1. Abschnitt: Kurstag 4

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1 Chemische Übungen für Biologen ( UE, 4 Stunden, 8 ECTS) Chemische Übungen für Lehramt Biologie und Umweltkunde ( UE, 3 Stunden, 3 ECTS) Chemische Übungen für Lehramt Haushaltsökonomie und Ernährung ( UE, 3 Stunden, 3 ECTS) 1. Abschnitt: Kurstag 4 SS 2009 Praktischer Teil: Allgemeine Chemie Gasvolumetrie Gasvolumetrische Bestimmung von Carbonat in einer Salzmischung... 2 a) Apparatur... 2 b) Experimentelle Durchführung... 3 Theorie 1. Reaktionen unter Freisetzung von Gasen... 4 a) Kohlendioxid... 4 b) Carbide... 4 c) Grignardsche Verbindungen Reaktion von Carbonat mit Säure Verhalten der Gase... 5 a) Gasgesetzte... 5 b) Wechselwirkung Gas/Wasser Auswertung der Carbonatbestimmung durch gasvolumetrische Bestimmung des freigesetzten Kohlendioxids... 6 Fragen... 7 Wenn Versuche in Zweiergruppen durchgeführt werden, geben Sie bitte im Laborjournal und Protokollblatt den Namen des Partners / der Partnerin an. Die Protokollführung hat durch jeden Partner / jede Partnerin selbständig zu erfolgen.

2 Gasvolumetrie 2 Bestimmung des Carbonatgehaltes eines Feststoffs durch gasvolumetrische Messung des freigesetzten Kohlendioxids. Dieses Beispiel wird in Zweiergruppen durchgeführt. Jede Zweiergruppe führt zwei Bestimmungen durch. Wenn die Berechnungen (siehe Seite 6) für diese Bestimmungen zu stark divergierenden Ergebnissen führen, ist (sind) eine (mehrere) weitere Messung(en) durchzuführen. Die Erstellung des Protokolls hat an Hand der Messergebnisse durch jeden Partner / jede Partnerin selbständig zu erfolgen. Im Protokoll ist der Name des Partners / der Partnerin anzugeben. a) Apparatur Die Bestimmung kann in der hier durchgeführten Form nur näherungsweise richtige Ergebnisse liefern. Benötigte Geräte: (verwenden Sie die Inventarliste in der Praktikumsordnung) 1 Dreihalsrundkolben 500 ml; 1 Tropftrichter NS 29 mit Kalibrierung; 1 Stopfen NS 29; 1 Quickfit-Schraubverbindung NS 29 (man überprüfe, ob Teflon- und Silikonkautschukring vorhanden sind); Gasschlauch; 1 Messzylinder 100 ml; 1 Becherglas, möglichst groß, mindestens 500 ml; 3 Muffen und 3 Klammern; 2 Gaseinleitrohre (werden vom Assistenten ausgegeben); Stative; Parafilm. Tropftrichter (6 N HCl) Glasrohr Schlauch Messzylinder Stopfen Dreihalsrundkolben Quickfit Klammer Becherglas Carbonat Sperrflüssigkeit (Wasser / HCl)

