Arbeitskreis Potentiometrische Verfolgung der Hydrolyse F 12 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 1 / 8. Prinzip:

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1 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 1 / 8 Prinzip: Die Hydrolyse von tert. Butylchlorid in wässriger Lösung kann mit Hilfe der ph - Wert - Messung verfolgt werden, da dabei Oxoniumionen entstehen. Der Versuch wird über einen Zeitraum vermessen und die Daten unter reaktionskinetischen Gesichtspunkten ausgewertet. Versuchsaufbau: Materialliste: Geräte: 1 Stativ Chemikalien: 1 Computer 1 Muffe tert. Butylchlorid, c= 0.1 mol/l in 1 ALL-CHEM-MISST 1 Greifklemme, klein Aceton) = 1 serielles Kabel 1 Magnetrührer 1.1 ml 2-Chlor-2-methyl-propan 1 ph - Elektrode 1 Rührmagnet in 100 ml Lösung (Aceton) 1 Becherglas, 100 ml evtl. pneumat. Wanne Aceton 1 Meßzylinder, 100 ml 1 Meßpipette, 10 ml Wasser 1 Meßpipette, 1mL evtl. Pufferlösung ph = 7 bzw. 2 Vorbereitung des Versuchs: Die Geräte werden entsprechend der Zeichnung aufgebaut. Mit Hilfe des Meßzylinders werden 90 ml dest. Wasser und mit Hilfe der Pipette 10 ml Aceton (als Lösungsvermittler) in das Becherglas gefüllt, der Rührmagnet zugegeben und das Becherglas auf den Magnetrührer gestellt. Will man einen Einfluss der Temperatur ausschließen, kann man eine große pneumatische Wanne mit entsprechend temperiertem Wasser auf den Magnetrührer stellen. Der Computer wird über das serielle Kabel mit dem "ALL-CHEM-MISST" verbunden und der Normstecker der ph- Elektrode in die entsprechende ph - Buchse gesteckt. Achten Sie darauf, dass beim ALL-CHEM-MISST der linke Schalter in Stellung PC oder "ph" steht! Falls Sie nicht nur die Reaktionsordnung ermitteln, sondern auch die Geschwindigkeitskonstante exakt bestimmen wollen, müssen Sie genau eichen! (siehe Arbeitsblatt F01) Vorbereitung am Computer: (ausführliche Beschreibung: siehe nächste Seite) Angezeigte Messgröße: ph-wert Untergrenze: 0 Obergrenze: 14 Wandler: ALL-CHEM-MISST Kanal ph Anschluss z.b. COM 1 Vorgabe x-achse: Zeit Zeitintervall: 5 s Gesamtzeit: 400 s Durchführung des Versuchs: Mit Hilfe der 1 ml Pipette werden 0,8 ml t- Butylchlorid - Lösung in das Becherglas pipettiert und dabei gleichzeitig die Messung Start gestartet. Beendet wird nach 400 Sekunden mit Klick auf Stop oder mit der Taste [Esc]. Speichern Sie die Ergebnisse vor der Auswertung. Nach dem Beenden der Messung erscheint die entsprechende Abfrage.

2 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 2 / 8 Auswertung des Versuches: Bei der Hydrolyse von tert. Butylchlorid entstehen tert. Butylalkohol und Salzsäure bzw. Oxoniumionen; d.h. der ph-wert sinkt. (CH 3 ) 3 C-Cl + 2 H 2 O (CH 3 ) 3 C-OH + H 3 O + + Cl - Aus dem ph-wert (den frei werdenden H 3 O + - Ionen) lässt sich die Konzentration des tert.-butylchlorids (BC) berechnen, da für jedes reagierende Butylchlorid - Molekül ein Oxoniumion entsteht. Die Oxoniumionen aus dem Wasser können dabei vernachlässigt werden.. c(bc) = (n A (BC) V - n H V ) / V = c A (BC) ph Berechnung der Konzentration an tert. Butylchlorid Die Anfangskonzentration an t-butylchlorid beträgt c= c(bc)*v(bc)/v = 0.1* / 0.1 = mol/l Zur besseren graphischen Darstellbarkeit wird in mmol/l umgerechnet. (Die Werte werden mit 1000 multipliziert) Funktionswerte umrechnen Im HM: Rechnen Umrechnen mit einzugebener Funktion Y-Werte Eingeben der Formel 0.8-((10^(-YA))*1000 OK OK

3 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 3 / 8 Nun haben Sie in Konzentrationen umgerechnet und müssen entsprechend die Einheit umstellen sowie die Grenzen verändern. Meßgröße ändern Klicken Sie dazu im Bereich des Graphens einmal mit der Rechten Maustaste. Im aufklappenden Menü wählen Sie Eigenschaften und noch einmal Eigenschaften. Stellen Sie dabei sicher, dass der Graph mit den umgerechneten Daten zum Bearbeiten ausgewählt ist (erkennbar an dem Häkchen). Nun erscheint das untern gezeigte Fenster, in dem Sie die Beschriftungen und Skalierungen ändern können: Messgröße Y-Achse: Konzentration Einheit Y-Achse: mmol/l Obergrenze Y-Achse: 0.8 OK OK

