Bestimmung der Dichte und der Molmasse von Flüssiggas

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1 Experimente zum Thema Kohlenwasserstoffe Bestimmung der Dichte und der Molmasse von Flüssiggas Messzylinder (500 ml), Wasserwanne, Analysenwaage (0,01 g, besser 0,001 g), Gummischlauch, gewinkeltes Glasrohr, Stativmaterial; Gaskartusche zum Nachfüllen von Feuerzeugen Masse der Gaskartusche möglichst exakt bestimmen. 500 ml-messkolben randvoll mit Wasser füllen, mit der Öffnung nach unten in die ebenfalls mit Wasser gefüllte Wanne tauchen und in ein Stativ einspannen. Der Messkolben muss frei von Luftblasen sein. Unter Verwendung des Schlauches und des Glasrohrs 500 ml Gas in den Messkolben einleiten. (Dabei wird das Wasser verdrängt.) Kartusche erneut abwiegen und Versuch mehrmals wiederholen. Fragen/Aufgaben Berechne aus dem Volumen und der Massendifferenz die Dichte. Verwende dabei jeweils den Mittelwert. Berechne mit Hilfe des idealen Gasgesetzes (oder näherungsweise über das Gesetz von Avogadro) die Molmasse. Vergleiche dein Ergebnis mit der Molmasse der in Frage kommenden Kohlenwasserstoffe. Wo liegen mögliche Fehlerquellen? Diese Methode zur Bestimmung der Dichte eines Gases ist für Kohlendioxid ungeeignet. Worum? Weshalb kann sie bei Flüssiggas angewandt werden?

2 Untersuchung der Beständigkeit von Alkanen im Vergleich zu Zucker Schutzbrille (!), Reagenzgläser, -halter und -gestell, Wasserbad (80 C); Hartparaffin, Glucose, H 2 SO 4 konz., HNO 3 65%ig, KMnO 4 -Lösung ca. 0,1%ig Vorbereitung: In drei beschriftete Reagenzgläser gibt man je ein erbsengroßes Stückchen Paraffin, in drei weitere je eine Spatelspitze Zucker. Nun versetzt man in einem Reagenzglas das Paraffin, in einem anderen den Zucker mit ca. 1 ml Schwefelsäure. Dieser Vorgang wird mit Salpetersäure bzw. Kaliumpermanganat-Lösung wiederholt. Die sechs beschrifteten Reagenzgläser werden in ein Wasserbad gestellt, um das Paraffin zum Schmelzen zu bringen. Anschließend lässt man wieder auf Raumtemperatur abkühlen. Fragen/Aufgaben Zucker und Paraffin sind organische Stoffe. Wie erklärst du dir ihr unterschiedliches Verhalten? Die verwendeten Reagenzien (H 2 SO 4, HNO 3, KMnO 4 ) sind reaktionsfreudige Chemikalien. Welche Eigenschaften sind für sie jeweils charakteristisch und welche Art von Reaktion gehen sie bevorzugt ein? Begründe!