3 3 b) Experimentelle Durchführung Es wird zwischen 0,50 und 0,60 g der Mischung eines Carbonats mit Natriumchlorid möglichst exakt in den Dreihalsrundkolben eingewogen. Dazu wird der Kolben auf einem Korkring auf die Waagschale der elektrischen Waage gestellt und tariert. Der Pulvertrichter wird aufgesetzt, und die Probe in der entsprechenden Menge eingefüllt. Nach Abheben des Pulvertrichters wird die genaue Menge eingewogenes Carbonat direkt abgelesen. Der Dreihalsrundkolben wird am mittleren Hals mit einer Kolbenklammer und Muffe am Stativ befestigt. Den Tropftrichter setzt man nun auf den mittleren Hals, der Hahn muß geschlossen sein. Er wird mit 60 ml etwa 6 N HCl (HCl konz. : H 2 O = 1:1) gefüllt. Ein seitlicher Hals des Dreihalsrundkolbens wird mit einem Stopfen NS 29 dicht verschlossen, auf den anderen kommt die Quickfit-Schraubverbindung mit dem entsprechenden Glasrohr. Als Sperrflüssigkeit mischt man im Becherglas 500 ml Wasser mit etwa 10 ml 2 N HCl. Der Messzylinder wird vollständig mit dieser Lösung gefüllt und mit einem Stückchen Parafilm möglichst dicht verschlossen. Der Parafilm wird mit der flachen Hand gegen den Rand des Messzylinders gedrückt und der Messzylinder mit der Öffnung nach unten in das Becherglas eingebracht, so dass die Öffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Becherglases ist. Dann wird der Parafilm entfernt und der Messzylinder, wie in der Abbildung dargestellt, mit Klammer und Muffe am Stativ befestigt. Sollten dabei größere Mengen Luft (> 10 ml) in den Messzylinder eindringen, so wird der Vorgang wiederholt. Kleinere Luftmengen (5 - max. 10 ml) sind tolerierbar. Dieses anfänglich im Messzylinder vorhandene Luftvolumen wird vor Versuchsbeginn genau abgelesen und protokolliert. Der zweite Teil des Glasrohres wird mit dem einen Ende über ein kurzes Schlauchstück mit dem Glasrohr in der Quickfit-Schraubverbindung verbunden, das andere Ende taucht im Becherglas in den Meßzylinder hinein (siehe Abbildung). Fixiert wird das Glasrohr mit einer Klammer und Muffe am Stativ. Dabei wird über das Glasrohr ein kurzes Stück Schlauch geschoben, um die Gefahr des Glasbruchs beim Anziehen der Klammer zu vermeiden. Nach Abschluss des Aufbaus und erfolgter Kontrolle durch den Assistenten werden 40 ml 6 N HCl sehr langsam auf die Probe getropft und die Verdrängung des Wassers aus dem Messzylinder beobachtet. Wenn bei weiterer Zugabe keine Gasentwicklung (= Bläschenbildung) mehr auftritt, wird das Gasvolumen im Messzylinder abgelesen. Ebenfalls abgelesen wird das Volumen an zugetropfter Salzsäure im Tropftrichter. c) Bestimmung des Gasvolumens Das aus dem Carbonat freigesetzte Volumen an CO 2 ergibt sich wie folgt: v (CO 2 ) (= Volumen freigesetztes CO 2 ) = Gasvolumen im Messzylinder Volumen zugetropfter Salzsäure anfänglich im Messzylinder vorhandene Luftmenge. Zum Beispiel: Gasvolumen im Messzylinder : Volumen zugetropfter Salzsäure : anfänglich im Messzylinder vorhandene Luftmenge daraus: v (CO 2 ) = 93 ml - 40 ml - 5 ml = 48 ml 93 ml 40 ml 5 ml

4 Theorie 4 1. Reaktionen unter Freisetzung von Gasen a) Kohlendioxid Viele technische Produkte sind Mischungen aus Komponenten, von denen eine Kohlendioxid (CO 2 ) freisetzen kann, entweder beim Auflösen in Wasser: z.b. Brausepulver, eine Mischung aus Zitronensäure, Zucker, und Speisesoda NaHCO 3 ); beim Erhitzen: Backpulver Hirschhornsalz (NH 4 ) 2 CO 3 ; oder Speisesoda und Weinstein (Kaliumhydrogentartrat); oder bei Zugabe von Säure: Waschmittel Detergentien, Gerüstbildner, optische Aufheller, Bleichmittel, Waschsoda (Na 2 CO 3 ). Wenn die Stöchiometrie der Reaktion bekannt ist und das Volumen des freigesetzten Gases ausreichend genau gemessen werden kann, lässt sich die Menge des CO 2 - abgebenden Stoffes berechnen; mit Hilfe der Idealgasgleichung, ideales Verhalten des CO 2 vorausgesetzt. Wurde auch die Probenmenge ausreichend genau ermittelt, so lässt sich der Anteil der CO 2 -abgebenden Komponente berechnen. b) Carbide Ähnliches gilt auch für andere Verbindungsklassen, die Gase mit annähernd idealem Verhalten freisetzen. Carbide entwickeln mit Wasser Ethin. z.b. Li 2 C H 2 O C 2 H LiOH c) Grignardsche Verbindungen Grignardsche Verbindungen, die sich von Alkylhalogeniden mit niedriger Kohlenstoffanzahl ableiten, setzen gasförmige Kohlenwasserstoffe frei. z.b. C 2 H 5 Br + Mg C 2 H 5 MgBr C 2 H 5 MgBr + H 2 O C 2 H 6 + Mg(OH)Br Auch hier lässt sich bei Messung der Menge freigesetzten Gases und Kenntnis der Stöchiometrie auf die Menge Carbid bzw. Alkylmagnesiumhalogenid rückrechnen. 2. Reaktion von Carbonat mit Säure Wird ein beliebiges Carbonat mit einem Überschuss starker Säure versetzt, so bildet sich quantitativ gasförmiges Kohlendioxid. z. B. Natriumcarbonat mit halbkonzentrierter wässriger Salzsäure: Na 2 CO 3 (s) + 2 H 3 O + (aqu) + 2 Cl (aqu) 2 Na + (aqu)+ 2 Cl (aqu) + CO 2 (g) + 3H2O (l) (s) = "solidus" (Feststoff) (l) = "liquidus" ( Flüssigkeit) (g) = Gas (aqu) = Ion bzw. Stoff in wässriger Lösung

