Gruppe 6 vorgegebener Versuch. Experimentelle Bestimmung der Molmasse von Ethanol

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1 Philipps- Universität Marbur FB 15 Chemie ranisch-chemisches Grundpraktikum für das Lehramt Christian Leo Leitun: err Dr. eiß Datum: SS 09 Gruppe 6 voreebener Versuch Experimentelle Bestimmun der Molmasse von Ethanol Strukturformel: C 3 Ethanol Sdp. 78 C M = / Zeitbedarf: Vorbereitun: Versuchsdurchführun: Nachbereitun 15 min 15 min 10 min Chemikalien: Chemikalien Ethanol Summenformesymbole Mene -Sätze S-Sätze Gefahren- Schuleinsatz (essgiss) C 5 2 0,1 ml F S 1 Geräte und Materialien: 250 ml undkolben NS 29 Glasperlen durchbohrter Gummistopfen Spritze (2 ml) mit Kanüle eboenes Glasröhrchen (ca. 90 Winkel) PVC Schlauch (Läne etwa 8-10 cm) Kolbenprober eißluftfön 2 x Schlauchschellen Feinwaae 1

2 Versuchsaufbau: Abb. 1.: Apparatur zum Messen des Gasvolumens des einesetzten Ethanols Versuchsdurchführun: Man entnimmt etwa 0,1 ml Ethanol und bestimmt die exakte Masse des entnommenen Volumens mit einer Feinwaae. Nun ibt man das Ethanol in einen undkolben mit Glasperlen. Dieser wurde vorher mit einem Gummistopfen verschlossen und an einen Kolbenprober aneschlossen. Man bestimmt das zu erwartende Volumen an asförmien Ethanol mit der Formel: V [L] m[]. 0,49 und notiert das tatsächliche Volumen, dass am Kolbenprober anezeit wird. Nach Zuabe des Ethanols wird der undkolben vorsichti mit einem eißluftfön erwärmt, bis das Ethanol in die Gasphase übereanen ist. Der Kolben darf dabei nicht zu sehr erhitzt werden, um eine zu roße Ausdehnun des Gases aufrund der Temperaturerhöhun zu vermeiden. Beobachtunen: Es wurden zwei Versuchsreihen V1) und V2) durcheführt. V1) Es wurde eine Masse von m (Ethanol) = 0,119 einesetzt. Das erwartete Volumen betru: 0,199. 0,49 = 0,058 L = 58 ml. Um das Ethanol in die Gasphase zu überführen, wurde der undkolben vorsichti mit einem eißluftfön erwärmt. Es stellte sich ein konstantes Volumen von V ( C 25() ) = 26 ml ein. V2) Es wurde eine Masse von m (Ethanol) = 0,212 einesetzt. Das erwartete Volumen betru: 0,212. 0,49 = 0,104 L = 104 ml. Um das Ethanol in die Gasphase zu überführen, wurde der undkolben vorsichti mit einem eißluftfön erwärmt. Es stellte sich ein konstantes Volumen von V ( C 25() ) = 64 ml ein. Entsorun: Die Messapparatur mit dem asförmien Ethanol wurde unter dem Abzu eöffnet und abebaut. Die Glasperlen werden in eine Abdampfschale efüllt, unter den Abzu estellt und können wieder verwendet werden. 2

