Protokoll Basismodul Chemie I, Praktikum: Oxidation, Reduktion und ph-abhängige Redoxpotentiale Veranstalter: Dr. Ulrich Neuert Jörg Mönnich () Betreuer: Carolin, Christian Versuchstag: Mittwoch, 09.03.2005
Oxidation, Reduktion und ph-abhängige Redoxpotentiale Einleitung Eine O xidation ist ein Prozess, bei dem einem Atom Elektr onen entzogen werden. Bei einer Reduktion werden einem Atom Elektronen zugeführt. Im Allgemeinen spricht man von Elektronenabgabe bz w. -aufnahme. Weder Oxidation noch Reduktion können für sich a llein auftreten. Die Elektronen, die einem Atom entzogen werden, werden einem anderen zugeführt. Diese Kopplung wird Reduktions - Oxidations-Reaktion oder kurz: Redox-Reak tion genannt. Ein einfaches Beispiel ist das Kochs alz (NaCl): Bei der Bildung aus Natrium und Chlor werden dem Natrium Elektronen entzogen und dem Chlor zugeführt. Das Natrium wird folglich oxidiert und das Chlor wird reduz iert. Dies führt zu zwei weiteren Begriffen: Eine Substanz, die dem Reaktionspartner Elektronen entzieht, somit seine Oxidatio n bewirkt und dabei selbst reduziert wird, wir d Oxidationsmittel genannt. Im umgekehrten Fall ist die Substanz, die s elbst oxidiert wir d das Re duktionsmittel. Für das genannte Beisp iel gilt also, dass das Chlor das Oxidations mittel und Natrium das Reduktions mittel ist. Erklären lässt sich eine Oxidation bzw. Reduktion mit dem Begriff der Oxidationszahl. Die Oxidationszahl leitet sich in den meisten Fällen (es gibt als o Ausnahmen; siehe unten) von der Ladung des von einem Atom abgeleiteten Ions ab. Bei einer Oxidation verringert sich die Oxidationszahl, bei ei ner Reduktion erhöht sie sich. Unge bundene Atome und Elemente besitzen die Ox idationszahl 0. Die Summe der Oxidationszahlen in einer ungeladenen Verbindung ist ebenfalls 0. Addiert man alle Oxidationszahlen einer Verbindung, muss die Gesamtladung der Ionenladung des Moleküls entsprechen. Aus nahmen b ilden zum Beispiel die Dis- und Komproportionierung. Bei der Dispropor tionierung erlangt ein Reaktionspartner mittlerer Oxidationsz ahl w ährend der Reaktion gleic hzeitig eine höhere und ein e niedrigere Oxidation sstufe. Eine Reaktion, bei welcher aus der niedrigen und höheren Oxidations stufe wieder ein Stoff mit mittler er Oxidationszahl wird, bezeichnet man als Kompropor tionierung. Auf diesen Er kenntnissen beruhen die im Folgenden Versuche. - 1 -
Material, Methoden s. Praktikumsskript Ergebnisse, Messwerte I. Oxidationswirkung von Iod Nach Zugabe von I odwasser zu Natriu msulfidlösung ist keine Verfärbung zu erkennen. Gibt man Natriumthiosulfat zu Iodwasser, entfärbt sich die zuerst bräunliche Flüssigkeit. II. Disproportionierung von Iod Die zunächst bräunliche Iod/Kaliumiodidlös ung entfärbt sich und klart auf, wenn sie mit NaOH versetzt wird. Gibt man ansc hließend verdünnte H 2 SO 4 hinz u, färbt sich die Lösung gelb. III. Redoxpotentiale der Halogene Durch die Unterschic htung mit Dichlorme than entstehen zwei Phasen. Gibt man Chlorwasser zu dieser Lösung, bildet