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1 Michael Woock Universität Duisburg Fakultät 4 / Didaktik der Chemie Lotharstr Duisburg woock@uni-duisburg.de SCHULVERSUCHE ZUR STRUKTURAUFKLÄRUNG AM BEISPIEL VON ISOBUTEN Versuch 5: Versuch 6: Versuch 7: Bestimmung der Anzahl der Kohlenstoff-Atome im Isobuten-Molekül Bestimmung der Anzahl der Wasserstoff-Atome im Isobuten-Molekül Bestimmung der Anzahl an Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindungen im Isobuten-Molekül Seite 1 Seite 3 Seite 5 Versuch 8: Bestimmung der molaren Masse von Isobuten Seite 7

2 Sachinformationen: Die quantitativen Untersuchungen in Versuch 5 und in Versuch 6 geben Aufschluss darüber, in welchem Atomzahlverhältnis die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff im Isobuten-Molekül mit der hypothetischen Summenformel C x H y enthalten sind. Es geht also darum, die Indizes x und y zu bestimmen. Prinzipiell lassen sich für den Kohlenwasserstoff mit der ermittelten Summenformel C 4 H 8 sechs Valenzstrichformeln (Strukturformeln) formulieren: H2C HC CH 2 (1) But-1-en CH CH CH 3 2 CH 3 3 H HC CH HC CH C 2 C CH 2 CH H 3 C CH 3 H 2 C CH 2 H 2 C CH 2 H 3 C CH 3 (2) cis-but-2-en H 3 C (3) trans-but-2-en (4) 2-Methylpropen (5) Cyclobutan Durch Versuch 7 wird die Auswahl der möglichen Valenzstrichformeln eingeengt. (6) Methylcyclopropan Um die Richtigkeit der gefundenen Summenformel zu bestätigen, kann mit Versuch 8 die molare Masse von Isobuten bestimmt werden. Die von VICTOR MEYER ( ) im Jahre 1878 ausgearbeitete Methode wurde für dieses Experiment modifiziert und ist so prinzipiell für alle Flüssiggase anwendbar. Sie ist allerdings auf die Gase beschränkt, die sich mit schulischen Mitteln mit entsprechenden Kältemischungen verflüssigen lassen. Versuch 5: Bestimmung der Anzahl der Kohlenstoff-Atome im Isobuten-Molekül Arbeitsmaterialien: Geräte 2 Kolbenprober, ca. 15 cm langes Reaktionsrohr (vorzugsweise aus Quarzglas), Dreiwegehahn, 2 kurze Glasverbindungsstücke, 2 durchbohrte Siliconstopfen, Glaswolle, 3 Siliconschlauchstücke, Siliconschlauch, Gasbrenner, Reagenzglas, Reagenzglasstopfen Chemikalien 2-Methylpropen (Isobuten); hochentzündlich F+ (Herstellung: siehe Versuch 1) Kupfer(II)-oxid (Drahtform); gesundheitsschädlich Xn Kalkwasser; ätzend C Stickstoff 1

3 Sicherheitsvorschriften Vorsicht beim Umgang mit entzündlichen Stoffen. Keine offenen Flammen in der Umgebung! Versuchsdauer: ca Minuten Durchführung: Die Apparatur wird wie in Abb.1 dargestellt aufgebaut. Das Reaktionsrohr ist mit Kupfer(II)- oxid gefüllt. Vor Beginn des Experiments wird die Apparatur mit Stickstoff gespült. Abb.1: Apparatur zur Bestimmung der Anzahl der Kohlenstoff-Atome im Isobuten-Molekül In den linken Kolbenprober werden über den Dreiwegehahn 20 ml Isobuten eingefüllt. Anschließend wird das Kupfer(II)-oxid im Reaktionsrohr mit dem Gasbrenner stark erhitzt. Man schiebt das Gas wiederholt über das heiße Kupfer(II)-oxid bis die Reaktion beendet ist, d.h. bis sich das Gesamtvolumen in der Apparatur nicht mehr ändert. Man schiebt das Gas vollständig in den linken Kolbenprober und lässt die Apparatur auf Raumtemperatur abkühlen. Das Endvolumen des Gases im linken Kolbenprober wird abgelesen. Anschließend wird das Gas über den Dreiwegehahn in ein Reagenzglas mit Kalkwasser geleitet. Das Reagenzglas wird mit einem Stopfen verschlossen und geschüttelt. Entsorgung: Die Apparatur wird unter dem Abzug gelüftet, das Kalkwasser kann verdünnt in den Ausguss gegeben werden. Das entstandene Kupfer kann im Luftstrom oxidiert und erneut eingesetzt werden. Beobachtungen: Das anfänglich schwarze Kupferoxid verfärbt sich im Verlauf der Reaktion rötlich. An den kälteren Teilen der Apparatur kondensiert eine klare, farblose Flüssigkeit. Das Endvolumen des 2