5 5 Für die praktisch quantitative Bildung des Kohlendioxids ist entscheidend, dass Kohlensäure (H 2 CO 3 ) eine schwache Säure ist, d.h., dass das Gleichgewicht für die beiden nachstehenden Reaktionen bei Vorliegen eines Überschusses an starker Säure praktisch ganz auf der Seite der Reaktionsprodukte (rechts) liegt: CO 3 2- (aqu) + 2 H 3 O + (aqu) H 2 CO 3(aqu) + 2 H 2 O CO 2(g) + 3 H 2 O Die zweite Teilgleichung stellt auch die wohlbekannte Situation in einer Soda- oder Mineralwasserflasche dar: die gelöste Kohlensäure zerfällt als instabile Verbindung in CO 2 und H 2 O, wobei das Kohlendioxid entweicht. 3. Verhalten der Gase Die Menge des freigesetzten Kohlendioxids (in Mol oder Gramm) kann durch gasvolumetrische Messung bestimmt werden. Bei der hier angewendeten, sehr vereinfachten Methode müssen folgende Beziehungen und Größen bekannt sein: a) Gasgesetze Bei den Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen sich die Gase bei diesem Versuch befinden (etwa 1 Atmosphäre 1 bar; 20 C = 293 K) treten keine berücksichtigungswerten Abweichungen vom idealen Verhalten auf; für die Berechnung kann also das Idealgasgesetz (Boyle/Mariotte/Gay-Lussac) verwendet werden: p v = n R T v = n V p...druck v...volumen n...molzahl R...allgemeine Gaskonstante (8,314 J Mol 1 K 1 ) T...absolute Temperatur (Grad Kelvin; K = C + 273,16) V...Molvolumen Für Gasgemische gilt das Partialdruck-Gesetz (Dalton). Es besagt, dass in einer Gasmischung die Moleküle jedes Bestandteiles denselben Druck ausüben, als ob sie alleine anwesend wären. Der Gesamtdruck der Gasmischung ist gleich der Summe der Partialdrucke der Komponenten. Für unseren Versuch folgt daraus, dass wir nicht zwischen der im Gefäß vorhandenen Luft und dem sie verdrängenden Kohlendioxid unterscheiden müssen. b) Wechselwirkung Gas/Wasser Für eine exakte Auswertung der Ergebnisse müsste neben der Verwendung genügend genau kalibrierter Messgefäße auch die Löslichkeit des CO 2 in Wasser, wie auch die des Wassers (entsprechend seinem Dampfdruck) in CO 2 berücksichtigt werden. Für unsere Messung wird dieser Aspekt aber nicht beachtet, da die Löslichkeit von CO 2 in H 2O im Auffanggefäß durch Zusatz von Säure stark herabgesetzt und für die Berechnung das Molvolumen für feuchtes Idealgas eingesetzt wird (24620 ml).

