Destillation / Fotometrie

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1 12. September 2008

2 1 Aufgabe und Lernziele Vorbereitung Einführung Ethanol Datenblatt Ethanol Mischung von Ethanol und Wasser Verdampfen von Flüssigkeiten Siedediagramm Ethanol Wasser, eine azeotrope Mischung Destillation Destillationsapparaturen Rektifikation, Gegenstromdestillation Bauteile für die Destillation im Labormaßstab Fotometrie Einige Grundbegriffe Präzision, Richtigkeit und Genauigkeit Einige Größen Praxis Destillation Verwendete Bauteile Aufbau der Destillationsapparatur Durchführung der Destillation Bestimmung der Ethanolkonzentration im Destillat Verwendete Chemikalien Verwendete Geräte Aufnahme der Kalibiergeraden Bestimmung der Ethanolkonzentration im Destillat Berechnung der Ethanolausbeute

3 1 Aufgabe und Lernziele Es soll Ethanol aus Rotwein destilliert werden. Die Ethanolkonzentration im Destillat wird mittels Fotometrie bestimmt. Abschließend wird die Ausbeute der Destillation berechnet. Lernziele: Erlangung von Fertigkeiten und Verständnis im Umgang mit Pipetten und anderen Volumenmessgeräten Verständnis für und Fähigkeit im Umgang mit üblichen Laborglasgerätschaften Aneignung von Wissen über das Prinzip der Destillation und Fertigkeiten über deren praktische Umsetzung im Labormaßstab Verständnis und Fähigkeit zur Durchführung fotometrischer Messverfahren Auswertung und kritische Bewertung von Messergebnissen erlernen Erfahrungen in der Arbeitsorganisation und Teamarbeit 2 Vorbereitung Erarbeiten Sie sich die Grundlagen zum Praktikumsversuch im nachfolgenden Einführungsteil, in den Vorlesungsunterlagen und in der angeführten Literatur. Beantworten Sie sich hierzu folgende Fragen: Was ist Ethanol chemisch gesehen? Was geschieht beim Verdampfen von Flüssigkeiten? Was ist ein Siedediagramm? Was kennzeichnet eine azeotrope Mischung? Was ist eine Destillation? Wie heißen die typischen Bauteile einer Labor Destillationsanlage? Was bedeuten die Begriffe Präzision, Richtigkeit, Genauigkeit? Wie lautet das Funktionsprinzip eines Fotometers? Was ist eine Kalibriergerade? Bereiten Sie sich auf die praktische Versuchsdurchführung vor, indem Sie die Versuchsanleitung durcharbeiten. Machen Sie sich die notwendigen Berechnungen für die Ethanolbestimmung und die Berechnung der Destillationsausbeute klar. Literatur 3

4 3 Einführung 3.1 Ethanol Alkohole sind organische Verbindungen, die sich von den Kohlenwasserstoffen ableiten lassen und in denen mindestens eine OH Gruppe (Hydroxylgruppe) direkt mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist. Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter dem Begriff "Alkohol" das Ethanol (Ethylalkohol). Bei C 2 H 5 OH handelt es sich um eine klare, farblose Flüssigkeit mit brennendem Geschmack sowie charakteristischem Geruch. Ethanol ist beispielsweise in Getränken wie Bier, Wein oder Weinbrand enthalten. Aufgrund seines niedrigen Gefrierpunkts wird dieser Alkohol (eingefärbt) als Messflüssigkeit in Thermometern verwendet; insbesondere dann, wenn Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Quecksilber ( 40 C) anzuzeigen sind. Ethanol eignet sich auch als Gefrierschutzmittel, z. B. in Scheibenwaschanlagen von Kraftfahrzeugen. Konzentriertes Ethanol lässt sich u. a. durch Destillation seiner verdünnten Lösungen gewinnen. Handelsübliches Ethanol enthält knapp 96 Volumenprozent Ethanol und etwa vier Volumenprozent Wasser. Höhere Konzentrationen sind durch Destillation nicht erzielbar, aber mit bestimmten Chemikalien lässt sich das restliche Wasser entfernen und so genannter absoluter Alkohol herstellen. Schon in alten Zeiten gewann man Ethanol durch Gärung von Zucker. Das gesamte Ethanol für alkoholische Getränke wird auch heute noch auf diesem Weg hergestellt (Fermentation). Die Rohstoffe dafür sind u. a. Rohrzuckersaft, Produkte aus der Holzverzuckerung, Früchte und Trauben oder Stärke aus beispielsweise Mais, Kartoffeln oder Getreiden. Grob betrachtet lässt sich die Gärung durch folgende Summengleichung zusammenfassen: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO Datenblatt Ethanol Merkmal: F (leichtentzündlich) RS Sätze: R 11 S 7, 16 M: 46,068 g/mol Dichte: 0,7893 g/cm3 Schmelztemperatur: 114,14 C Siedetemperatur: 78,29 C Wasserlöslichkeit: in jedem Verhältnis mischbar andere Löslichkeiten: Ether, Chloroform, Benzin, Benzol Explosionsgrenzen: 3,4 15 Vol. % (Luft) 4