3 Fachliche Analyse und Auswertun: Bei der Arbeit im Labor oder bei theoretischen Überleunen am Schreibtisch benötit ein Chemiker zu vielen Anlässen die Kenntnis der Molaren Masse eines Stoffes. Schon früh wurde den Chemikern der Nutzen und die Bedeutun dieser Größe klar. So lassen sich doch mit der Kenntnis der Molaren Masse Aussaen über die Stoffmene bei einer eeben Masse treffen. Besonders einfach lässt sich die Molare Masse von flüchtien Substanzen bestimmen. Im Jahr 1811 entdeckte Amedeo Avoadro, dass leiche Volumina beliebier Gase bei leicher Temperatur und leichem Druck die leiche Anzahl an Molekülen aufweisen. Das nach ihm benannte Gesetzt des Avoadro schuf eine Grundlae zur Aufstellun der allemeinen Zustandsleichun idealer Gase. p V = n T Dabei steht p [atm] für den Druck, V [L] für das Volumen, n [] für die Stoffmene, atm L für die universelle Gaskonstante und T [K] für die Temperatur eines idealen Ga- K ses. Als ideales Gas bezeichnet man ein hypothetisches Gas, bei dem die Gaseküle als ausdehnunslose Massepunkte aufefasst werden. Die Moleküle sind dabei freibewelich und unterlieen, außer Stößen mit anderen Molekülen, keinerlei Wechselwirkunen. Ein ideales Gas erfüllt die obie Gleichun unter allen Bedinunen exakt. Mit dieser Zustandsleichun und mit der Definition der Molaren Masse lässt sich diese bei Stoffen, die leicht in die Gasphase zu überführen sind einfach experimentell bestimmen. Die Molare Masse ist durch die Masse einer bestimmten Stoffmene bestimmt. m m M = n = [ ] n (1) M Setzt man (1) in die Zustandsleichun eines idealen Gases ein und löst diese Gleichun nach M auf, so kann die Molare Masse bei Kenntnis der einesetzten Masse einer Substanz und deren Volumen im asförmien Zustand bestimmt werden. p V = m M T m T M = (2) V p Im durcheführten Experiment kann die Temperatur konstant als 293,15 K anenommen werden. Die Arbeit mit dem Fön eschieht sehr vorsichti. Nur ein kleiner Abschnitt der Messapparatur wird erwärmt, so dass die Erwärmun des Gases insesamt nur minimal ist. 3

4 Als Gasdruck kann konstant eine Atmosphäre anenommen werden. Die universelle Gaskonstante beträt bei den verwendeten Einheiten = 0,082. atm L K Mit ilfe dieser Formel kann nun die Molare Masse von Ethanol experimentell bestimmt werden. Ethanol ist ein Alkohol und hat einen Siedepunkt von 78 C. Damit zählt es zu den flüchtien Substanzen. Die physikalischen Eienschaften des Ethanols werden durch die Anwesenheit der funktionellen ydroxy-gruppe eprät. Durch die hohe Elektroneativität des Sauerstoffatoms ist die --Bindun stark polarisiert. + δ δ Der est - steht im Fall des Ethanols für eine Ethylruppe. Durch diese polarisierte Bindun kommt es, analo zum Wasser, zur Ausbildun von Wasserstoffbrückenbindunen. Auf die Methylruppen wirken zusätzlich van-der-waals-kräfte, die für weitere schwache Bindunskräfte der Moleküle untereinander soren. Bei aumtemperatur ist Ethanol aufrund dieser Wechselwirkunen flüssi. Im Experiment kann so eine bestimmte Masse im flüssien Areatzustand entnommen und der asdichten Messapparatur zueführt werden. Die verwendeten Glasperlen dienen der berflächenverrößerun. Durch zusätzliches leichtes Erwärmen werden die schwachen Bindunskräfte der Wasserstoffbrückenbindun und der van-der-waals-kräfte überwunden. Das Ethanol eht in die Gasphase über. Dabei verhält es sich unter den Versuchsbedinunen wie ein ideales Gas und kann als ein solches anenommen werden. Das Einsetzen der Messwerte m (Ethanol) und V (Ethanol) in die Gleichun (2) liefert für V1) und V2) folende Erebnisse: 4

5 V1) atm L 0,119 0, ,15 K K M (Ethanol) = = 110,02 0,026 L 1atm Die experimentell bestimmte Molare Masse von Ethanol beträt damit M = 110,02. Dieser Wert liet um das 2,38 fache über dem Literaturwert. V2) atm L 0,212 0, ,15 K K M (Ethanol) = = 79,63 0,064 L 1atm Die experimentell bestimmte Molare Masse von Ethanol beträt damit M = 79,63. Dieser Wert liet um das 1,73 fache über dem Literaturwert. Beide experimentell ermittelten Werte weichen stark vom Literaturwert M (Ethanol) = 46,07 ab. Trotzdem die Apparatur auf ihre Gasdichtheit überprüft wurde, kann ein kleiner Teil des Gases unbemerkt entwichen sein. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass das Ethanol, welches in die Gasphase übereanen war, an den kalten Wänden der Apparatur kondensierte und damit das Gasvolumen merklich verkleinerte. Durch den recht hohen Siedepunkt des Ethanols von 78 C kann es leicht an den Glaswänden, die aumtemperatur haben, kondensieren. Bei den äußerst erinen einesetzten Menen an Ethanol ist es mölich, dass der ebildete Kondensationsfilm besonders fein und mit dem bloßen Aue kaum wahrnehmbar ewesen ist. Da das Ethanol mit einer Spritze zueeben wurde ist es wahrscheinlich, dass ein Teil der Probe in der Spritze verblieben ist und nicht in die Gasphase übereanen war. Zuletzt ist es mölich, dass der Kolbenprober nicht leichtäni enu war, um das korrekte Gasvolumen bei p = 1 atm anzuzeien. In diesem Fall kann mit einem Flüssikeitsmanometer earbeitet werden. 5

