Protokoll. Basismodul Chemie I, Praktikum: Hydrolyse; Kinetik

Transkript

1 Protokoll Basismodul Chemie I, Praktikum: Hydrolyse; Kinetik Veranstalter: Dr. Ulrich Neuert Jörg Mönnich () Betreuer: Carolin, Christian Versuchstag: Freitag,

2 Hydrolyse; Kinetik Einleitung Unter Hydrolyse versteht man die Aufspal tung einer chemischen Verbindu ng durch Anlagerung eines Wassermoleküls (H 2 O). Als Ergebn is der Hydrolyse entstehen 2 Spaltstücke, von denen eines das Pr oton, das andere die verbleibende Hydroxygruppe des Wassermoleküls trägt. Die Hydrolyse von Estern ist z.b. eine mehrstufige Reaktion. Es gibt zwei verschiedene Arten der Esterhydrolyse, einerseits die alk alische und andererseit s die prrotonenk atalysierte. Bei ersterer sind die Produkte der Reaktion wesentlic h stabiler als die Eduk te, sodass das Gleichgewic ht mehr auf der Seite der Produkte liegt. Dies e Reaktion ist irreversi bel, das Hydroxid wird verbraucht. Bei der protonenkatalysierten Esterhydrolyse existieren nach Ablauf der Reaktion Produk te und Edukte nebeneinander, es handelt sich um ein messbares Gleichgewicht. Diese Re aktionen s ind r eversibel, j edoch nic ht immer vollständig. H + dient als Katalysator, es nimmt also an der Reaktion Teil, wir d aber nicht verbraucht. Das Gegenteil der Hydrolyse ist die Kondensationsreaktion. Die Reaktionsgesc hwindigkeit oder -ki netik ist die Geschwindigkeit, mit der Reaktionen bis zum Endzus tand ablaufen. Diese Ges chwindigkeit ist abhängig vo n Faktoren wie Temperatur, Druck, dem einge setzten Katalysator sowie zum Teil von der Konzentration der Edukte. Man untersc heidet zwischen Geschwindigkeiten 0., 1. und 2. Ordnung. Bei 0. Ordnung ist die Ge schwindigkeit der Reaktion unabhäng ig von der Konzentration des Eduktes, bei 1. Ordnung hängt die Geschwindigkeit von der Konzentration lediglich eines Reaktionspartners ab. Spielen die Konzentrationen beider Reaktionspartner für die Geschwindigk eit eine Rolle, spricht man von 2. Ordnung. Material, Methoden s. Praktikumsskript - 1 -

3 Ergebnisse, Messwerte I. Qualitative Untersuchung zur Hydrolyse von Essigsäureethylester Nach Hers tellung zweier Gemische von Wa sser, Ethanol und Essigsäureet hylester wird ein Ansatz mit konzentrierter Schw efelsäure versetzt und beide Ansätze im Wasserbad gekocht. Nach dem Kochen werden die Ansätze mit Wasser versetzt. Zu beobachten ist hier, dass sich beim Ans atz ohne H 2 SO 4 zwei Phasen bilden. Beim Ansatz mit H 2 SO 4 entsteht ein homogenes Gemisch. II. Bestimmung Geschwindigkeitskonstanten der alkalischen Esterhydrolyse Um die 0, 2 molare Essigsäureethyleste r-lösung herzustellen benötigt m an 1,76 g C 4 H 8 O 2, die im Messkolben mit Wasser auf 100 ml aufgefüllt werden. 10 ml dieser Lösung werden wiederum mit 70 ml Wasser ve rsetzt. Um die Hy drolysereaktion zu starten, werden 10 ml NaOH hinzugefügt und auf 100 ml aufgefüllt. Jeweils 10 ml hiervon werden in 10 ml HCl (0,0 1 m) gegeben, mit Phenolphtalein versetzt und mit 0,01 molarer NaOH titriert. Es ergeben si ch folgende Verbrauchs mengen NaOH (in ml): Zeit t 1 (0 min) t 2 (5 min) t 3 (10 min) t 4 (15 min) t 5 (25 min) t 6 (35 min) Verbrauch 1,55 4,65 6,55 7,95 8,90 9,90 III. Hydrolyse von Oxalsäurediethylester Nach Zugabe einiger Tropfen CaCl 2 zu den nach Skript hergestellten unbehandelten Ansätzen ist zu beobachten, dass bei der er wärmten Lösung sofort eine starke Trübung e insetzt. Die Lösun g mit HCl u nd Wasser zeigt ein e le ichte Trübung während die Lösung, die nur mit Wasser versetzt wurde, keine Trübung aufweist. Auswertung, Diskussion I. Die Reaktionsgleichung für diesen Versuch lautet: CH 3 -CH 2 -O-CO-CH 3 + H 2 O CH 3 -CH 2 -OH + CH 3 -COOH Da am CO des C 4 H 8 O 2 Doppelbindung vorliegt und das Kohlenstoffatom durch di e höhere Elektronegativität positiv geladen ist, kann das C-Atom leicht mit freien Elektronenpaaren reagieren (es ist elektr ophil). Die zugegebene Säure wirkt als Katalysator, indem es Protonen abgibt, dies e jedoch nicht verbraucht werden. Diese - 2 -