5 1,00 0,95 Dichte, kg l 1 0,90 0,85 0,80 0, Massenanteil, % Diagramm 1: Abhängigkeit der Dichte vom Massenanteil Ethanol in einem Ethanol Wasser Gemisch Volumenanteil, % Massenanteil, % Diagramm 2: Abhängigkeit des Volumenanteils vom Massenanteil Ethanol in einem Ethanol Wasser Gemisch 5

6 3.1.2 Mischung von Ethanol und Wasser Bei Mischung mit Wasser kommt es zu einer Volumenkontraktion und Wärmeentwicklung: z. B. geben 52 Vol. Teile Ethanol und 48 Vol. Teile Wasser nicht 100, sondern nur 96,3 Vol. Teile der Mischung; die Kontraktion ist bei annähernd gleichen Volumen der Komponenten am größten. In der Folge ist die Dichte eines Ethanol Wasser Gemisches nicht proportional aus den Dichten von Wasser und Ethanol zu berechnen (Siehe Diagramm 1). Ebenso zeigt die Auftragung des Volumenanteils gegen den Massenanteil keinen linearen Verlauf (Diagramm 2). Die Wasserlöslichkeit von Ethanol kommt aufgrund einer Ladungsverschiebung innerhalb des Ethanol Moleküls zustande. Das Sauerstoff Atom in der Hydroxy Gruppe des Alkohols zieht aufgrund seiner hohen Elektronegativität gerne Elektronen an sich heran und benutzt dabei die Elektronen der Elektronenpaarbindungen. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche Elektronendichte im Ethanol Molekül, so dass eine Ladungsverschiebung entsteht. Dieser Effekt wird als induktiver Effekt bezeichnet, das Molekül wird dadurch polar. Das Wasser Molekül ist ebenfalls polar. Wenn man nun Ethanol und Wasser vermischt, ziehen sich die gegensätzlichen Ladungen gegenseitig an und es entstehen Wasserstoffbrücken Bindungen. Aus diesem Grunde ist Ethanol sehr gut wasserlöslich. 6