6 Methodisch-didaktische Analyse: 1. Einordnun Der Versuch kann wie folt in die Themenebiete des hessischen Lehrplans (G8) einebettet werden. Jahransstufe u. Unterrichtseinheit Themenebiet 7G.2 Gesetz von der Erhaltun der Masse: Anhand quantitativer Versuche in eschlossenen Systemen das Gesetz ableiten und mit ilfe des Teilchenmodells beründen. 8G.1 Stoffmenenberiff: Quantitative Betrachtunen in verschiedenen Kontexten (Lebensmittelinhaltsstoffe, Grenzen der Nachweisbarkeit, erstellun von chemischen Verbindunen). 10G We zur Molekül- oder Summenformel: quantitative Elementaranalyse (nach Liebi) und Berechnun der Verhältnisformel; Bestimmun der Molaren Masse nach verschiedenen Methoden und Berechnun der Molekülformel (Summenformel). 11G.2 Identifizierun von Kohlenstoffverbindunen: Qualitative und quantitative Nachweisverfahren für funktionelle Gruppen; Chemische Analyseverfahren zur Ermittlun der Summenformel und der Konstitutionsformel. 2. Aufwand Die verwendeten Glaseräte sind Bestandteil der Grundausstattun einer Chemie Sammlun. Für die Versuchsdurchführun ist die Verwendun eines Föns empfehlenswert, der eventuell oranisiert werden muss. Das Ethanol wird nur in Kleinstmenen verbraucht, so dass für die verbrauchten Chemikalien fast keine Kosten anfallen. Der Aufbau einer asdichten Apparatur kann einen erheblichen Zeitaufwand bedeuten. ierbei sollte ein Zeitpuffer einerechnet werden. Durchführun und Abbau des Versuchs sind unproblematisch und erfordern weni Zeit. Insesamt ist der Versuch innerhalb einer Schulstunde durchführbar. 3. Durchführun Die Überführun des Ethanols vom flüssien in den asförmien Areatzustand ist innerhalb eines sinnvollen Zeitraums nur durch Nachhelfen mit einem Fön zu erreichen. Durch den Einsatz des Föns werden die Versuchserebnisse, aufrund der Abhänikeit des Gasvolumens von der Temperatur, verfälscht. Zudem ist es äußerst schwieri das Ethanol vollständi in die Gasphase zu überführen, da ein Teil der Probe als est in der Spritze verbleibt. Zahlreiche weitere Fehlerquellen (vl. den Abschnitt Fachliche Analyse und Auswertun) machen den Versuch sehr unzuverlässi. Der Überan des Ethanols in die Gasphase kann ut durch 6

7 die Beweun des Kolbens am Kolbenprober beobachtet werden. Die Volumenzunahme des Gases ist auch aus rößerer Entfernun erkennbar. Da der Einsatz von Ethanol nach essgiss für Schülerversuche ab der Sekundarstufe I zuelassen ist, kann der Versuch sowohl als Demonstrationsversuch, als auch als Schülerexperiment durcheführt werden. Insesamt halte ich den Versuch für den Schuleinsatz für uneeinet. Das Experiment funktioniert trotz enauen Arbeitens und Einhaltens der Versuchsvorschrift nur unzuverlässi, so dass die ermittelten Werte viel zu stark vom Literaturwert abweichen. Literatur: Versuchsvorschrift aus: AABits, II/C, Kap. 12, S. 13 von 18. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, ranische Chemie, Dritte Auflae, Wiley-VC Verla Gmb, Weinheim, A. F. olleman, E. Wiber, N. Wiber, Lehrbuch der Anoranischen Chemie, 102. Auflae, Walter de Gruyter & Co., Berlin, Charles E. Mortimer, Ulrich Müller, Chemie, das Basiswissen der Chemie, Geor Thieme Verla, Stuttart, essgiss-datenbank, V / GESTIS-Stoffdatenbank, 2009, Zuriff: Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildunsan, Jahransstufen 7G bis 12G, essisches Kultusministerium