4 Gases im linken Kolbenprober beträgt 80 ml. Das Kalkwasser trübt sich, es bildet sich ein weißer Niederschlag. Auswertung und Interpretation: Das Gas Isobuten mit der hypothetischen Summenformel C x H y wird mit Kupfer(II)-oxid zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert: C x H y (g) + z CuO (s) x CO 2 (g) + 2 y H2 O (l) + z Cu (s) Beim Einleiten des gebildeten Kohlenstoffdioxids in Kalkwasser Ca(OH) 2 (aq) fällt schwer lösliches Calciumcarbonat CaCO 3 (s) aus. Als experimentelles Messergebnis stellt man fest, dass aus 20 ml Isobuten 80 ml Kohlenstoffdioxid gebildet werden. Nach der von AMEDO AVOGADRO ( ) im Jahre 1811 aufgestellten Hypothese enthält das im Versuch gebildete Kohlenstoffdioxid demnach vier mal so viele Moleküle wie das eingesetzte Isobuten. Unter Berücksichtigung der oben angegebenen Reaktionsgleichung folgt: x = 4 Für die zu ermittelnde Formel von Isobuten ergibt sich als Zwischenergebnis: C 4 H y Versuch 6: Bestimmung der Anzahl der Wasserstoff-Atome im Isobuten-Molekül Arbeitsmaterialien: Geräte 2 Kolbenprober, ca. 15 cm langes Reaktionsrohr (vorzugsweise aus Quarzglas), Dreiwegehahn, 2 kurze Glasverbindungsstücke, 2 durchbohrte Siliconstopfen, Glaswolle, 3 Siliconschlauchstücke, Siliconschlauch, Gasbrenner, Reagenzglas Chemikalien 2-Methylpropen (Isobuten); hochentzündlich F+ (Herstellung: siehe Versuch 1) Eisenwolle (entfettet) Sicherheitsvorschriften Vorsicht beim Umgang mit entzündlichen Stoffen. Keine offenen Flammen in der Umgebung! 3

5 Versuchsdauer: ca Minuten Durchführung: Die Apparatur wird wie in Abb.2 aufgebaut. Das Reaktionsrohr ist mit entfetteter Eisenwolle gefüllt. Vor Beginn des Experiments wird die Apparatur mit Stickstoff gespült. In den linken Kolbenprober werden über den Dreiwegehahn 20 ml Isobuten eingefüllt. Anschließend wird die Eisenwolle mit dem Gasbrenner sehr stark erhitzt. Man schiebt das Gas wiederholt über die heiße Eisenwolle, bis sich das Gesamtvolumen in der Apparatur nicht mehr ändert. Abschließend schiebt man das Gas vollständig in den linken Kolbenprober und lässt die Apparatur auf Raumtemperatur abkühlen. Das Endvolumen des Gases im linken Kolbenprober wird abgelesen. Anschließend wird das Gas in ein Reagenzglas gefüllt und die Knallgasprobe durchgeführt. Abb.2: Apparatur zur Bestimmung der Anzahl der Wasserstoff-Atome im Isobuten-Molekül Entsorgung: Die Apparatur wird unter dem Abzug gelüftet. Die Eisenwolle wird im Behälter für Feststoffabfälle entsorgt. Beobachtungen: Auf der Oberfläche der Eisenwolle scheidet sich ein schwarzer Feststoff ab. Das Endvolumen des Gases im linken Kolbenprober beträgt 80 ml. Das im Reagenzglas aufgefangene Gas brennt mit kaum sichtbarer Flamme ruhig ab, d.h. die Knallgasprobe verläuft negativ (kein Knall). Auswertung und Interpretation: Das Gas Isobuten mit der hypothetischen Summenformel C x H y wird thermisch in elementaren Kohlenstoff und Wasserstoff gespalten. Die Eisenwolle wirkt hierbei katalytisch: C x H y (g) (Fe) x C (s) + 2 y H2 (g) 4