7 3.2 Verdampfen von Flüssigkeiten Viele Substanzen sieden bereits bei Zimmertemperatur, so auch Wasser! Betrachten wir als Beispiel ein Becherglas mit einigen Eiswürfeln, das langsam erhitzt wird. Mit stetiger Energiezufuhr nimmt die Bewegung der Wassermoleküle zu. Erst lösen sich die Moleküle aus dem starren Kristallverband des festen Zustandes. Das Eis schmilzt und wird flüssig. Bei weiterer Energiezufuhr steigt auch die "Beweglichkeit" der Wasserteilchen. Einige schwingen schon so heftig das diese aus der Flüssigkeit in den freien Gasraum des Becherglases übertreten. Die Flüssigkeit verdampft. Einige Teilchen des Dampfes bewegen sich dabei auch wieder zurück zur Flüssigkeitsoberfläche geben einen Teil der Energie wieder ab und wechseln in die flüssige Phase zurück um bald durch neuerliche Energiestöße wieder in die Dampfphase überzutreten. Je mehr Teilchen umso heftiger schwingen umso wärmer ist die Flüssigkeit. Irgendwann wird ein Gleichgewichtspunkt erreicht wo gleich viele Wasserteilchen in die Dampfphase wechseln wie Teilchen in die verbliebene Flüssigkeit zurückwandern dieser Punkt ist dann der Siedepunkt der Substanz. Von nun an steigt die Temperatur nicht weiter an bei Wasser sind das 100 C, unter Normalluftdruck von 1013 mbar. Wie beweglich die Moleküle bei gegebener Temperatur sind, hängt besonders vom Umgebungsdruck ab, der auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkt. Je höher der Umgebungsdruck desto mehr Energie brauchen die Teilchen, um in die Dampfphase überzugehen. Man spricht vom Dampfdruck der Substanz. Im Vakuum verhält es sich demnach genau umgekehrt. Je niedriger der Umgebungsdruck desto leichter treten die Teilchen aus der Flüssigkeit in den Dampfraum Siedediagramm Erhitzt man ein Gemisch zweier Flüssigkeiten (binäres System) zum Sieden, so ist die Zusammensetzung der Gasphase in der Regel von der der flüssigen Phase verschieden. Eine Auftragung der Siedetemperatur als Funktion der Zusammensetzung (Stoffmengenanteil) der flüssigen und der gasförmigen Phase bezeichnet man als Siedediagramm. Siedediagramme bilden die Grundlage für das Verständnis der Trennung eines Stoffgemisches durch Destillation. Im Siedediagramm sind zwei Kurven dargestellt: Die Siedekurve gibt an, bei welcher Temperatur die Mischung bei gegebener Zusammensetzung siedet. Die Kondensationskurve (Taukurve) zeigt, welche Zusammensetzung der Dampf bei der erreichten Siedetemperatur hat. Oberhalb der Kondensationskurve liegt nur Dampf vor, unterhalb der Siedekurve nur Flüssigkeit und zwischen den Kurven liegt ein Gebiet mit zwei koexistierenden Phasen. Abbildung 1 Abbildung 1 zeigt das Siedediagramm einer idealen Mischung. Die Komponente A hat einen niedrigeren Siedepunkt als die Komponente B. Betrachten wir z.b., was beim Erwärmen der Flüssigkeit geschieht: der Ausgangszustand sei a 1. Wenn man die Temperatur T 2 erreicht, siedet die Mischung. Dann hat die 7

8 e Flüssigkeit die Zusammensetzung a 2, und der Dampf, der sich zu bilden beginnt, hat zuerst die Zu sammensetzung a 2. Der Dampf ist reicher an der flüchtigeren Komponente A. Bei einer Destillation wird der Dampf weggeleitet und kondensiert. Dann hat der erste Tropfen die Zusammensetzung a 3, in ihm ist also die flüchtigere Komponente angereichert. Bei der fraktionierten Destillation wird der Zyklus aus Verdampfung und Kondensation mehrere Male wiederholt. Hat das Kondensat die Zusammensetzung a 3, so siedet es jetzt bei T 4 und liefert einen Dampf der Zusammen wird wie setzung a 4, in dem die flüchtigere Komponente noch mehr angereichert ist. Dieser Dampf der weggeleitet, und der erste kondensiertee Tropfen hat die Zusammensetzung a 5. Man kann diesen Zyklus wiederholen, bis man praktisch reines A erhält Ethanol Wasser, eine azeotrope Mischung Viele Flüssigkeiten haben Siedediagramme, die dem in Abb.1 wiedergegebenenn Idealfall ähneln; es gibt aber eine Reihee von wichtigen Fällen, bei denen deutliche Abweichungen auftreten, die das Ergebnis der Destillation entscheidend verändern können. Diese Abweichungenn können zu Maxima oder Minima in der Siedekurve der Mischung führen. Wenn das Siedediagramm einen Punkt aufweist, in dem sich beide Kurven berühren, bedeutet dies, dass die Zusammensetzung des Dampfes über der Flüssigkeit der der Flüssigkeit entspricht. Einen solchen Punkt nennt man azeotropen Punkt. Beispiel: Der Siedepunkt von reinem Wasser beträgt 100 C, der von Ethanol liegt bei 78, 5 C. Die Mischung bestehend aus 96 % Ethanol und 4 % Wasser siedet niedriger als die beiden reinen Stoffe. Der Name Azeotrop bedeutett konstant siedend, d.h. diese Mischung verhält sich bezüglich des Siedens wie ein reiner Stoff. 1 Das destillative Trennverfahren funktioniert im System Ethanol Was sser somit nur bis zur azeotropen Zusammensetzung von 96 % Ethanol und 4 % Wasser. Man kann also Ethanol durch fraktionierte Destillation nur bis zu 96 % anreichern. Abbildung 2: Siedediagramm Ethanol Wasser Mischung 1 Systemee mit Siedepunktsmaximumm haben auch einen azeotropen Punkt an dem die Lösung das gleiche Siedeverhalten wie ein reiner Stoff zeigt. Als Beispiel sei hier das System Wasser Chlorwasserstoff (Salzsäure) genannt. 8

