Versuch: Siedetemperaturerhöhung

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1 Versuch: Siedetemperaturerhöhung Die Molmasse stellt für einen chemisch einheitlichen, niedermolekularen Stoff eine charakteristische Kenngröße dar. Mit physikalisch-chemischen Messmethoden lässt sich die Molmasse von festen Stoffen, wenn sie sich gut lösen lassen, (und von gasförmigen oder leicht verdampfbaren Substanzen) relativ einfach bestimmen. Eine Lösung zeigt ein anderes Dampfdruck-, Siede- und Schmelzverhalten als das reine Lösemittel. Bei sehr verdünnten und daher annähernd "idealen" Lösungen ist dieses Verhalten unabhängig von der Art des gelösten Stoffes. Es hängt nur von der Anzahl der gelösten Teilchen (Phänomen der kolligativen Eigenschaften) ab. Lässt sich diese bestimmen, so kann aus dieser und der Masse des aufgelösten Stoffes, dessen Molmasse berechnet werden. Bei diesem Versuch soll die Molmasse einer unbekannten festen Substanz über die Siedetemperaturerhöhung einer Lösung dieser Substanz durch die Erhöhung ihrer Konzentration bestimmt werden. Theorie zur Siedetemperaturerhöhung Bei Lösungen nichtflüchtiger Stoffe beobachtet man eine Erniedrigung des Dampfdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur gegenüber dem Dampfdruck des reinen Lösemittels. Dies entspricht einer Erhöhung der Siedetemperatur der Lösung gegenüber derjenigen des reinen Lösemittels. Im Verdampfungsgleichgewicht ist das chemische Potential des Lösemittels in der flüssigen Phase µ 1 (l) gleich demjenigen in der Gasphase µ 1 (g). Es gilt folgende Beziehung zwischen der Siedetemperaturerhöhung T' und der Konzentration an gelöstem Stoff: RT M1 mkeb Hv T ' m = (1) T bedeutet die Siedetemperatur des reinen Lösemittels, H v seine molare Verdampfungsenthalpie. K Eb nennt man ebullioskopische Konstante. Eine Möglichkeit der Herleitung von (1) geht von der Clausius-Clapeyronschen Gleichung dp Hv = dt () p RT 1

2 aus, die die Abhängigkeit des Dampfdrucks p einer Flüssigkeit von der Temperatur T beschreibt, wobei Hv die molare Verdampfungsenthalpie des Lösemittels bedeutet. Desweiteren benötigt man das Raoultschen Gesetz: p = x (3) p bzw. mit x m M 1: p p m M 1 (4) Dabei ist x der Molenbruch und m die Molzahl. des gelösten Stoffes und M 1 die Molmasse des Lösungsmittels. Die Dampfdruckerniedrigung p = p - p und die Siedetemperaturerhöhung T' einer idealen Lösung sind sehr klein, weshalb näherungsweise p H = p RT v T' (5) gilt, mit p =ˆ Dampfdruck des reinen Lösemittels. Aus (4) und (5) folgt Beziehung (1).

3 Versuchsvorbereitung - Konzentrationsmaße - Thermodynamik idealer und realer Lösungen - Aktivitäten und Aktivitätskoeffizienten - Bestimmung partieller molarer Größen - Gefriertemperaturerniedrigung - Siedetemperaturerhöhung - Osmose - Intermolekulare Wechselwirkungen Versuchsdurchführung Zur Bestimmung von Siedetemperaturen wird die von WASHBURN und REAP vorgeschlagene Apparatur verwendet. CaCl - Rohr Thermometer Kühler Glasröhre Trichter Keramikplatte Mikrobrenner Apparatur nach WASHBURN und REAP 3