6 Der gebildete Wasserstoff kann mit der Knallgasprobe nachgewiesen werden. Als experimentelles Messergebnis stellt man fest, dass aus 20 ml Isobuten 80 ml Wasserstoff gebildet werden. Nach der Hypothese von Avogadro enthält der im Versuch gebildete Wasserstoff demnach vier mal so viele Moleküle wie das eingesetzte Isobuten. Unter Berücksichtigung der oben angegebenen Reaktionsgleichung folgt: y = 8 Versuch 7: Bestimmung der Anzahl an Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen im Isobuten-Molekül Arbeitsmaterialien: Geräte 2 Kolbenprober, ca. 15 cm langes Reaktionsrohr, Dreiwegehahn, 2 kurze Glasverbindungsstücke, 2 durchbohrte Siliconstopfen, Glaswolle, 3 Siliconschlauchstücke, Siliconschlauch, Gasbrenner, 2 Reagenzgläser, Reagenzglasstopfen, Gaseinleitrohr, Gasbrenner Chemikalien 2-Methylpropen (Isobuten); hochentzündlich F+ (Herstellung: siehe Versuch 1) Wasserstoff; hochentzündlich F+ Hydrierkatalysator, z.b. Pd auf Al 2 O 3 (5%); reizend Xi, leichtentzündlich F Bromwasser; giftig T, ätzend C, Sicherheitsvorschriften Vorsicht beim Umgang mit entzündlichen Stoffen. Keine offenen Flammen in der Umgebung! Vorsicht beim Experimentieren mit Bromwasser. Dämpfe nicht einatmen. Handschuhe und Schutzbrille verwenden. Im Abzug arbeiten! Versuchsdauer: ca Minuten 5

7 Durchführung: Es wird mit der in Abb.3 dargestellten Apparatur gearbeitet. Zwischen den Glaswollebäuschchen befinden sich ca. 4-6 Katalysatorkügelchen. Vor Beginn des Versuchs wird die Apparatur mit Wasserstoff gespült. Abb.3: Apparatur zur Bestimmung der Anzahl der C-C-Doppelbindungen im Isobuten-Molekül In den linken Kolbenprober werden über den Dreiwegehahn 50 ml Isobuten, in den rechten Kolbenprober 50 ml Wasserstoff eingefüllt. Man schiebt den Wasserstoff aus dem rechten Kolbenprober über den Katalysator in den linken Kolbenprober. Das Gasgemisch wird nun mehrfach langsam über den Katalysator geleitet. Die Temperatur des Reaktionsrohrs wird mit der Hand gefühlt. Sobald sich das Reaktionsrohr merklich abkühlt, ist die Reaktion beendet. Man schiebt das Gas vollständig in den linken Kolbenprober und lässt die Apparatur auf Raumtemperatur abkühlen. Das Endvolumen im linken Kolbenprober wird abgelesen. In das erste Reagenzglas füllt man ca. 25 ml Gas aus dem linken Kolbenprober und entzündet dieses an der Brennerflamme. Ein zweites Reagenzglas wird zu etwa einem Drittel mit Bromwasser gefüllt. Dann werden aus dem linken Kolbenprober ca. 25 ml Gas mit Hilfe des Einleitrohres durch das Bromwasser geleitet. Das Reagenzglas wird mit einem Stopfen verschlossen und kräftig geschüttelt. Entsorgung: Die Apparatur wird unter dem Abzug gelüftet. Das Bromwasser wird mit Natriumthiosulfat- Lösung neutralisiert, verdünnt und in den Ausguss gegossen. Beobachtungen: Beim Überleiten des Gasgemischs aus Isobuten und Wasserstoff über den Katalysator erwärmt sich dieser deutlich. Nachdem die Reaktion beendet ist, beträgt das Endvolumen im linken Kolbenprober 50 ml. Das im ersten Reagenzglas entzündete Gas brennt mit gelber, nicht rußender Flamme ruhig ab. Auch nach kräftigem Schütteln des zweiten Reagenzglases entfärbt sich das Bromwasser nicht. 6

8 Auswertung und Interpretation: Das Experiment zeigt, dass sich das Gasvolumen halbiert, wenn bei den Edukten von einem Volumenverhältnis V(C 4 H 8 ):V(H 2 ) = 1:1 ausgegangen wird. Daraus folgt, dass Isobuten Wasserstoff im Stoffmengenverhältnis 1:1 addiert. Diese Reaktion wird durch Palladium katalysiert: C 4 H 8 (g) + H 2 (g) (Pd) C 4 H 10 (g) Die Bromwasserprobe bestätigt, dass sich bei der Hydrierung aus einem ungesättigten ein gesättigter Kohlenwasserstoff gebildet hat. Damit scheiden die beiden letzten der oben angegebenen Valenzstrichformeln für Isobuten aus (vgl. Hinweis). Um unter den verbleibenden vier denkbaren Valenzstrichformeln die richtige auswählen zu können, muss die Herstellung von Isobuten (vgl. Versuch 1) genauer betrachtet werden. Hierbei wird tert-butanol (2-Methylpropan-2-ol) dehydratisiert, d.h. aus jedem Eduktmolekül wird ein Wasser-Molekül abgespalten. Das Kohlenstoffgerüst im Molekül wird dabei nicht verändert. Somit lassen sich die ersten drei der noch verbleibenden Formeln ebenfalls ausschließen; die vierte Valenzstrichformel stellt die Struktur von Isobuten korrekt dar *. Hinweis: Im Unterricht sollte aus didaktischen Gründen nicht thematisiert werden, dass Cyclobutan und Methylcyclopropan ebenfalls katalytisch hydriert werden können. Versuch 8: Bestimmung der molaren Masse von Isobuten Arbeitsmaterialien: Geräte an einer Seite zugeschmolzener Dreiwegehahn (vgl. Abb.4), Vakuumschlifffett, Pasteurpipette, Siliconschlauch, Siliconschlauchstück, Analysenwaage, Kolbenprober, 250 ml Becherglas (breite Form), Barometer, Thermometer * vgl. auch Tausch u. von Wachtendonk: CHEMIE2000+, C.C. Buchner 2001, S