9 3.3 Destillation Destillation ist ein Verfahren, bei dem man eine Flüssigkeit so lange erhitzt, bis ihre flüchtigen Bestandteile in die Gasphase übergehen. Kühlt man den Dampf dann wieder ab, so erhält man die kondensierten Bestandteile in flüssiger Form. Man bezweckt damit hauptsächlich, ein aus mehreren Komponenten bestehendes Gemisch in die Einzelkomponenten aufzutrennen. Bei diesem Prozess nutzt man die unterschiedlichen Flüchtigkeiten der einzelnen Komponenten (z. B. Trennung der flüchtigen Bestandteile von den nichtflüchtigen) aus. Bestehen in der Flüchtigkeit (und damit auch im Siedepunkt) zweier Komponenten eines Gemisches große Unterschiede, so lässt sich die Trennung mittels einfacher Destillation leicht bewerkstelligen. In der Praxis erreicht man, meist erst durch mehrmaliges Destillieren, reine Stoffe. Auch Wein, welcher fast nur aus Wasser und Alkohol besteht, kann durch einmalige Destillation nicht vollständig in Wasser und Alkohol zerlegt werden. Das Kondensat besteht je nach Verfahren aus ca %, maximal 96% Alkohol (Siehe oben) Destillationsapparaturen Die folgende Abbildung zeigt den Mindestaufbau einer Destillationsapparatur: Auf der Heizplatte Abbildung 3: Einfache Destillationsapparatur befindet sich ein Kolben, in den das zu trennende Stoffgemisch z.b. Rotwein eingefüllt wird. Das Überleitungs und zugleich Kühlrohr mündet in einem Becherglas in der das gewonnene Destillat aufgefangen wird. Der beschriebene Aufbau hat einige Nachteile: Luft ist ein schlechter Wärmeleiter und als Kühlmittel in diesem Temperaturbereich nicht wirklich gut geeignet. Aus der offenen Apparatur würden nicht kondensierte Dämpfe entweichen, eine Temperaturkontrolle wäre nicht möglich. Günstiger ist der folgende Aufbau. Zum Heizen wird eine Pilzheizhaube aus Glasgewebe eingesetzt. Ein Zweihalskolben erlaubt die Messung der Sumpftemperatur im Kolben, das zweite Thermometer im tionsaufsatz dient zur Messung der Dampftemperatur. Der unbenutzte Hals kann mit einem Stopfen verschlossen werden oder eine Rührwelle zur Flüssigkeitsbewegung men. An den Destillationsaufsatz schließt ein Abbildung 4: Labor Destillationsapparatur 9

