Cztery nieoznakowane butelki C₃: projekt sekwencji testów i podejrzana próbka
Cztery bezbarwne ciecze w nieoznakowanych butelkach oznaczono literami A–D. Wiadomo, że są to: propan-1-ol, propanal, propan-2-on i kwas propanowy. Uczeń ma do dyspozycji wodny roztwór NaHCO₃, odczynnik Tollensa, 2,4-dinitrofenylohydrazynę, roztwór I₂ w KI z NaOH, zakwaszony roztwór K₂Cr₂O₇ oraz wodę bromową. Zapas odczynników wystarcza na wykonanie tylko trzech prób dla każdej porcji, więc kolejność testów musi być przemyślana: pierwszy test powinien wyeliminować najwięcej możliwości. Dodatkowo w szafce znaleziono butelkę opisaną „propanal", ale po otwarciu wyczuwalny jest ostry zapach, a ciecz po dłuższym staniu dała jednocześnie pozytywny wynik próby Tollensa i pozytywny wynik próby jodoformowej, mimo że nie reaguje z NaHCO₃. Uczeń musi zdecydować, czy butelkę można nadal wykorzystać jako źródło propanalu, czy trzeba ją odrzucić i czym zastąpić brakujący odczynnik.
1. Zaprojektuj sekwencję trzech testów pozwalającą jednoznacznie zidentyfikować wszystkie cztery substancje. Podaj przewidywane obserwacje i uzasadnij kolejność, a także wyjaśnij, dlaczego wody bromowej nie należy stawiać na początku.
Read the worked answer
Zasada doboru kolejności: pierwszy test powinien dawać wynik jednoznaczny i wykluczać najwięcej substancji naraz.
Test 1 - NaHCO₃(aq). Tylko kwas propanowy wydziela pęcherzyki CO₂: CH₃CH₂COOH + HCO₃⁻ → CH₃CH₂COO⁻ + CO₂↑ + H₂O. Trzy pozostałe próbki pozostają bez zmian. Test jest tani, szybki i nie daje fałszywych trafień.
Test 2 - odczynnik Tollensa (dla trzech pozostałych). Propanal daje srebrne zwierciadło (utlenia się do propanianu), propan-1-ol i propan-2-on - wynik negatywny. Aldehyd jest zidentyfikowany.
Test 3 - 2,4-DNP lub próba jodoformowa. 2,4-DNP: propan-2-on daje żółto-pomarańczowy osad hydrazonu, propan-1-ol nie daje osadu. Równoważnie próba jodoformowa: propan-2-on (ugrupowanie CH₃–CO–) daje żółty osad CHI₃, propan-1-ol nie reaguje. Ostatnia próbka to alkohol.
Dlaczego nie woda bromowa na starcie: żadna z czterech substancji nie zawiera wiązania C=C, więc szybkie odbarwienie nie wystąpi w ogóle, a keton może odbarwiać brom powoli przez enolizację - wynik byłby nieprzewidywalny i nie różnicowałby próbek. Podobnie dichromian(VI) odróżnia alkohol od ketonu, ale aldehyd i alkohol utlenia się oba, więc jako test pierwszy wprowadzałby niejednoznaczność.
2. Butelka opisana „propanal" daje jednocześnie dodatni wynik próby Tollensa i dodatni wynik próby jodoformowej, a nie reaguje z NaHCO₃. Oceń, czy jej zawartość może być czystym propanalem. Podaj najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie i sposób potwierdzenia.
Read the worked answer
Czysty propanal takich wyników dać nie może. Tollens dodatni pasuje do aldehydu, ale próba jodoformowa wymaga ugrupowania CH₃–CO– lub CH₃–CH(OH)–. W propanalu CH₃CH₂CHO grupa metylowa jest przyłączona do węgla α, a nie do karbonylowego, więc próba jodoformowa dla czystego propanalu jest ujemna. Rozbieżność jest więc realna, a nie przypadkowa.
Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienia:
- Zanieczyszczenie propan-2-onem - daje on jodoform, a Tollens pozostaje dodatni dzięki propanalowi. Ten wariant tłumaczy oba wyniki bez sprzeczności i jest prawdopodobny, jeśli butelka była wcześniej używana lub niedomyta.
- Zanieczyszczenie etanalem (np. produktem utlenienia etanolu) - etanal daje i Tollens, i jodoform.
Jak rozstrzygnąć: pomiar zakresu temperatury wrzenia (propanal ok. 48 °C, propan-2-on ok. 56 °C, etanal ok. 20 °C) albo oznaczenie temperatury topnienia osadu 2,4-dinitrofenylohydrazonu i porównanie z literaturą; w praktyce szkolnej najprościej rozdzielić próbkę na frakcje i powtórzyć obie próby. Sam zapach jest wskazówką, nigdy dowodem.
Decyzja: butelki nie można używać jako wzorca propanalu w zadaniach identyfikacyjnych - trzeba ją odrzucić lub oczyścić przez destylację.
3. Kolega twierdzi, że propan-1-ol można odróżnić od propan-2-onu wodą bromową, „bo brom odbarwia się tylko w obecności wiązania wielokrotnego". Oceń to rozumowanie i wskaż poprawny test wraz z uzasadnieniem mechanistycznym.
Read the worked answer
Rozumowanie jest błędne na dwóch poziomach.
Po pierwsze, ani propan-1-ol, ani propan-2-on nie mają wiązania C=C, więc woda bromowa nie odbarwi się szybko w żadnej próbce - test nie różnicuje, bo daje wynik negatywny dla obu substancji.
Po drugie, ketony mogą odbarwiać wodę bromową: w środowisku kwaśnym lub zasadowym ulegają enolizacji, a enol przyłącza Br₂ (substytucja przy węglu α połączona z odbarwieniem). Reakcja jest wolna i silnie zależy od pH, światła i stężenia, więc jej wynik jest nieregularny i nie może stanowić podstawy identyfikacji.
Poprawny test: próba jodoformowa - propan-2-on dodatni (osad CHI₃), propan-1-ol ujemny; alternatywnie 2,4-DNP, gdzie tylko keton strąca osad hydrazonu. Trzecia możliwość to zakwaszony K₂Cr₂O₇: propan-1-ol utlenia się i pomarańczowy roztwór zielenieje (Cr³⁺), natomiast propan-2-on jako keton opiera się utlenianiu w łagodnych warunkach. Przy tej ostatniej próbie trzeba jednak kontrolować czas i temperaturę, bo keton reaguje bardzo wolno, co łatwo pomylić z wynikiem negatywnym.