Praktische Einführung in die Chemie Integriertes Praktikum: Versuch 1-1 (ABS) Optische Absorptionsspektroskopie Versuchs-Datum: 13. Juni 2012 Gruppenummer: 8 Gruppenmitgieder: Domenico Paone Patrick Küssner Michae Schmid Assistent/-in: Frau Spör
Inhatsverzeichnis 1 Theorie 3 1.1 Grundagen der optischen Absorptionsspektroskopie.................. 3 1.2 Bestimmung der Dissoziationskonstante einer Säure.................. 3 2 Messung des Absorptionsspektrums von β-carotinösung und Bestimmung der Kastenänge 4 2.1 Aufgabensteung....................................... 4 2.2 Versuchsaufbau........................................ 4 2.3 Versuchsdurchführung.................................... 4 2.4 Absorptionsspektrum.................................... 4 2.5 Auswertung.......................................... 4 3 Bestimmung der Dissoziationskonstante von 2.4 Dinitropheno 6 3.1 Aufgabensteung....................................... 6 3.2 Versuchsaufbau........................................ 6 3.3 Versuchsdurchführung.................................... 6 3.4 Messdaten........................................... 6 3.5 Reaktionsgeichungen.................................... 6 3.6 Auswertung.......................................... 7 2
1 Theorie 1.1 Grundagen der optischen Absorptionsspektroskopie Eine Lichtquee ist in der Lage monochromatisches Licht zu iefern, weches eine Weenänge λ mit der Intensität I 0 (λ) besitzt. Beim Durchstrahen einer Küvette (in der sich eine Substanz mit der Konzentration c 0 befindet) mit der Schichtdicke d wird dieses Licht geschwächt, wodurch der Lichtstrah nach dem Durchgang durch die Küvette die Intensität I 1 (λ) hat. Beschreiben ässt sich dieses Phänomen durch das Lambert- Beer sche Gesetz. I 1 (λ) = I 0 (λ)e ε(λ)c 0d (1) Dabei wird die Größe ε(λ) as Extinktionskoeffizient bezeichnet, wecher stoffspezifisch ist und zum Beispie zur Konzentrationsbestimmung einer Substanz benutzt werden kann. Die Absorption von icht durch ein Moekü ist mit einer Energieübertragung verbunden, bei der das Moekü Energie aufnimmt. Dadurch können verschiedene Energieformen des Moeküs angeregt werden. Es Können ebenfas Eektronen angeregt werden, die durch die Absorption des Lichtes in unterschiediche Energieniveaus übergehen können. Die Kenntnis dieser Energieniveaus ist schwierig zu berechnen. Eine Hife bietet hier das Teichen in einem Kasten Mode, mit wechem sich der Zustand (aso die Energie) eines Eektrons, das in einem Kasten eingesperrt ist, berechnen ässt. Die Energie ässt sich berechnen durch E n = n2 h 2 8ma 2 (2),wobei m die Masse des Eektrons, a die Länge des Kastens, h das Panksche Wirkungsquantum und n eine Quantenzah ist. Wie bereits erwähnt kann ein Eektron durch die Absorption von Licht vom höchsten Besetzten in den niedrigsten unbesetzten Zustand angehoben werden. Dennoch ist dafür eine Energiedifferenz notwendig, die im utravioetten bis sichtbaren Bereich des Spektrums des Lichtes iegt. Beschreiben ässt sich diese Energie durch die Forme E = h2 (8ma 2 (N+1) (3) ) N ist dabei die Zah der Eektronen. Das Mode kann ebenfas zur Bestimmung der Länge eines π-eektronensystems benutzt werden, weches oft in organischen Verbindungen vorkommt. 1.2 Bestimmung der Dissoziationskonstante einer Säure Die optische Absorptionsspektroskopie kann auch zur Konzentrationsbestimmung benutzt werden. Dabei spieen die Extinktionskoeffizienten der beteiigten Species eine wichtige Roe. Dadurch ist es wiederum mögich zum Beispie die Dissoziationskonstante einer Säure zu bestimmen. Für die Dissoziationskonstante git: K S = [H+ ][A ] [HA] (4) [HA] ist die Konzentration der nicht-dissoziierter Säure, [A ] ist die Konzentration der dissoziierten Säure. Durch die Eektroneutraiätsbedingung sind die Konzentrationen von H + und A geich. Außerdem ist die Summe aus nicht- dissoziierter und dissoziierter Säure geich Ausgangskonzentration c 0 (HA), die immer bekannt ist. Das bedeutet, ist [A ] bekannt, kann [HA] bestimmt werde, wodurch ae Größen für K S vorhanden sind. 3