3 Gegenüberstellung der Reaktionen eines Alkans und eines Alkens mit Hilfe von Brom Reagenzgläser und gestell, Pipette, Pinzette, Gummistopfen, kleine Petrischale mit Deckel, Trichter, Lichtquelle mit hohem UV-Anteil (direktes Sonnenlicht, Overhead- Projektor oder Hg-Dampflampe); (Cyclo-)Hexan, (Cyclo-)Hexen, Bromwasser, Indikatorpapier, ev. Zusatz: Cu-Draht a) Ca. 4 ml (Cyclo-)Hexan werden in einem Reagenzglas mit 2 ml Bromwasser versetzt und kräftig geschüttelt. Nach der Trennung der beiden Phasen entnimmt man die obere mit Hilfe einer Pipette. Die Hälfte davon füllt man in ein Reagenzglas, verschließt es mit einem Gummistopfen und stellt sie im Dunklen ab. Die andere Hälfte füllt man in eine kleine Petrischale, verschließt mit dem Deckel und setzt die Probe für 5-10 min. dem UV-Licht aus. Dann hebt man den Deckel ab und hält ein angefeuchtetes Stückchen Indikatorpapier über die Lösung. Nun gießt man die Lösung in ein Reagenzglas und vergleicht mit der im Dunklen abgestellten Probe. b) Ca. 2 ml (Cyclo-)Hexen werden in einem Reagenzglas mit 1 ml Bromwasser versetzt und kräftig geschüttelt. Zusatz: Mit den entfärbten organischen Lösungen aus a) und b) führt man die Beilsteinprobe durch. Fragen/Aufgaben Worin unterscheidet sich Bromwasser von reinem Brom? Warum verwendet man für diese Versuche Bromwasser und kein reines Brom? Zu a): Beim ersten Schritt handelt es sich um einen physikalischen Vorgang. Um welchen Vorgang handelt es sich und weshalb kommt es dazu? Warum verhält sich die Probe im Dunklen anders als die im Licht? Weshalb benötigt man UV-reiches Licht? Wozu dient es? Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von (Cyclo-)Hexan mit Brom und gib an, um welche Art von Reaktion es sich handelt. Welchen Zweck hatte die Verwendung des Indikatorpapiers? Zu b): Warum kommt es bei der Reaktion von (Cyclo-)Hexen mit Brom zu einer sofortigen Entfärbung? Formuliere die dazugehörige Reaktionsgleichung und gib an, um welche Art von Reaktion es sich handelt.

4 Um zu zeigen, dass beispielsweise Olivenöl einen wesentlich höheren Gehalt an ungesättigten Fettsäuren aufweist als z.b. Kokosfett, kann man in einem Parallelversuch gleiche Mengen dieser Fette tropfenweise mit Bromwasser versetzen. Welches Ergebnis ist zu erwarten? Begründe!

5 Katalytisches Cracken von Paraffinöl großes, schwer schmelzbares Reagenzglas, U-Rohr, großes Becherglas als Kühlbad für das U-Rohr, gewinkeltes Glasrohr, kurzes zu einer Spitze gezogenes Glasrohr, drei Gummistopfen mit Loch passend auf das Reagenzglas bzw. das U-Rohr, Glaswolle, Stativmaterial, Kupferdrahtnetz, Bunsenbrenner, zwei Porzellanschalen Schutzbrille; Paraffinöl, Perlkatalysator, Bromwasser Br 2 (aq) Baue folgende Apparatur unter dem Abzug auf: Fülle das Reagenzglas zur Hälfte mit Perlkatalysator und gib so viel Paraffinöl dazu, dass der Perlkatalysator zur Hälfte mit Paraffinöl bedeckt ist. Verschließe das Reagenzglas zunächst mit einem Stückchen Glaswolle und setzte dann einen durchbohrten Stopfen auf, durch den du das gewinkelte Glasrohr steckst. Spanne das Reagenzglas schräg geneigt in einem Stativ ein und verbinde das andere Ende des Glasrohrs mit einem U-Rohr, das du in ein kaltes Wasserbad stellst. Verschließe die andere Öffnung des U-Rohrs mit einem durchbohrten Stopfen, in den ein Glasrohr mit ausgezogener Spitze und Rückschlagsicherung (Kupferdrahtnetz) steckt. a) Erhitze nun zunächst den Katalysator, der aus dem Parafinöl herausragt, und anschließend den mit Paraffinöl getränkten mit dem Bunsenbrenner. Entzünde nach ein paar Minuten die ausströmenden Crack-Gase an der Spitze des Glasrohrs. b) Beende das Erhitzen nachdem das Paraffinöl weitgehende verdampft ist. Entnimm aus dem U-Rohr 1-2 ml Kondensat, gib es in eine Porzellanschale und versuche es mit einem Streichholz zu entzünden. Wiederhole den Versuch in der zweiten Porzellanschale mit etwas Paraffinöl. c) Versetze 1-2 ml Kondensat in einer Eprouvette mit Bromwasser und schüttle kräftig. Fragen/Aufgaben Beschreibe den Vorgang des Crackens in Worten. Worin unterscheiden sich das Edukt Paraffinöl von den Produkten, dem Crackgas und dem Kondensat? Der Hauptbestandteil von Paraffinöl ist Tetradecan. Formuliere eine mögliche Reaktionsgleichung für den Crackvorgang von einem Tetradecan-Molekül und benenne die Produkte. Beschreibe die Flamme bei der Verbrennung der Crackgase und erkläre ihr Erscheinungsbild. Beschreibe und erkläre (am besten an Hand einer Reaktionsgleichung) was du bei c) hast beobachten können.