4 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 4 / 8 Vorschläge zur Bestimmung der Reaktionsordnung: Die Geschwindigkeitsgleichung für eine Reaktion erster Ordnung lautet: dc v = = k 1. c 1 dt Durch Integration der Gleichung erhält man eine e - Funktion: Setzt man für c t den Wert c 0 /2 ein, so erhält man durch Umformen und Logarithmieren: - k. 1 t c t = c. 0 e c 0 - k 1. t 1/ = c 0. e 2 ln (2) = t. 1/2 k1 ==> k 1 = ln t 1/2 Automatik für Kinetik aufrufen Im HM Auswerten Automatik für Kinetik OK Sie erhalten als Zusatzinformation Angabe der Summe der Fehlerquadrate für die einzelnen Ordnungen. Dieser Wert muss möglichst klein sein. (Hier 1.Ordnung ) Der Rechner schlägt dabei eine optimierte Halbwertszeit von 77,1811 s vor. Test: Man setzt die Halbwertszeit (t=87,8 s) als neuen Startpunkt, dann muss beim doppelten Wert (t=175,6 s) die Hälfte der Hälfte reagiert haben, d.h. der Punkt für c/4 muß auf dem Graphen liegen. Geschwindigkeitskonstante aus der Halbwertszeit: k 1 = ln(2) / t 1/2 = / 77,18 s = s -1 Mit Zeichnen und Beschr. Können Sie diese in die Graphik eintragen. Ende mit Fertig

5 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 5 / 8 Weitere Vorschläge: Auswertung nach Reaktion 1. Ordnung Durch Integration der Geschwindigkeitsgleichung für die Reaktion erster Ordnung (vorige Seite) erhält man - k. 1 t c t = c. 0 e das bedeutet, bei Reaktionen erster Ordnung nimmt die Konzentration des Edukts exponentiell mit der Zeit ab. Logarithmiert man die Gleichung (6), so erhält man.: ln c t = ln c 0 - k 1. t (Trägt man ln c gegen t auf, so muß sich eine Gerade ergeben: Logarithmieren der Werte Im HM Rechnen Logarithmieren (ln) der Werte Y- Werte OK Neue Datenreihe Neuer Graph OK Nun passen Sie die Skalierung des Graphen an Rechte Maustaste (im Bereich des Graphens) Skalierung Automatisch

6 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 6 / 8 Sei können zusätzlich eine Ausgleichsgerade zeichnen und deren Steigung in den Graphen einzeichenen lassen. Ausgleichsgerade einzeichnen Im HM Auswerten Ausgleichsgerade Der Rechner zeichnet die Ausgleichsgeraden und gibt die Steigung sowie x-/y-achsenabschnitt und Korrelation an: (Steigung: -0,009 s -1 y-abschnitt: -0,128). Mit Zeichnen und Beschr. Können Sie diese in die Graphik eintragen. Ende mit Fertig Die Geschwindigkeitskonstante entspricht der Steigung: k 1 = m = s -1. Der Korrelationskoeffizienten (-0.996) ist auch relativ (?) gut.

7 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 7 / 8 Auswertung nach Reaktion 2. Ordnung: Die Geschwindigkeitsgleichung für eine Reaktion erster Ordnung lautet: dc v= = k2 c 2 dt Durch Integration der Gleichung erhält man c = k 2. c 0. t + 1 c t Formt man die Gleichung um, so erhält man: = k 2. t c t c 0 Trägt man 1/c (y-achse) gegen t (x-achse) auf, müsste es bei Vorliegen zweiter Ordnung eine Gerade ergeben. Man zeichnet eine Ausgleichsgerade und ermittelt die Steigung dieser Geraden. Bildung der Kehrwerte Lassen Sie sich den Graphen mit den umgerechneten Daten von F 12 anzeigen. (über die Projektübersicht) Im HM Rechnen Bildung der Kehrwerte Y-Werte OK Neue Datenreihe Neuer Graph OK Nun passen Sie die Skalierung des Graphen an Rechte Maustaste (im Bereich des Graphens) Skalierung Automatisch Sei können zusätzlich eine Ausgleichsgerade zeichnen und deren Steigung in den Graphen einzeichenen lassen. Ausgleichsgerade einzeichnen Im HM Auswerten Ausgleichsgerade Mit Zeichnen und Beschr. Können Sie diese in die Graphik eintragen. Ende mit Fertig Sie können die Steigung (0.091) und den Korrelationskoeffizienten (0.867) notieren. Es liegt offensichtlich keine Reaktion zweiter Ordnung vor.

8 Kappenberg von 2-Chlor-2-methylpropan Seite 8 / 8 TIP - Die Reaktionsführung ist für eine exakte kinetische Auswertung recht schwierig. Bessere Ergebnisse erhält man aus den Leitfähigkeitsmessungen (Arbeitsblatt D19) Entsorgung: Literatur: