Versuch 1: Destillation Chemieteil, Herbstsemester 2008

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1 Versuch 1: Destillation Chemieteil, Herbstsemester 2008 Verfasser: Zihlmann Claudio Teammitglied: Knüsel Philippe Datum: Assistent: André Röthlisberger

2 1. Abstract Anhand von zwei Teilversuchen wurde einerseits die Zusammensetzung eines binären Alkohol-Gemisches mittels Rektifikation und in einem zweiten Teilversuch der Alkoholgehalt eines Alkoholgetränks mit Hilfe der azeotropen Destillation bestimmt. Für das binäre Alkoholgemisch konnten zwei Komponenten, zum Einen Ethanol und zum Anderen Ethylengycol, ermittelt werden, da die erhaltenen Werte recht gut mit den Literaturwerten übereinstimmen. Bei der azeotropen Destillation konnte der Volumenprozentgehalt auf 19.3 Vol% berechnet werden, was 3.7 Vol% unterhalb der Angabe des Herstellers liegt. Diese Abweichung ist zu erklären mit der Tatsache, dass nicht der gesamte Anteil an Ethanol herausdestilliert werden konnte. 2. Einführung 2.1. Ziele Dieser Versuch diente dazu, wichtige Methoden kennenzulernen, um Flüssigkeitsgemische zu reinigen oder trennen. In einem ersten Teilversuch war das Ziel die Zusammensetzung eines Alkohol-Gemisches durch Rektifikation zu bestimmen. Ziel des zweiten Teilversuchs war der Volumenprozentgehalt eines vorgelegten Alkohols mittels azeotroper Destillation zu ermitteln und mit dem Wert des Herstellers zu vergleichen Theorie Die Destillation gilt als die wichtigste und vielseitigste Methode, wenn es darum geht, Flüssigkeiten zu reinigen oder Flüssigkeitsgemische zu trennen. Ohne Destillation würden viele der heute bekannten Werkstoffe wie z.b. Polyethylen nicht existieren. Auch markante Verbesserungen der Materialien hängen mit der Destillation zusammen. Hier zu nennen ist z.b. das Ersetzen der herkömmlichen Stäbe im Stabhochsprung durch Glasfaserstäbe. All die hier genannten Beispiele können nur durch eine Destillation von Erdöl gewonnen werden. Betrachtet man eine Flüssigkeit, so besitzen die einzelnen Moleküle spezifische Energien. Dies bedeutet, dass einige Moleküle mit einer kleinen Energie vorliegen und andere mit einer besonders grossen Energie. Nun kommt es vor, dass es Moleküle gibt, die eine genügend grosse kinetische Energie besitzen, um sich den Anziehungskräften der Flüssigkeitsphase zu entziehen und in die Gasphase überzutreten. Dieser Übertritt von Molekülen wird Verdampfung genannt. Mit steigender Temperatur erhöht sich die kinetische Energie der einzelnen Moleküle und die Wahrscheinlichkeit, dass mehr Moleküle in die Gasphase übertreten nimmt zu. Den umgekehrten Fall, wo Moleküle von der Gasphase in die flüssige Phase übertreten nennt man Kondensation. Dies geschieht, falls die kinetische Energie nicht ausreicht, um die Anziehungskräfte der flüssigen Phase zu überwinden. Als 1 / 11

3 Gleichgewicht bezeichnet man den Fall, wo gleich viele Teilchen pro Zeiteinheit in die Gasphase übertreten, wie die Gasphase verlassen. Die Moleküle in der Gasphase erzeugen einen Druck, den man Dampfdruck nennt. Dieser Druck stellt den Impuls dar, der durch die Stösse der Teilchen auf die Gefässwand abgegeben wird. Der Dampfdruck ist temperaturabhängig, da mit erhöhter Temperatur mehr Moleküle in die Gasphase übertreten und daraus ein höherer Dampfdruck resultiert Destillation Bei einer einfachen Destillation oder auch Gleichstromdestillation genannt, wird die Flüssigkeit zum Sieden gebracht und der daraus entstandene Dampf direkt in einem Kühler kondensiert. Daher auch der Name, da der Dampf nur in eine Richtung strömt. Diese Art von Destillation kann verwendet werden, solange die Siedepunktsdifferenz der Komponenten eines Gemisches nicht weniger als 80 K beträgt. Ist die Siedepunktsdifferenz allerdings kleiner als diese 80 K, muss der Verdampfungsvorgang mehrmals wiederholt werden. Diese Art von Destillation nennt man Rektifikation oder auch Gegenstromdestillation. Dabei fliesst ein Teil des kondensierten Dampfes dem aufsteigenden Dampf entgegen und wird wieder dem Siedekolben hinzugefügt. Bei diesem Prinzip werden sogenannte Destillationskolonnen benutzt. Eine bekannte Destillationskolonne ist die Vigreuxkolonne (Abb. 1). Abb. 1: Destillationsapparatur mit einer Vigreuxkolonne [1] 2.4. Azeotrope Oft gleichen die Siedediagramme von flüssigen Mischungen dem in Abb. 2. Dabei stellt a den Beginn der Destillation und die Abfolge a-f den Verlauf der Destillation dar. Dabei nimmt der Gehalt einer Komponente B im Dampf ab und die 2 / 11

4 Zusammensetzung und somit auch der Siedepunkt nähert sich immer mehr der reinen Komponente A an. Diese Art von Siedediagrammen verhalten sich linear und somit liegt der Siedepunkt der Mischung immer zwischen den Siedepunkten der reinen Komponenten. Abb. 2: Siedediagramm des binären Systems Benzen/Toluen [2] Allerdings kann das Siedediagramm auch ein Maximum (Abb. 3) oder ein Minimum (Abb. 4) enthalten. Dies kommt vor, falls die einzelnen Komponenten das Gemisch stabilisieren (im Falle des Maximums) oder destabilisieren (im Falle des Minimums). Eine Stabilisation bedeutet, dass die Wechselwirkungen grösser sind als in der idealen Lösung. Ein Gemisch, welches ein Maximum beim Siedediagramm aufweist nennt man Maximumazeotrop, im Gegensatz dazu bezeichnet man ein Gemisch mit einem Minimum ein Minimumazeotrop. Abb. 3: Siedediagramm eines Azeotropes mit Siedepunktmaximum [3] Abb. 4: Siedediagramm eines Azeotropes mit Siedepunktminimum [4] 3 / 11

5 3. Materialien und Methoden 3.1. Trennung eines binären Alkohol-Gemisches Zur Destillation des Gemisches wurde eine Destillationsapparatur gemäss Abb. 5 aufgebaut. Dabei musste darauf geachtet werden, dass die Flussrichtung des Kühlwassers von unten nach oben verlief, da dadurch verhindert wurde, dass sich allfällige Luftblasen im Kühler befanden, was eine verminderte Kühlung zur Folge gehabt hätte. Weiter wurden die Schläuche des Kühlwassers mit Kabelbindern am Stativ befestigt, damit sie nicht die Heizplatte berührten. Die Vigreuxkolonne wurde mit Watte und Alufolie isoliert um den Wärmeverlust zu minimieren. Am Schweinchen wurde ein 25 ml Rundkolben sowie ein 100 ml Rundkolben befestigt. Der Kontaktthermometer wurde auf 140 C eingestellt, damit das Ölbad nicht zu heiss wurde. Abb. 5: Aufbau einer Destillationsapparatur mit Beschriftung der verschiedenen Komponenten [5] Nach dem Aufstellen der Apparatur wurden 50 ml eines Alkohol-Gemisches und ein Rührfisch in einen 100 ml Rundkolben gegeben. Dieser Rundkolben wurde an der Vigreuxkolonne befestigt und anschliessend mit der Destillation begonnen. Dabei wurde das Gemisch unter Normaldruck erwärmt und jeweils alle 5 Minuten sowohl die Dampftemperatur, als auch die Ölbadtemperatur notiert. Die beiden ersten 4 / 11

6 Tropfen des Destillats wurden in den 25 ml Rundkolben gelenkt, den Rest des Destillats wurde im 100 ml Rundkolben gesammelt. Das Ende der Destillation erkannte man am Absinken des Dampfdruckes. Das Destillat wurde bezüglich seiner Dichte und seines Brechungsindexes untersucht. Um die Dichte zu bestimmen, wurde das Destillat in einem 5 ml geeichten Messkolben gewogen und aus der Differenz des Brutto- und Taragewichts das Nettogewicht berechnet. Mit der Formel = kann man aus den zuvor erhaltenen Werten die Dichte berechnen. Der Brechungsindex wurde mittels Abbé- Refraktometer bestimmt. Dabei wurden zwei Tropfen des sich im 25 ml befindenden verunreinigten Destillats verwendet Azeotrope Destillation Für die azeotrope Destillation wurde dieselbe Apparatur wie in 3.1. (Abb. 5) verwendet. Nach dem Aufbau der Destillationsapparatur wurden 50 ml Campari (23 Vol% Alkoholgehalt gemäss Hersteller) in einen 100 ml Messkolben gegeben und nach Zugabe eines Rührfisches an der Vigreuxkolonne befestigt. Daraufhin wurde die Destillation gestartet und alle 5 Minuten die Dampftemperatur und die Ölbadtemperatur notiert. Die ersten beiden Tropfen des Destillats wurden wiederum im 25 ml Messkolben gesammelt und der Rest im 100 ml Messkolben. Nach 60 Minuten wurde die Destillation beendet und das Destillat wurde mit einem Glastrichter in einen 50 ml Messkolben überführt. Daraufhin wurden sowohl der Glastrichter, als auch das Schweinchen mit destilliertem Wasser ausgespült und dieses Spülwasser ebenfalls zum Destillat im Messkolben hinzugefügt. Anschliessend wurde der Messkolben auf 50 ml aufgefüllt, um das ursprüngliche Volumen zu erhalten. Zur Dichtebestimmung wurde ein Pyknometer verwendet. Dazu bestimmte man im Voraus das exakte Gewicht des Pyknometers und konnte durch das exakt angegebene Volumen mit der Formel = die Dichte berechnen. Mit Hilfe der Tabelle 1 (im Anhang) für ein Wasser-Ethanol-Gemisch kann man aus der errechneten Dichte den entsprechenden Anteil an Volumenprozent von Ethanol bestimmen. Um den Brechungsindex zu erhalten, wurden wiederum zwei Tropfen des Vordestillats im 25 ml Messkolben verwendet und mittels Abbè-Refraktometer den Index bestimmt. 5 / 11