6 Pyrolyse von Polyethen Ein hoch schmelzendes Reagenzglas mit passendem Gummistopfen, Reagenzglashalter, mehrere 20-ml-Einwegspritzen mit Gummidichtung (z.b. Softject, mit Siliconöl möglichst leichtgängig gemacht), Kanülen (1,2/40 mm), Korkring, Bunsenbrenner, Schutzbrille Ein Gefrierbeutel aus LDPE (ohne Weichmacher), Bromwasser a) Pyrolyse von PE Der Gefrierbeutel wird möglichst klein zusammengefaltet und tief in das hochschmelzende Reagenzglas geschoben. Nun schiebt man die Kanüle von oben durch den Gummistopfen und verschließt damit das Reagenzglas. Der Kunststoff wird über dem Brenner zum Schmelzen gebraucht und anschließend an der Phasengrenze weiter erhitzt. Sobald sich im Reagenzglas Schwaden bilden, setzt man eine der 20-ml-Einwegspritzen auf die Kanüle. Die Spritze füllt sich langsam mit der durch das entstehende Pyrolysegas verdrängten Luft. Ihr Inhalt wird verworfen. Das Pyrolysegas wird in drei weiteren Spritzen gesammelt, jeweils mit einer Kanüle versehen und auf einen Korkring aufgespießt. b) Untersuchung des Pyrolysegases Im Folgenden verwendet man die Spritzen samt Kanülen! Den Inhalt einer Spritze lässt man langsam durch 1-2 ml Bromwasser blubbern. Den Inhalt einer anderen Spritze drückt man langsam in die Flamme des Bunsenbrenners. Hat sich das Gas entzündet, kann die Kanüle bei gleich bleibendem Druck auf den Kolben der Spritze aus der Brennerflamme entfernt werden. Die dritte Spritze dient als Reserve. Aufgaben/Fragen Polyethen PE wird aus Ethen hergestellt. Um welche Art von Reaktion handelt es sich? Formuliere die entsprechende Reaktionsgleichung. Erkläre den Begriff Pyrolyse. Im Zuge der Pyrolyse von PE kommt es zu Crackreaktionen. Was versteht man darunter? Der Hauptbestandteil des PE-Pyrolysegases ist Ethen. Welche anderen Stoffe kann es noch enthalten? Bei der Untersuchung des Pyrolysegases hast du Bromwasser verwendet. Wozu dient es? Welche Art von Reaktion findet statt? Formuliere eine entsprechende Reaktionsgleichung. Beschreibe die Flamme bei der Verbrennung des Pyrolysegas und erläutere ihr Erscheinungsbild.