9 Chemikalien 2-Methylpropen (Isobuten); hochentzündlich F+ (Herstellung: siehe Versuch 1) Natriumchlorid (Kochsalz) Eis Sicherheitsvorschriften Vorsicht beim Umgang mit entzündlichen Stoffen. Keine offenen Flammen in der Umgebung! Versuchsdauer: ca Minuten Durchführung: Vor Beginn des Versuchs ist der Hahn sorgfältig mit Vakuumschlifffett zu fetten. Undichtigkeiten führen zu unbrauchbaren Ergebnissen! Die Masse m 1 des Dreiwegehahns wird mithilfe einer Analysenwaage bestimmt. Es ist vorteilhaft, den Hahn hierzu mit einer Drahtschlinge zu versehen und an den Wägarm einzuhängen. Die Apparatur wird wie in Abb.4 dargestellt vorbereitet. Der Hahn wird in Stellung 1 gebracht. Abb.4: Apparatur zur Bestimmung der molaren Masse von Isobuten Durch die Pasteurpipette wird sehr langsam Isobuten in den gekühlten zugeschmolzenen Schenkel geleitet, wo es als farblose Flüssigkeit kondensiert. Auf diese Weise sammelt man etwa 0,3 ml flüssiges Isobuten. Die Pipette wird entfernt und der Hahn in Stellung 2 gebracht. Man bestimmt nun die Masse m 2 des mit flüssigem Isobuten gefüllten Dreiwegehahns (Hahn vorher abtrocknen!). Der Dreiwegehahn wird nun an den Kolbenprober angeschlossen, der 8

10 Hahn in Stellung 3 gebracht und das Kältebad entfernt (vgl. Abb.4). Das flüssige Isobuten verdampft allmählich; im Kolbenprober wird das verdampfte Isobuten als farbloses Gas aufgefangen. Es ist darauf zu achten, dass das Verdampfen sehr langsam erfolgt, damit dabei kein Siedeverzug auftritt. Das Gasvolumen V im Kolbenprober wird abgelesen, wenn sich die Apparatur auf Raumtemperatur erwärmt hat und das Volumen im Kolbenprober konstant bleibt. Abschließend werden Temperatur ϑ und Luftdruck p abgelesen und notiert. Entsorgung: Der Kolbenprober wird unter dem Abzug entleert. Auswertung und Interpretation: Mit Hilfe dieser Daten kann die molare Masse von Isobuten berechnet werden. Beispiel: ϑ (T) p m 1 m 2 V 21 C (294 K) 1002 hpa 44,1815 g 44,4068 g 96 ml Das abgelesene Gasvolumen ist zunächst auf Normbedingungen umzurechnen: p V p0 V = T T hpa 96 ml 273 K V 0 = = 88 ml 294 K 1013 hpa Die Masse des im Dreiwegehahn kondensierten Isobutens (m 2 -m 1 ) beträgt 0,2253 g. Berechnung der Molmasse von Isobuten: m n = = M V V m m 0,2253 g M = Vm = 22,4 L / mol = 57 g / mol (Literaturwert: 56,11 g/mol) V 0,088 L Der errechnete Wert ist verglichen mit dem Literaturwert um 2% zu hoch. Hinweis: Die Siedetemperatur von Isobuten liegt bei 6,9 C. Damit eignet es sich gut, um unter schulischen Bedingungen verflüssigt zu werden. Durch Differenzwägung wird die Masse des Kondensats auf mindestens 1 mg genau bestimmt. Bei der Volumenmessung ist eine Genauigkeit von 1 ml ausreichend. Es ist darauf zu achten, dass man mit dem Ablesen des Volumens solange wartet, bis sich die Apparatur auf Raumtemperatur erwärmt hat, da man ansonsten ein zu geringes Volumen erhält. In der Regel 9

11 erhält man für die molaren Massen der mit dieser Methode untersuchten Substanzen gegenüber den Literaturwerten leicht erhöhte Werte. Dies ist hauptsächlich auf Fehler bei der Bestimmung des Gasvolumens zurückzuführen. 10