10 Liebigkühler (Wasserkühlung) an, auf den eine Fingervorlage mit kleinen Spitzkolben als Vorlage aufgesteckt ist. Der lästige Vorlagentausch, also das Wechseln der Auffanggefäße nach jeder Fraktion (den einzelnen Komponenten), entfällt durch das rechtzeitige Weiterdrehen. Damit kein Überdruck entsteht, dürfen aber nie alle Kolben gleichzeitig aufgesteckt werden. Der Destillationsablauf kann mit der beschriebenen Apparatur temperaturgeführt in drei Faktionen geteilt werden. Dem Vorlauf, dem Hauptlauf und dem Nachlauf. Zu Destillationsbeginn steigt die Temperatur im Sumpf des Zweihalskolbens bis zum Siedepunkt des Rotweines. Nun destilliert der Vorlauf mit sehr flüchtigen unerwünschten Bestandteilen (z.b. Methanol mit einem Siedepunkt von 64,5 C) über. Die Temperatur bleibt dabei nun einige Zeit etwa konstant. Beginnt die Temperatur plötzlich weiter zu steigen, ist die Vorlage zu wechseln und der Hauptlauf mit dem erwünschten Produkt destilliert bei abermals etwa konstanter Temperatur über. Wenn die Temperatur nun wieder zu steigen beginnt, ist das Ende der Destillation erreicht, denn nun geht der Nachlauf über. Zurück bleibt die Schlempe. Für den "Doppeltgebrannten" wird der Hauptlauf nun in einer neuerlichen Destillation wiederum mittels Destillation in drei Fraktionen geteilt Rektifikation, Gegenstromdestillation Die Rektifikation ist quasi die kontinuierliche Redestillation und ist mittels einer Destillationskolonne zu erreichen. Eine Kolonne ist ein Rohr in das verschiedene Einbauten oder Füllstoffe (Glockenboden, Glaskugeln, Raschigringe, Drahtröllchen u.a.) eingebracht werden, die auf den Oberflächen der Einbauten oder der Füllstoffe einen intensiven Kontakt mit den Dampfphasen der Destillationssubstanzen herstellen. Bei der Rektifikation oder Gegenstromdestillation wird also dem Kühler eine Kolonne (Z.B. Vigreux Kolonne) vorgeschaltet. Ihr Prinzip besteht darin, dass man eine Anreicherung der leichtflüchtigen Komponente in der Gasphase herbeiführt. Man erreicht dies dadurch, dass der an leichtsiedender Flüssigkeit schon angereicherte Dampf im oberen Teil der Kolonne kondensiert und in der Kolonne zurückläuft (Rücklauf). Dabei wird er von aufsteigendem Dampf durchströmt und erwärmt. Durch einen Wärme und Stoffaustausch geht aus dem zurücklaufenden Gemisch der leichtflüchtige Teil in den Dampf, und aus dem aufsteigenden Dampf kondensiert der schwerflüchtige Anteil. Das Resultat ist ein Dampf, der an leichtflüchtiger Komponente stärker angereichert ist als der zuerst aufgestiegene. Damit die vielfältigen Gleichgewichte zwischen Dampf und Rücklauf in der Kolonne nicht durch zusätzliche Kondensation an der Glaswand gestört werden, kann man diese nach außen hin isolieren. Die Einstellung des Dampf/Flüssigkeitsgleichgewichts in einer Kolonne ist ideal, wenn kein Destillat entnommen wird, sondern alles als Rücklauf in die Kolonne zurückfließt. Um dieses Gleichgewicht nicht wesentlich zu stören, soll während der Destillation nur soviel Destillat entnommen werden, wie sich laufend in der Kolonne anreichert. Eine größere Entnahme würde sich im Ansteigen der Siedetemperatur (im Vergleich zur Siedetemperatur bei Totalrücklauf) äußern und eine unvollständige Trennung bewirken. 10

11 3.4.3 Bauteile für die Destillation im Labormaßstab Vigreux Kolonne Im Praktikum verwenden Sie zur Gegenstromdestilation eine Vigreux Kolonne. Es handelt sich im Prinzip um ein Glasrohr, dessen Oberfläche durch dornenförmiges Hineindrücken der Glaswand nach innen vergrößert worden ist. Vigreaux Kolonnen sind meist verspiegelt, d. h. sie haben einen zweiten Glasmantel, der unter Vakuum steht und der von innen verspiegelt ist, um den Energieverlust durch Wärmestrahlung zu minimieren (> Thermoskanne, Dewar Gefäß). Destillationsaufsatz Der rechts abgebildete Destillationsaufsatz heißt auch Claisenaufsatz. Er dient bei der Destillation als Kopfbauteil zwischen Kolben und Kühler. Der Claisenaufsatz verhindert das Spritzen von Destillationsgut in den Kühler. Das Destillationsthermometer gehört beim Claisenaufsatz auf den Rechten der oberen kleinen Schliffe. Die Einbaulänge des Thermometers sollte so gewählt werden, dass die Quecksilberkugel ganz knapp unterhalb des Ausgangs Richtung Kühler hängt. Liebigkühler Der Liebigkühler ist ein absteigender Kühler zum Abdestillieren. Wasseranschlüsse: immer der Destillationsrichtung entgegen anschließen (Gegenstromkühlung). Rundkolben Der Rundkolben ist das Universal Reaktionsgefäß schlechthin. Gibt es in den verschiedensten Ausführungen, mit einem oder mehreren Hälsen, unterschiedlichen Schliffen. Auch mit geraden Seitenhälsen (hier nicht abgebildet). Rundkolben ohne Schliff sind heutzutage praktisch nicht mehr in Gebrauch. 11