6 6 4. Auswertung der Carbonatbestimmung durch gasvolumetrische Bestimmung des freigesetzten Kohlendioxids Es soll die Zusammensetzung (in Masseprozenten) einer Probe berechnet werden, die aus vergleichbaren Mengen eines Carbonats und eines Chlorids besteht. Aus dem Carbonat wurde entsprechend den Gleichungen (siehe Seite 4 und 5) Kohlendioxid freigesetzt; das Volumen v (CO 2 ) wurde experimentell ermittelt (Seite 3). Berechnen Sie für alle durchgeführten Messungen: a) Millimol freigesetztes Kohlendioxid n (CO 2 ) n(co 2 ) = v(co 2 ) V(CO 2 ) v (CO 2 ) experimentell ermittelter Wert V (CO 2 ) Molvolumen ideales Gas; bei 20 C und Atmosphärendruck (= 1013 mbar oder 760 Torr): trocken : ml feucht : ml b) Menge Metallcarbonat (m) in Milligramm Berechnenen sie für folgende Caebonate: (a) Na 2 CO 3 (Atommasse Na : 23; C : 12; O : 16), und für (b) K 2 CO 3 (Atommasse K : 39,1). m = n (Me 2 CO 3 ). M (Me 2 CO 3 ) dabei ist n (Me 2 CO 3 ) = n (CO 2 ), (Me 2 CO 3 ) : molare Masse von Na 2 CO 3 oder K 2 CO 3 c) Anteil Metallcarbonat (in Masseprozent) in der eingewogenen Probe für (1) Na 2 CO 3 (2) K 2 CO 3 Masse -% Me 2 CO 2 = m 100 EW dabei ist m die unter (b) berechnete Menge Metallcarbonat; EW ist die Einwaage an Probe (beides in Milligramm). Beachten Sie bei Berechnungen immer die dazu gehörigen Einheiten. Verwenden Sie immer die gleichen Einheiten (mischen sie NICHT Liter und Milliliter, Gramm und Milligramm; bar und Pascal etc.)! Protokollierung Name des Arbeitspartners/der Partnerin, Versuchsbeschreibung, Auswertung (wie oben), und die Ergebnisse in Tabellenform (siehe Ergebnisblatt).

7 Fragen 7 1. Warum entwickelt sich CO 2, wenn Sie eine Mineralsäure (z.b. HCl, H 2 SO 4 ) auf ein Carbonat einwirken lassen? 2. Errechnen Sie mit Hilfe des Idealgasgesetzes das Molvolumen eines Idealgases bei 25 C und einem Druck von einer Atmosphäre (R = 8,314 J. Mol 1. K 1 ). 3. Durch Zugabe von verdünnter wässriger HCl zu 1,59 Gramm eines Salzes wurden 370 ml CO 2 freigesetzt. Um welches könnte es sich gehandelt haben? Das Molvolumen eines feuchten Gases bei der Temperatur der Umsetzung ist 24620ml. 4. Auflösen einer 0,2 g schweren Brausetablette in verdünnter wässriger Salzsäure hat 37 ml CO 2 freigesetzt. Zu wie viel Masseprozent bestand die Tablette aus Speisesoda (NaHCO 3 ), wenn die CO 2 -Entwicklung nur aus diesem Bestandteil der Tablette erfolgt ist? (Molvolumen feuchtes Idealgas : ml) 5. Ein Gas erfüllt ein nicht bekanntes Volumen (V 1 ) und befindet sich unter 1 bar (p 1 ) Druck. Durch Öffnen eines Hahnes lässt man das Gas in einen evakuierten Behälter mit einem Volumen (V 2 ) von 2 Litern ausströmen. Dabei stellt sich ein Druck (p 2 ) von 450 Torr (= 0,60 bar) ein. Errechnen Sie das Volumen (V 1 ) des ursprünglich mit dem Gas gefüllten Gefäßes. 6. Durch Zugabe von Wasser zu 128 mg eines Carbids (allgemeine Formel Me 2 C 2 für Me + oder MeC 2 für Me 2+ ) sind 49 ml Ethin freigesetzt worden. Welches Carbid wurde umgesetzt? Formulieren Sie eine stöchiometrische Reaktionsgleichung! (Molvolumen feuchtes Idealgas ml) 7. Methylmagnesiumhalogenide reagieren mit Protonendonatoren nach der Gleichung: CH 3 MgX + H 2 O CH 4 + Mg(OH)X Welche Verbindung wurde umgesetzt, wenn Zugabe von Wasser zu 831 mg der obigen Grignardverbindung 123 ml Methan freisetzt? (Molvolumen feuchtes Ideal gas ml) 8. Eine Brausetablette (0,6 g) wird in verdünnter wässriger HCl gelöst und setzt dabei 44 ml CO 2 frei. Wie viel Masseprozent KHCO 3 enthielt die Tablette unter der Anname, dass die Gasentwicklung nur aus diesem Bestandteil erfolgt ist? (Molvolumen feuchtes Idealgas ml) 9. Aus 1,2 g eines unbekannten Salzes wurden durch Zugabe von verdünnter wässriger Salzsäure 400 ml CO 2 freigesetzt (Molvolumen feuchtes Gas ml). Um welches Salz könnte es sich gehandelt haben? Erstellen sie die stöchiometrische Reaktionsgleichung für die Gasfreisetzung aus diesem Salz.