.1 mơ tả một loại dụng cụ thăng hoa đơn giản.
Hình 2.1.1: Dụng cụ thăng hoa
1.2.3. Nhiệt độ nĩng chảy
Nhiệt độ nĩng chảy của một chất là nhiệt độ tại đĩ chất bắt đầu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Hình 2.1.2 là mơ hình một số thiết bị đo nhiệt độ nĩng chảy.
Các chất hữu cơ tinh khiết cĩ khoảng nhiệt độ nĩng chảy nhất định. Do đĩ, cĩ thể biết một chất cĩ tinh khiết hay khơng dựa vào nhiệt độ nĩng
chảy của nĩ. Nhìn chung, chất kém tinh khiết cĩ nhiệt độ nĩng chảy thấp và khoảng nhiệt độ nĩng chảy (nhiệt độ bắt đầu chảy và nhiệt độ chảy hồn tồn) rộng hơn so với chất tinh khiết.
Hình 2.1.2: Một số loại thiết bị đo nhiệt độ nĩng chảy
1.3. HỐ CHẤT VÀ DỤNG CỤ1.3.1. Hố chất 1.3.1. Hố chất Benzoic acid Naphthalene Ethanol Acetone Hexane Nước cất Than hoạt tính Glycerol
1.3.2. Dụng cụ
Tên dụng cụ Sớ lượng