12 Stopfen Heizpilz Ein Heizpilz (genauer: eine Pilz Heizhaube) ist ein Heizgerät zum Beheizen von Apparaturen im Labor. Es handelt sich um einen halbkugelförmigen Heizmantel aus Glasseide mit elektrischer Widerstandsheizung. Er wird zum Erhitzen von Rundkolben eingesetzt und ist in verschiedenen Größen erhältlich für Rundkolben von etwa 50 ml bis zu 20 l. Da es beim Zerspringen des Kolbens zu Bränden und Kurzschlüssen kommen kann, werden Original Heizpilze nur zusammen mit Fehlerstromschutzschaltern zum Erhitzen von nicht brennbaren Flüssigkeiten verwendet. Vakuumvorstoß Um einen Überdruck im System zu vermeiden muss ein Druckausgleich ermöglicht werden. Dies ist beispielsweise mittels Vakuumvorstoß möglich. Schliffmaterial Der Normschliff beschreibt die übliche Verbindung zweier Glasgeräte in der Chemie. Man unterscheidet zwischen Hülsen und Kernen an den Geräten, wobei immer ein Kern in eine Hülse passt. Die häufigsten Schliffgrößen sind: d1/h = 14,5/23 und 29,2/32 mm. Bei der Bezeichnung werden die Nachkommastellen häufig weggelassen. Die Maßangabe für die beiden Beispiele lautet dann: "NS14/23" und "NS29/32" (NS = Normschliff). Zur Abdichtung von Normschliffen sind verschiedene Arten von Fett gebräuchlich. Schliffe müssen immer sparsam gefettet werden, um zu vermeiden, dass übermäßiges Schlifffett aus den Schliffen austritt und dadurch in Reaktionsmischungen hineingelangt. Man fettet deshalb bei Kegelschliffen immer die obere Hälfte, die beim Zusammenstecken klar und durchsichtig aussehen muss, wohingegen die untere, nicht gefettete Hälfte blind bleibt. 12

13 3.4 Fotometrie Ausführungen zur Fotometrie finden Sie in den Unterlagen zum Praktikumsversuch Fotometrie. 3.5 Einige Grundbegriffe Präzision, Richtigkeit und Genauigkeit Die Präzision ist ein Maß für die Übereinstimmung zwischen unabhängigen Messergebnissen unter festen Bedingungen. Liegen also mehrere Messwerte dicht beieinander, so hat die Messmethode eine hohe Präzision. Das bedeutet aber noch nicht, dass die gemessenen Werte auch richtig sind. Sie könnten präzise falsch sein. Dies ist beispielsweise im zweiten Bild unten der Fall. Hier könnten durch einen systematischen Fehler die Wert zwar sehr präzise bestimmt worden sein, aber eben verschoben sein. Die Richtigkeit ist ein Maß für die Übereinstimmung zwischen dem aus einem großen Datensatz erhaltenen Mittelwert und dem anerkannten Referenzwert. Wenn also der Mittelwert aus vielen Messungen gut mit dem wahren Wert übereinstimmt, so ist die Richtigkeit hoch. Dies sagt nichts darüber aus, wie stark die einzelnen Werte streuen. Der Begriff Genauigkeit wird (fälschlicherweise) häufig mit Präzision gleichgesetzt. Die Genauigkeit ist ein Maß für die Übereinstimmung zwischen dem (einzelnen) Messergebnis und dem wahren Wert der Messgröße. Eine hohe Genauigkeit kann man also nur erreichen, wenn sowohl die Präzision als auch die Richtigkeit gut sind Einige Größen Größe Formelzeichen Einheit Masse m kg Volumen V L Dichte ρ kg l 1 Massenanteil w % Volumenanteil ν % Der Massenanteil ist ein Maß für die anteilige Masse einer Komponente an einem Gemisch/einer Lösung: ö Das Gleiche gilt entsprechend für den Volumenanteil. ö ö ö Die Dichte eines Körpers/eines Lösung ist das Verhältnis seiner Masse zu seinem Volumen: ρ 13