sich unter Schütteln schon nach einem Tropfen eine gelbe Flüssigkeit, die sich in der unteren Phase absetzt. Die zweite Probe färbt sich gelb. Bei der dritten Probe ist eine braune Färbung zu erkennen. Auch bei der letzten Probe bilden sich z wei Phasen. Die obere ist gelb, die untere violett. IV. Iod-Stärke-Komplex Nach Zugabe von Stärke zur hergestellten Lösung färbt sich diese blau. Erhitzt man nun die Lösung, nimmt sie di e ursprünglic he Farbe an. Na ch dem Abkühlen unter fließendem Wasser wird sie wiederum blau. V. Iodometrische Bestimmung von Wasserstoffperoxid Bei drei Titrationen wurden folgende Mengen 0,1 molarer Thiosulfat-Lösung titriert: 11,75 ml, 11,7 ml und 11,75 ml. Die ermittelte Menge H 2 O 2 ist 199,56 mg. - 2 -
VI. ph-abhängige Redoxpotentiale Herstellung von p-benzochinon: Werden Hydrochinon und Kaliumbromat zusammen erhitzt, tritt eine rötliche Färbung auf. Gibt man Schwefelsäure hinzu und er hitzt wiederum, stellt sich eine gelbe Färbung ein. Nach Abkühlun g und Trocknung bleibt ei n gelber Niederschlag zurück, welcher eine Masse von 1,1 g hat. ph-abhängiges Redoxsystem p-benzochinon/hydrochinon: Die Iod/Iodkaliumlösung ist nach dem Ve rsetzen mit Stärkelösung zunäc hst blau. Gibt man Benzochinonlösung hinzu, färbt si ch die Flüssigkeit gelb (Reagenzglas 1). Gibt man Hydrochinonlösung hinzu, ist ein Farbumschlag von blau auf farblos und klar zu beobachten (Reagenzglas 2). Die Lösung aus Stärk elösung, KI-Lösung und verdünnt er H 2 SO 4 ist zunächst farblos und klar. Nach Zugabe von Benzochinon färbt sie sich blau (Reagenzglas 3), nach Zugabe von Hydrochinon bleibt sie farblos (Reagenzglas 4). Auswertung, Diskussion I. Reaktionsgleichungen: Na 2 S + I 2 2 Na + + S + 2 I - Die Oxidationszahl des I 2 (0) verringert sich auf -I. Das Iod wird somit reduziert und ist damit das Oxidationsmittel. 2- I 2 + 2 S 2 O 3 2 I - 2- + S 4 O 6 Auch in diesem Fall verringer t sich die O xidationszahl des Iods. Es wird wied erum reduziert. II. Reaktionsgleichung: Nach der Z ugabe von NaOH disproportionier t das Iod. Die Lösung wird farblos, weil Iodid in Lösung farblos ist. Gibt man nun Schwefelsäure hinzu, Komproportioniert das Iod; die Lösung wird wieder gelb-bräunlich. Die Reaktionsgleichung hierfür: - 3 -
III. Lösung 1: 2 Br + Cl 2 Br 2 + 2 Cl - Das Brom wird oxidiert, das Chlor r eduziert. Da das Brom, wie auch das Dichlormethan unpolar ist, löst es sich in diesem und löst die Färbung in der unteren Phase aus. - Lösung 2: 2 I - + Cl 2 I 2 + 2 Cl - Das Iodid aus der KI-Lösung wird zu Iod oxidiert und das Chlor wiederum reduziert. Durch das Iod in der Lösung färbt sich diese gelb. - Lösung 3: 2 KI + Br 2 I 2 + 2 KBr Das Brom wird reduz iert und au ch hier wird Iodid oxidiert. Durch das Iod wird die Färbung verursacht. - Lösung 4: Die zwei Phasen sind zunächst farblos. Gibt man unter Schütteln Chlorwasser hinzu, werden Brom und Iod oxidiert. I 2 und Br 2 entstehen. Da Brom sich besser als Iod in der wässrigen Phase löst, sind einige Teilc hen in der