7 4. Resultate 4.1. Trennung eines binären Alkohol-Gemisches Die Dampftemperatur betrug während der ganzen Destillation 76 C bei einer Ölbadtemperatur, die zwischen 130 C und 135 C schwa nkte. Der Brechungsindex wurde zu 1.36 bei 22.2 C bestim mt. Das Gewicht m 1 des leeren Messkolbens (V = 5 ml) betrug g und das des vollen Messkolbens m 2 = g. Nun kann die Dichte berechnet werden: = = = Azeotrope Destillation In Abbildung 6 ist der Verlauf der Ölbadtemperatur beziehungsweise der Dampftemperatur gegen die Zeit aufgetragen. Aus den Werten kann man ablesen, dass die entsprechende Komponente, die verdampft worden ist, Ethanol sein muss, da der entsprechende Literaturwert für die Dampftemperatur von Ethanol am nächsten liegt. Abb. 6: Graphische Darstellung des Temperaturverlaufs der Ölbadtemperatur bzw. der Dampftemperatur Der Brechungsindex wurde bei 22.5 C zu ermit telt. Für die Bestimmung der Dichte wurde ein Pyknometer mit einem Leergewicht von m 1 = g verwendet. Das genaue Volumen des Pyknometers wurde mit V = cm 3 angegeben. Gefüllt mit der Ethanol-Wasser-Mischung betrug das Gewicht des Pyknometers m 2 = g. 6 / 11

8 Somit kann die Dichte berechnet werden zu: = = =0.976 Vergleicht man diesen Wert mit der Tabelle 1 (im Anhang) und führt zur exakten Bestimmung eine quadratische Näherung der tabellarisierten Werte durch, so erhält man für ein Ethanol-Wasser-Gemisch mit einer Dichte von Volumenprozentwert von Vol%. einen 5. Diskussion 5.1. Trennung eines binären Alkohol-Gemisches Beim destillierten Alkohol handelt es sich höchst wahrscheinlich um Ethanol. Vergleicht man die erhaltenen Werte mit den Literaturwerten von Ethanol in der Tabelle 2 (im Anhang) so erkennt man, dass der Literaturwert für die Dichte bei 0.79 liegt. Der berechnete Wert von 0.78 stimmt somit recht gut überein. Die errechnete Dichte von 1.36 ist vollkommen identisch zum Literaturwert. Einzig in der Siedetemperatur gibt es einen kleinen Unterschied von 2 C. Der erhaltene Wert beträgt nämlich 76 C und der Literaturwert 78 C. Für den zweiten Alkohol kommt eigentlich nur Ethylengycol in Frage, da der Siedepunkt von Ethylengycol mit 197 C als einziger über der Ölbadtemperatur von 130 C bis 135 C liegt und somit nicht verdampft Azeotrope Destillation Der bestimmte Alkoholgehalt von Volumenprozent liegt ein wenig unterhalb als derjenige vom Hersteller angegebene Wert von 23 Volumenprozent. Dies ist zu begründen mit der Tatsache, dass durch die Destillation ein gewisser Teil an Ethanol im Gemisch zurückbleibt und somit der Volumenprozentanteil sinkt. Der Brechungsindex von bei 22.5 C stimmt zie mlich gut mit dem von Ethanol, der 1.36 bei 20 C beträgt, überein. Allerdings stellt sich die Frage, weshalb die Dampftemperatur (~ 76 C) niedriger ist als jene von Ethanol (78 C). Dies kann zum Einen m it der Verdunstungskälte zu tun haben oder auch daran liegen, dass sich die Moleküle an der Stelle, wo die Dampftemperatur gemessen wurde, sich bereits wieder ein wenig abgekühlt haben. Um einen genaueren Wert zu erhalten müsste die Destillationszeit verlängert und mehrmals durchgeführt werden. Ein weiterer Grund für die Abweichung ist die Tatsache, dass der Volumenprozentanteil von Ethanol schon bei geringsten Änderungen der Dichte sich erheblich ändert. Beim Auffüllen des Messkolbens auf 50 ml ist es sehr schwierig den Wert exakt zu treffen, da man es nur von blossem Auge abschätzen kann. 7 / 11