2 Messung des Absorptionsspektrums von β-carotinösung und Bestimmung der Kastenänge 2.1 Aufgabensteung Das Absorptionsspektrum von einer β Carotinösung ist zu bestimmen. Aus dem Spektrum ist die Länge des Deokaisationsgebietes zu bestimmen. 2.2 Versuchsaufbau Es wird ein Spektrometer, ein Computer, ein Drucker sowie die Chemikaien: Cycohexan und eine β-carotinösung benötigt. 2.3 Versuchsdurchführung Zuerst ist das Spektrometer mittes zweier Küvetten (gefüt mit reinem Cycohexan) zu kaibrieren. Danach wird der Inhat, der vordere Küvette durch die β Carotinösung ersetzt. Der Messbereich iegt im Bereich von 500-300 nm. 2.4 Absorptionsspektrum (siehe Anhang) 2.5 Auswertung Das Absorptionsmaximum E λ,max iegt im Versuch bei λ = 453nm, dies entspricht der Weenzah: ν = 1 λ = 2206531.33 1 m Für die Enegie des Lichtes fogt somit nach der Forme: E = hc λ Mit c = 2.998 10 8 m s der Lichtgechwindigkeit und h = 6.626 10 34 Js, dem Pankschen Wirkungsquantum fogt: E = 4.38322 10 19 J Im Deokaisationsbereich besitzt das β-carotin N = 22 Eektronen. Mit Hife des Pauiprinzip (nur 2 Eektronen in jedem Energieniveau) git: n g = N 2 = 11 n a = N 2 +1 = 12 Dies entspricht aso einen eektronoschen Übergang von n g = 11 nach n a = 12. Mit den nun bekannten Werten ässt sich die Kantenänge des Potentiatopfes errechnen. Fogende Forme wird dazu verwendet: E = h2 (N+1) 8m e a 2 4
Aufösen nach a: a = h 2 (N+1) 8m e E m e = 9.109 10 31 kg entspricht dem Gewicht eines Eektrons. Einsetzen der bereits bekannten Werte führt zu fogendem Ergebniss: a = 1.7780nm Der theoretische Wert kann über die mittere Bindungsänge und dem Bindungswinke bestimmt werden. Im konjungierten π-system berägt die Bindungsänge s = 139.8 10 12 m und der Bindungswinke120 = π 6. Um die Länge des Deokaisationsgebietes zu bestimmen muss noch mit 21 mutipiziert werden, da N = 22 Eektronrn voriegen und 21 Bindungen. Mit Hife trigonometrischer Eigeschaften git somit: ( π a = 21 cos s 6) = 2.542nm Die prozentuae Abweichung entspricht hierbei 30.06 %. Begründung für die Abweichung Die Abweichung rührt daher, das im Versuch die Vereinfach zum eindimensionaen Potentiatopf verwendet wird. Moeküe sind in der Rege aber dreidimensiona verknüpft und nicht eindimensiona. Aufgrund der hohen Genauigkit der Spektroskopie ist davon auszugehen, dass hier nur verschwindent geringe Messfeher auftreten. 5
3 Bestimmung der Dissoziationskonstante von 2.4 Dinitropheno 3.1 Aufgabensteung Das Absorptionsspektrum von 2.4 Dinitropheno in wässriger, stark akaischer, stark saurere sowie schwach saurer Umgebung zu messen. Daraus ist die Dissoziationskonstante des 2.4 Dinitropheno zu bestimmen. 3.2 Versuchsaufbau Es wird ein Spektrometer, ein Computer, ein Drucker sowie einige Chemikaien. 3.3 Versuchsdurchführung Zuerst wird das Spektrometer mit Wasser kaibriert. Danach wird 50 m der Dinitrophenoösung in ein 100 m Bechergas gegeben. Zunächst wird diese Lösung gemessen. Der Inhat der vorderen Küvette ist nach der Messung kompett in das Bechergas zurückzuführen. Danach werden 0.25 m einer 0.1-moar Sazsäure in das Bechergas gegeben. Die Küvette wird vorgespüt um die Reste der Dinitrophenoösung in das Bechergas überzuführen. Die Küvette wird mit der schwach sauren Lösung befüt und vermessen (der Inhat der Küvette ist nach der Messung wieder zurück zu führen). In das Bechergas werden 0.5 m einer 0.1-moar Natronauge hinzugegeben. Die Küvette wird mit der stark akaischen Lösung befüt und vermessen (der Inhat der Küvette ist nach der Messung wieder zurück zu führen). Zuetzt werden 0.4 m einer 2-moar Sazsäure in das Bechergas zugegeben. Die Küvette wird mit der stark sauren Lösung befüt und vermessen. 3.4 Messdaten (siehe Anhang) 3.5 Reaktionsgeichungen H + 1 2.4 Dinitropheno in Säure 1 6