4 Protonen lagern sich an das oben genannte O an, sodass das C- Atom durch die nun vorhandene OH-Gruppe ausr eichend positi v ist, um auc h von sc hwachen Nucleophilen (dem H 2 O) angegriffen zu werden. Der Essigsäureethylester zersetzt sich nun in Ethanol und Essigsäure. Da bei de polar sind, lösen sie sich im Wasser und somit ist keine Phasenbildung zu beobac hten. Beim zweiten Ansatz fehlt der Katalysator und das Wasser ist ein zu schwaches Nucleophil, um die Zersetzung des C 4 H 8 O 2 zu bewirken. Da Ess igsäureethylester unpolar ist, lös t es sich nicht in Wasser und eine Phasenbildung ist die Folge. II. Aus den Verbrauchsmengen an NaOH (s. auch Ergebnisse, Messwerte) lassen sich die folgenden Konzentrationen von OH - und Ester bestimmen: Zeit t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 (0 min) (5 min) (10 min) (15 min) (25 min) (35 min) Verbrauch 1,55 4,65 6,55 7,95 8,90 9,90 Umsatz in mol/l 0, , , , , ,00990 c[oh - ] 0, , , , , ,00010 c[ester] 0, , , , , ,00110 Die Werte für c[oh - ] ergeben s ich durch Subtrahierun g des Ums atzes in mol/l von der einges etzten Konzentration des NaOH (0, 01 m). Für c[ester] gilt der gleic he Rechenweg, nur wurde hier 0,2 molare Essigsäureethylester-Lösung verwendet. Trägt man nun die Konzentration des Esters gegen die Zeit auf, ergibt sich folgende Kurve: 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, Min. 5 Min. 10 Min. 15 Min. 25 Min. 35 Min. c[ester] - 3 -

5 Des Weiteren soll der ln[ester ] sowie der ln[c[ester]/c [OH - ]] gegen die Zeit aufgetragen werden. Es ergeben sich folgende Werte und Kurven: Zeit t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 (0 min) (5 min) (10 min) (15 min) (25 min) (35 min) ln[ester] -3, , , , , ,91704 ln[c[ester]/c[oh - ]] 0, , , , , , ,7-3,8 0 Min. 5 Min. 10 Min. 15 Min. 25 Min. 35 Min. -3,9-4 -4,1-4,2-4,3 ln[ester] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 Min. 5 Min. 10 Min. 15 Min. 25 Min. 35 Min. ln[c[ester]/c[oh-]] Es handelt sich um eine Reaktion zwei ter Ordnung, da sie sowohl von der Konzentration des Est ers, als auch von der Konzentration des Esters, als auch von der Konzentration der Na tronlauge abhängig ist. Beide Konzentrationen nehmen bei der Reaktion ab. Bei der zweiten Kurve wä re eigentlich eine Gerade zu erwarten gewesen. Der Ausreißer bei 25 Minuten könnt e evtl. ein Fehler bei der Titration sein. Als Produkte der Reaktion entstehen Natriumacetat und Ethanol

6 III. Wie schon in Teil I beschrieben, ist Wasser ein sehr schwaches Nucleophil, daher muss im Verlauf der Hydrolyse eine hohe Aktivierungsenergie aufgebracht werden, damit eine Reaktion einsetzen kann. Unter Normalbedingungen würde, falls überhaupt, eine langs ame Reaktion eins etzen. Man muss dem System also Energie zuführen, damit die Hydrolyse startet. Eine andere Möglichkeit, die benötigte Energie herabzusetzen, ist der Einsatz von Katalysatoren. In diesem Versuch wurde ein Reagenzglas im Wasserbad auf 60 C erhitzt. Nach Zugabe von CaCl 2 als Nachweis der Esterhydrolyse ist eine Fällung zu beobachten. Die zugeführte Energie in Form von Wärme hat also die benötigt e Aktivierungsenergie herabgeset zt. Einem anderen Reagenz glas wurde HCl zugesetzt. Auch hier ist nach Zugabe von CaCl 2 eine, wenn auch schwächere, Trübung z u sehen. Das HCl diente hier als Katalysator. Das letzte Reagenzglas, welches keiner zusätzlichen Behandlung ausgesetzt war, zeigt keine Trübung. Es konnte als o die benötigte Aktivierungsener gie nicht aufgebracht werden und somit keine Hydrolyse stattfinden