9 Zum Schluss soll noch die Frage beantwortet werden, warum nicht einfach die Dichte des Alkohols bestimmt wurde und mittels dieser Dichte in der Dichte- Alkoholgehaltstabelle der Wert nachgeschaut wurde. Die Destillation ist notwendig, da sich noch andere Inhaltsstoffe im Alkohol befinden wie z.b. Zucker, Stärke usw. Somit ist es kein Ethanol-Wasser Gemisch und folglich muss destilliert werden, um die Dichte-Alkoholgehaltstabelle zu verwenden. 6. Referenzen [1] Skript Versuch 1: Destillation, S.8 [2] Skript Versuch 1: Destillation, S.16 [3] Skript Versuch 1: Destillation, S.17 [4] Skript Versuch 1: Destillation, S.17 [5] Skript Versuch 1: Destillation, S.26 [6] (Stand: November 2008) 7. Anhang Beantwortung der Fragen Frage 1.1.: Beim Verbrennen von PE entstehen CO 2 und H 2 O. Vervollständigen Sie die folgend Gleichung, damit die Stöchiometrie stimmt! ( ) Frage 1.3.: Berechnen Sie die molare Verdampfungswärme von Wasser und Ethan mit Hilfe der Daten aus der Abb. 8 und den Anmerkungen im Text. Eine grafische Bestimmung der Steigung ist hier ausreichend. Vergleichen Sie die so bestimmten Verdampfungsenthalpien. Wie erklären Sie sich eventuelle Unterschiede in den Werten? Die Gleichung kann nach aufgelöst werden: ln ( ) ( ) = [ 1 1 ] ln ( ) ( = ) [ 1 1 ] 8 / 11

10 Nun kann man zwei Drücke in Abhängigkeit ihrer Temperatur einsetzen und erhält das entsprechende : Für Wasser: Für Ethan: = ln [ ]10 = = ln = [ ] Der Unterschied ist damit zu erklären, da im Wasser die grösseren intermolekularen Wechselwirkungen vorliegen. Im Wasser gibt es die Wasserstoffbrücken, die viel stärker sind als die Dispersionskräfte im Ethan. Bestätigt wird dies auch mit dem Siedepunkt, der bei Wasser deutlich höher liegt als jener von Ethan. Frage 1.4.: Welche Verdampfungsenthalpie ist mit der oben angeführten Faustregel bei T = 300 K verträglich? Benutzen Sie dazu die Claudius-Clapeyron-Gleichung (mit T 1 = 300 K, T 2 =?, p 2 /p 1 =?). Die Faustregel lautet: Eine Verminderung des äusseren Druckes um die Hälfte, reduziert die Siedetemperatur um etwa 15 C: ln 1 = 2 [ = ] Frage 1.7.: Wie verändert sich die Zusammensetzung des Dampfes und der Flüssigkeit von Toluen und Benzen, wenn sich die Destillation von a (x Toluen = 0.77) nach f bewegt? Der Dampf wird immer mehr Benzen enthalten und die Menge an Toluen wird im Dampf abnehmen. Folglich wird die Flüssigkeit immer reicher an Toluen. 9 / 11

11 Tab. 1: Volumenprozent von Ethanol in Abhängigkeit seiner Dichte 10 / 11

12 Tab. 2: Bestimmte Daten für eine Auswahl an Alkoholen [6] Formel Molmasse [g/mol] Sdp/Smp [ C] Dichte [g/ml] Brechungs- index [n] Methanol CH 4 O / Ethanol C 2 H 6 O / Butanol C 4 H 10 O / Butanol C 4 H 10 O / Tert.-Butanol C 4 H 10 O / Isopentylalkohol (Isoamylalkohol) C 5 H 12 O / Propanol C 3 H 8 O / Propanol C 3 H 8 O / Ethylengycol C 2 H 6 O / Methoxyethanol 2-Ethoxyaethanol C 3 H 8 O / C 4 H 10 O / Tab. 3: Tabellarisierte Werte für die azeotrope Desillation Zeit [min] T (Ölbad)[ C] T (Dampf)[ C] / 11