14 4 Praxis 4.1 Destillation Verwendete Bauteile Stativmaterial: 7 Doppelmuffen, 4 Stativklemmen, 2 Stative, 1 Querstange 1 Pilzheizhaube 2 Thermometer 1 Dreihalsrundkolben (Hals NS 29/32, Seitenhälse NS 14/23) 1 Übergangsstück für Kegelschliff (Kern NS 29/32, Hülse NS 14/32) 1 Vigreux Kolonne (Kern und Hülse NS 14/32) 1 Liebigkühler mit Claisenvorsatz (NS 14/23) 1 Vakuumvorstoß (NS 14/23) 2 Stopfen (NS 14/32) 1 Schliffklemme (NS 14/23) Schlifffett 2 Messzylinder mit Schliff Aufbau der Destillationsapparatur Bauen Sie die Destillationsapparatur nach folgendem Bild auf. Aufbau 1. Stative mit Querstange aufstellen 2. Kolonne am Stativ montieren 3. Liebigkühler und Vakuumvorsatz verbinden und mit Schliffklemme sichern 4. Liebigkühler/Claisenvorsatz mit der Kolonne verbinden und an der Querstange montieren: Stativklemme dazu nur locker schließen (Vermeidung von mechanischen Spannungen im Aufbau) 5. Dreihalskolben mit Wein befüllen (150 ml abmessen mit Messzylinder) Siedesteinchen zugeben 6. Dreihalskolben mit Übergangsstück versehen, an der Kolonne ansetzen und am Stativ fixieren 7. Pilzheizhaube am Stativ montieren und unter den Dreihalskolben schieben 8. Zylinder für das Destillat unterhalb des Vakuumvorstoßes fixieren. 9. Thermometer im Claisenvorsatz bzw. im Dreihalsrundkolben positionieren und die offenen Schliffe mit Stopfen verschließen. Abnahme Lassen Sie den Aufbau von der Betreuerin/dem Betreuer abnehmen. 14

15 4.1.3 Durchführung der Destillation Aufheizphase Schalten Sie den Heizpilz auf höchste Heizleistung (Stufe III) ein. Notieren Sie die Temperatur im Sumpf und in der Dampfphase. Destillationsphase Die Sumpf Temperatur wird so eingestellt, dass sich die geeignete Kolonnenbelastung ergibt. Diese ist richtig eingestellt, wenn ein deutlicher Rücklauf zu beobachten ist. Bei dem vorliegenden Versuchsaufbau erfüllt folgende Vorgehensweise diese Anforderung: Hat die Sumpftemperatur etwa 70 C erreicht, reduzieren Sie die Heizleistung der Heizhaube, damit der Wein nicht überkocht (Stufe II). Beobachten und notieren Sie die Temperaturen im Sumpf und im Dampf. Bei etwa 75 C Dampftemperatur: Sollte mittlerweile Destillat entstanden sein (= Vorlauf) leeren Sie den Messzylinder aus. Nun beginnt die Ethanol Destillation. Beobachten und notieren Sie weiter die Temperaturen und die Destillatmenge. Theoretisch liegt bei optimaler Prozessführung die Dampftemperatur bei 78 C. Regeln Sie die Temperatur ggf. im Bereich von 75 bis 80 C durch Verstellen der Heizstufe nach. Ist eine Sumpftemperatur von 96 C erreichen: Wechseln Sie nun den Messzylinder. Fangen Sie die dritte Fraktion (= Nachlauf) solange auf, bis die Dampftemperatur einen Wert von etwa 90 C erreicht. Arbeitsorganisation Eine Person sollte bei der Destillationsanlage bleiben Üben Sie während der Destillation abwechselnd den Umgang mit der Kolbenhubpipette (Kap ). Auch die Ethanolstammlösung kann schon angesetzt werden. Beobachtungen Notizen 15

16 Uhrzeit Prozesszeit min T Sumpf C T Dampf C V Destillat ml Beobachtung 16

17 Temperatur, C Destillat, ml Zeit, min Diagramm 4: Temperaturverläufe und Destillatmenge 17

18 4.2 Bestimmung der Ethanolkonzentration im Destillat Verwendete Chemikalien Ethanol absolut p.a. 96% Cer(IV)ammoniumnitratlösung (2 g CerNH 4 NO 3 in 25 ml c(hno 3 )=2 mol gelöst) Entionisiertes Wasser Verwendete Geräte Kolbenhub Pipette, variabel µl LED Fotometer, Fa. Atotech Küvetten d=1cm, Küvettenständer Parafilm Div. Bechergläser Präzisionswaage, Fa. Sartorius, Typ excellence, Ablesbarkeit: 0,001 g Aufnahme der Kalibiergeraden 1. Üben Sie den Umgang mit der Kolbenhubpipette a. Stellen Sie ein kleines Becherglas auf die Waage. Pipettieren Sie mehrfach 400 µl Wasser hinein und überprüfen Sie das pipettierte Volumen anhand der Masse: ρ(h 2 O) = 1 g ml 1 m(h 2 O) = 400 mg b. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals mit 400 µl Ethanol 96%: ρ(ethanol) = 0,803 g ml 1 m(ethanol) = 321,2 mg Pipettiervorgang m Wasser, g m Ethanol, g Diskutieren Sie die Ergebnisse anhand der Begriffe Präzision, Richtigkeit, Genauigkeit. Diskussion 18