4 Bei dieser Apparatur befindet sich das Thermometer im Dampfraum über der siedenden Flüssigkeit und durch eine einfache Vorrichtung (ein umgestülpter dreiarmiger Trichter) wird dauernd schäumende Flüssigkeit an den Thermometerhals gespült. Auf dem Weg zur Thermometerkugel ist die anfängliche Überhitzung abgeklungen und das Gleichgewicht Dampf-Lösung hat sich eingestellt. Das Glasrohr (Gl) schützt den Thermometerraum vor der aus dem Kühler zurückfließenden kalten Flüssigkeit. Das obere Ende des Kühlers ist mit einem Calciumchlorid-Röhrchen gegen Luftfeuchtigkeit zu schützen. Vor dem Aufbau der Apparatur müssen alle Teile trocken sein. Siedetemperatur des Lösemittels In das Gefäß gibt man zwei oder drei Siedesteine und 30 cm 3 Lösemittel, so dass der Flüssigkeitsspiegel unter dem Glasrohr (Gl) steht. Das Thermometer schiebt man so weit in den dreiarmigen Trichter ein, dass sich die Quecksilberkugel etwa cm über der Flüssigkeit befindet. Das Kühlwasser lässt man kräftig laufen. Den Mikrobrenner und die siedende Flüssigkeit schützt man durch ein Glasrohr vor Luftkonvektion. Ein Keramikdrahtnetz soll verhindern, dass andere Teile als der Boden des Siedegefäßes von dem Brenner erwärmt werden. Das gesamte Gerät muss so aufgestellt werden, dass es keinem Luftzug ausgesetzt ist. Die Hauptlänge des Thermometers wird durch ein Glasrohr vor Zug oder Erwärmung geschützt. Die Brennerstärke ist so zu regulieren, dass sich die Dampfblasen fast nur im Trichterraum bilden. Dabei muss genügend viel Flüssigkeit zum Thermometer befördert werden, so dass ein gleichmäßiger Flüssigkeitsstrom an der Thermometerkugel herabläuft. Erst nach etwa einer Stunde haben sich alle Teile des Gefäßes genügend erwärmt. Man kontrolliert ständig die Temperatur, bis sie für mindestens 10 Minuten auf 0,005 K konstant geworden ist. Das ist die Siedetemperatur des reinen Lösemittels beim äußeren Luftdruck p +. Siedetemperatur der Lösung Nun bestimmt man die Siedetemperatur von Lösungen, deren Konzentration zwischen und 8 Massenprozent liegen soll. Von der zu untersuchenden Substanz presst man 4-6 Pillen, die man jeweils genau wägt. Die Einwaage einer Pille ist so zu wählen, dass die Konzentration der Lösung ungefähr Massenprozent beträgt. (Beim Pressen darf keine Gewalt angewendet werden!) Man gibt in das Siedegefäß zunächst eine Pille. Wenn die Substanz im siedenden Lösemittel gelöst ist, bestimmt man die Siedetemperatur und den dazugehörigen Luftdruck. Man wiederholt das Einbringen der Pillen und bestimmt erneut die Siedetemperatur der nun konzentrierteren Lösung und den dazugehörigen Luftdruck. Abschließend ist das Gefäß sorgfältig zu reinigen und zu trocknen. 4

5 Aus den T'-Werten und den jeweiligen Molalitäten der Lösung m (Zahl der Mole der gelösten Substanz n = g /M je kg Lösemittel) lässt sich nach (1) die Molmasse M der gelösten Substanz ermitteln: M K Eb g = T' g 1 K Eb g 1 g =ˆ ebullioskopische Konstante =ˆ Masse des Lösemittels =ˆ Masse der gelösten Substanz Substanz K Kr Gefrier- (kg K mol -1 ) temperatur (K) (kg K mol -1 ) temperatur (K) Wasser 1,86 73, 0, , Eisessig 3,90 90,7 3,14 391,3 Ethylacetat ,83 350,1 Benzol 5,1 78,8,57 353,4 Cyclohexan 0,0 79,,75 354,5 Phenol 7,40 316, 3,56 454,6 K Eb Siede- Molare Gefriertemperaturerniedrigungen und Siedetemperaturerhöhungen von gebräuchlichen Lösemitteln 5

6 Literatur P. W. ATKINS Physikalische Chemie Verlag Chemie, Weinheim 1996 G. WEDLER Lehrbuch der Physikalischen Chemie Verlag Chemie, Weinheim 1997 H.-D. FÖRSTERLING, H. KUHN Praxis der Physikalischen Chemie Verlag Chemie, Weinheim 1991 L. BERGMANN, C. SCHAEFER Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. I Springer Verlag, Berlin

7 Für diesen Versuch werden Chemikalien mit folgenden R- und S-Sätzen ausgegeben. R 11 R 34 R 41 R 66 R 67 R 1/ R 36/37/38 Leichtentzündlich Verursacht Verätzung Gefahr ernster Augenschäden Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen. Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen. Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken Reizt die Augen, die Atmungsorgane und die Haut S 16 S S 6 S 33 S 37/39 Von Zündquellen fernhalten - nicht rauchen Staub nicht einatmen Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser spülen und Arzt konsultieren Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung treffen Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe, Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen 7