3.6 Auswertung Der Extinktionskoeffizient ε(λ) kann aus den Messdaten (siehe Anhang)mit fogender Forme berechnet werden. E(λ) A ist aus der Messwerte-Tabee zu entnehmen: ε(λ) A = E(λ) A c 0 (HA) d Zunächst müssen aber für die verschiedenen ph-werte die tatsächich vorhandene Konzentration c 0 im Bechergas ermittet werden: c 0 (HA) = n 0(HA) V Die Voumenänderung und daraus resutierende Änderung der Konzentration ist in fogender Tabee mit den beiden oberen Geichungen berechnet worden. 1 Tabee: Konzentrationen Lösung Stoffmenge Voumen Konzentration neutra (wässrig) 5 10 6 mo 0.05 1 10 4 mo stark akaisch 5 10 6 mo 0.05075 0.985 10 4 mo stark sauer 5 10 6 mo 0.05115 0.978 10 4 mo Damit und der Schichtdichte d = 1cm und den oberen Formen, assen sich die Extinktionskoeffizienten von 5 verschiedenen Weenängen berechnen (für stark akaisch und stark sauer). Fogende Extinktionen und Weenängen werden verwendet (siehe auch Anhang): Weenänge E(λ) neutra E(λ) schwach sauer E(λ) A stark akaisch E(λ) HA stark sauer 320 nm 0.5108 0.5717 0.4702 0.5792 340 nm 0.7898 0.4504 0.9904 0.3651 360 nm 0.9431 0.3363 1.2979 0.1899 380 nm 0.7608 0.1974 1.0915 0.0620 400 nm 0.6658 0.1426 0.9758 0.0169 2 Tabee: Extinktion Mit der obigen Tabee der Extinktionen und den Formen fogt für die Extinktionskoeffizienten: Weenänge ε(λ) A stark akaisch ( mo cm ) ε(λ) HA stark sauer ( mo cm ) 320 nm 4773.6 5922.3 340 nm 10054.8 3733.1 360 nm 13176.6 1941.7 380 nm 11081.2 633.9 400 nm 9906.6 172.8 3 Tabee: Extinktionskoeffizienten 1 sebst erstet mit Inkscape 7
Um nun auf die Dissoziationskonstanteschießen zu können,wird c(a ) und c(ha) benötigt. Um c(a ) zu berechnen wird fogende Forme verwendet: c(a ) = E(λ) neutra d ε(λ) HA c 0 (HA) ε(λ) A ε(λ) HA c(ha) berechne man wie fogt: Somit fogt für die Dissoziationskonstante: c(ha) = c 0 (HA) c(a ) K S = c(h+ ) c(a ) c(ha) = c(a ) 2 c(ha) = c(a ) 2 c 0 (HA) c(a ) c 0 entsprichthierbei derursprüngichenkonzentration von 1 10 4 mo. Somit fogt für die c(a ) und der Dissoziationskonstante: Weenänge c(a ) in mo Für den mitteren K S -Wert K S git: c(ha) in mo 320 nm 7.089 10 5 2.911 10 5 1.68 10 4 340nm 6.588 10 5 3.412 10 5 1.27 10 4 360nm 6.666 10 5 3.334 10 5 1.33 10 4 380nm 6.672 10 5 3.328 10 5 1.33 10 4 400nm 6.663 10 5 3.337 10 5 1.33 10 4 K S = 1 5 5 i=1 Für den pk S -Wert wird fogende Forme verwendet: K S,i = 13.898 10 5 pk S = n(k S ) = 4.9 K S Beispierechnung Am Beispie der Weenänge wird die Dissoziationskonstante berrechnet. Fogende Werte sind aus den Tabeen zu entnehmen: E(λ) A = 0.4702 E(λ) HA = 0.5792 c(a ) = 0.985 10 4mo E(λ) neutra = 0.5108 c(ha) = 0.978 10 4mo Setzt man in fogende Formen ein enthät man die gewünschten Werte: c(a ) = E(λ) neutra d ε(λ) HA c 0 (HA) ε(λ) A ε(λ) HA 5 mo = 7.089 10 c(ha) berechne man wie fogt: c(ha) = c 0 (HA) c(a 5 mo ) = 2.911 10 8
Somit fogt für die Dissoziationskonstante: K S = c(h+ ) c(a ) c(ha) = c(a ) 2 c(ha) = c(a ) 2 c 0 (HA) c(a ) = 16.802 10 5 Feherbetrachtung Der Literaturwert iegt bei 4.09 2 von 2.4 Dinitropeheno. Die prozentuae Abweichung iegt aso bei 19.08 %. Es zeigt sich aso, das Dissoziationskonstanten mit diesem Verfahren reativ genau bestimmt werden können. Die Abweichung zum Literaturwert kann auf Messfeher zurückgeführt werden. 2 http://de.wikipedia.org/wiki/2,4-dinitropheno (17.6.2012) 9