19 2. Setzen Sie eine Ethanol Stammlösung an: a. Legen Sie in einem kleinen Becherglas etwa 30 g Wasser vor (genauen Wert ablesen und notieren) b. Geben Sie 400 µl Ethanol 96% dazu (Gesamtgewicht ablesen und notieren) c. Berechnen Sie den Massenanteil w(eth.) der Stammlösung... %. %. m(h 2 O) Stammlösung m Stammlsg. m(eth.) 96% w(eth.) Stammlösung 3. Setzen Sie die Kalibrierlösungen nach folgender Ansatzvorschrift an: Standard V(Cer) ml V (H 2 O) ml V(Eth) Stammlsg. ml w(eth.) Kal. Φ % E 1 1 2, ,0 0, ,5 1, ,0 1, ,5 2, ,5 Tabelle 1: Aufnahme der Kalibriergeraden Vorgehensweise: Küvetten im Küvettenständer aufstellen Cerammoniumnitratlösung und Wasser in die Küvetten pipettieren Ethanol Stammlösung hinzugeben, Küvette mit Parafilm abdecken und zum Durchmischen der Lösung umschwenken Stoppuhr starten 4. Messen Sie nach exakt 5 min den relativen Lichtstrom Φ der Kalibrierlösungen und notieren Sie die Werte in Tabelle Berechnen Sie den Massenanteil Ethanol der jeweiligen Lösung ρ ρ.. ρ.. ρ

20 6. Berechnen Sie aus den Messwerten die Extinktionen der Kalibrierlösungen. Φ Φ Hierbei ist Φ 0 der Lichtstrom der Kalibrierlösung ohne Ethanol (=Blindwert). 7. Tragen Sie die Extinktionen in Diagramm 4 gegen die Massenanteile auf: Extinktion 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Massenanteil, % Diagramm 4: Kalibriergerade 20

21 4.2.4 Bestimmung der Ethanolkonzentration im Destillat 1. Verdünnen Sie die Destillate: a. Legen Sie in einem kleinen Becherglas etwa 30 g Wasser vor (genauen Wert ablesen und notieren) b. Geben Sie 400 µl Destillat dazu (Gesamtgewicht ablesen und notieren) m(h 2 O) Verd.Destillat Hauptlauf Nachlauf m(eth.) Destillat m Verd.Destillat 2. Setzen Sie die Messlösungen entsprechend der Ansatzvorschrift (Tabelle 2) an. 3. Vermessen Sie die Messlösungen nach exakt 5 Minuten und notieren Sie die Werte in Tabelle Berechnen Sie die entsprechenden Extinktionswerte. 5. Tragen Sie die zugehörigen Massenanteile w(eth.) Messansatz an der Kalibriergeraden ab und notieren Sie diese in Tabelle Berechnen Sie die Massenkonzentration w(eth.) Verd.Destillate in den verdünnten Destillaten (Annahme ρ 1g ml 1 ): Berechnen Sie die Massenkonzentration in den Destillaten: Destillat V(Cer) ml V (H 2 O) ml V(Eth) Dest. ml Hauptlauf 1 0,5 2,0 Nachlauf 1 0,5 2,0 Φ % E Destillat w(eth.) Messansatz w(eth.) Verd.Destillat w(eth.) Destillat Hauptlauf Nachlauf Tabelle 2: Bestimmung des Ethanolgehaltes in den Destillaten 21

22 4.2.5 Berechnung der Ethanolausbeute Volumenanteil Ethanol im Wein: Siehe Weinflasche Eingesetzte Weinmenge V Wein : Siehe Arbeitsanleitung Umwandlung von Volumenprozent in Massenprozent Ethanol: mittels Diagramm 2 Ablesen der entsprechenden Dichte: Diagramm 1 Berechnung der Masse Wein bzw. Destillat: Über die Dichte aus dem Volumen Berechnung der Masse Ethanol im Wein bzw. Destillat:.... Berechnung der Ausbeute (Summe von Hauptlauf und Nachlauf): % Berechnungen 22