7 Reaktion von Ethin mit Chlor Einleitung Achtung: Diesen Versuch nur an SchülerInnen mit überdurchschnittlicher Experimentiererfahrung ausgeben! Unter dem Abzug arbeiten! Schutzbrille! Zunächst werden in zwei Lowcost-Gasentwicklern a) Chlor bzw. b) Ethin erzeugt. Die beiden Gase lässt man anschließend unter Wasser miteinander reagieren (c)). Das Prinzip des Lowcost-Gasentwicklers Das entstehende Gas wird in der großen Spritze (mit Gummidichtung) aufgefangen. Dazu muss diese zuvor leicht gängig gemacht werden. Das geschieht durch Schmieren der Gummidichtung mit Silikonöl. Zu Beginn des Versuches muss der Kolben der großen Spritze ganz hineingedrückt sein, d.h. in der Spritze befindet sich kein Gas, also auch keine Luft; sie ist leer. Die Eprouvette enthält den zum Einsatz kommenden Feststoff. Die benötigte Flüssigkeit befindet sich in der kleinen Spritze (ohne Gummidichtung) und wird durch langsames Zutropfen mit dem Feststoff zur Reaktion gebracht. Durch das sich bildende Gas entsteht ein Überdruck in der Eprouvette. Das führt dazu, dass der leichtgängige!! Kolben der großen Spritze nach oben wandert. Nach dem ersten Mal Füllen muss man die erste große Spritze entleeren ohne den Inhalt zu verwenden. Das geschieht, indem man sie von der Apparatur trennt, den Kolben hineindrückt und die Spritze wieder aufsetzt. Auf diese Art und Weise können mehrere Spritzen mit dem gleichen Gas gefüllt und für weitere Versuche bereitgestellt werden. Möchte man am Ende des Versuchs das Ausströmen von Gas verhindern, so setzt man ein Aktivkohle-Adsorptionsröhrchen auf. Schutzbrille!!! Für die Lowcost-Gasentwickler: zwei Fiolax-Reagenzgläser mit passenden Gummistopfen, Reagenzglashalter und - gestell, zwei 2-ml-Einwegspritzen ohne Gummidichtung (möglichst schwer gängig), mehrere 20-ml-Einwegspritzen mit Gummidichtung (zb. Softject, mit Siliconöl möglichst leichtgängig gemacht), Kanülen (1,2/40 mm) für die Aktivkohle-Adsorptionsröhrchen: zwei 10ml-Spritzen ohne Kolben, zwei passende Gummistopfen, Kanülen (1,2/40 mm); grobkörnige Aktivkohle a) für die Darstellung von Chlor: Kaliumpermanganat KMnO 4, Salzsäure HCl konz.

8 b) für die Darstellung von Ethin: Calciumcarbid CaC 2 c) für die Reaktion von Ethin und Chlor: ca. 15 cm eines 2poligen Stromkabels ohne Cu-Litzen als Verlängerung der Kanülen, 200ml-Enghals-Erlenmeyerkolben, Gummistopfen mit zwei parallel angeordneten Kanülen, Watte; 20 ml Chlor aus a), 20 ml Ethin aus b) Unter dem Abzug arbeiten! Schutzbrille aufsetzen! Vorbereitung der Lowcost-Gasentwickler: siehe oben Vorbereitung der Aktivkohle-Adsorptionsröhrchen: Die Spritzen werden mit Aktivkohle gefüllt und jeweils mit einem Gummistopfen, durch den eine Kanüle führt verschlossen und beschriftet. Man darf auf keinen Fall dasselbe Röhrchen für beide Gase verwenden!!! a) Darstellung von Chlor Das Reagenzglas eines Gasentwicklers wird ½ cm hoch mit KMnO 4 beschickt. Die 2- ml-spritze füllt man mit HCl konz. Alles weiter siehe oben. b) Darstellung von Ethin Das Reagenzglas des zweiten Gasentwicklers wird ½ cm hoch mit CaC 2 beschickt. Die 2ml-Spritze füllt man mit Wasser. Alles weitere siehe oben. c) Reaktion von Ethin und Chlor Man teilt die Isolierung des zweipoligen Stromkabels an einem Ende so weit, dass man es auf die beiden durch den Gummistopfen führenden Kanülen stecken kann. Das andere (ungeteilte) Ende lässt man auf den Grund des ca. zu 2/3 mit Wasser gefüllten Erlenmeyerkolbens gleiten. Der Kolben wird mit etwas Watte verschlossen. Man setzt nun die beiden mit Ethin bzw. Chlor gefüllten Spritzen auf die Lueransätze der beiden Kanülen und drückt langsam und möglichst gleichzeitig die beiden Gase durch die Kanülen bzw. durch die Kabelisolierung ins Wasser. Aufgaben/Fragen a) Die Darstellung von Chlor geschieht nach folgender Reaktions-Grundgleichung KMnO 4 + HCl > KCl + MnCl 2 + Cl 2 + H 2 O Finde die fehlenden Koeffizienten und gib an, um welche Art von Reaktion es sich handelt. b) Formuliere die Reaktionsgleichung für die Entstehung von Ethin. c) Bei der Reaktion von Ethin mit Chlor gibt es zwei gleichzeitig ablaufende Reaktionen. Im einen Fall entsteht Ruß und Chlorwasserstoff, im anderen ein Halogenkohlenwasserstoff. Formuliere für beide Reaktionen die Reaktionsgleichungen und gib für die zweite Reaktion auch an, um welche Art von Reaktion es sich handelt.

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