oberen Phase gelös t. In der unteren Phase befinden sic h hauptsächlich Iod und etwas Brom. Daher die dunklere Färbung. Die Reaktionsgleichungen sind aus Lösung 1 und 2 zu entnehmen. IV. Stärke besitzt eine spiralförmige Stru ktur. Die blaue Färbung der Iod-Stärke- Lösung entsteht durch Einlager ung von Iod in die Windungen der Stärke. Durch Hitzeeinwirkung zerfällt der Iod-Stärke-K omplex, da sich die räumliche Struktur ändert. Beim Abkühlen bildet sich die Spiralstruktur wieder aus und das Iod kann sich wieder einlagern. Die Lösung färbt sich erneut blau. V. Aus den im Materialteil ermittelten Werten ergibt sich ein Mittelwert von 11,73. Berechnung der Menge an Wasserstoffperoxid: c = 0,1 g/mol Thiosulfat n= c V = 0,1 11, 73 = 1,173 M ( HO) = 34,015 g/ mol 2 2 m= n M = 1,173 34, 015 39,91-4 -
Wegen der Verdünnung muss dieser Wert mal zehn genommen werden und da mit S 2 O 2-3 titriert wurde, mit zwei multiplizier t werden. Damit kommt man auf einen Wert von 39,91 10 = 199,56mg. 2 VI. Herstellung von p-benzochinon: Nach Mischung von Hydrochinon und Kaliumbromatlösung wir d diese Mischung erhitzt. Während dies er Erhitzung entsteht Bromid und Wasser. Damit das Bromid als O xidationsmittel wirken k ann, muss di e entstandene Lösung mit Schwefelsäure versetzt werden. Um die 1,5 ml der 0,5 molaren Schwefelsäure her zustellen, werden 1, 5, also 0,375 ml Schwefelsäure mit 1, 125 ml Wasser gemischt. Die Bildung von 4 Benzochinon muss in saurem Milieu st attfinden, da das Hydrochinon nur in Anwesenheit von H + -Ionen reagiert. Nach Abkühl ung und Trock ensaugen auf dem Büchnertrichter entsteht ei n gelbes Pulv er: Das Benz ochinon. W ägung ergibt eine Stoffmenge von 1,11 g. Berechnung der theoretischen Ausbeute: Ausgangswert: 0,8 g Eigengewicht Hydrochinon: 110,112 g/mol 0,8g Somit ergibt sich eine theoretische Ausbeute von = 0, 00727 mol. 1 110,112g mol Berechnung der tatsächlichen Ausbeute: 1,11g 110,112 = 1 g mol 0,01mol. 0,01 mol entsprechen 138,75% der theoretischen Aus beute. Da dies natürlich nic ht sein kann, ist diese enorme Abweichung damit zu erklären, dass das entstandene Pulver nicht vollständig getrocknet war. ph-abhängiges Redoxsystem p-benzochinon/hydrochinon: Reagenzglas 1: Der Farbumschlag v on blau nach gelb war eigent lich nicht zu erwarten, da Benzochinon und Iod in oxidiertem Zu stand vorliegen. Im Neutralen reagiert Benzochinon also nicht mit dem Iod. Eine Erklärung könnte sein, dass, da die - 5 -
Spatelspitze vorher mit Hydrochinon in Ber ührung kam und danach nicht gereinigt wurde, eine Verunreinigung mit Hydrochinon vorliegt. Reagenzglas 2: Der Farbumschlag v on blau nach farblos und klar is t die Folge der Reakt ion, die zwischen Hydrochinon und Iod abläuft. Hy drochinon ist in diesem Falle das Oxidationsmittel und Iod das Reduktionsmittel. Die Reaktionsgleichung: I 2 + C 6 H 6 O 2 C 6 H 4 O 2 + 2 H + blau farblos Reagenzglas 3: Hier gibt es einen Farbumschlag von klar nach blau. Hierbei reagiert Benzochinon als O xidationsmittel mit Iodi d-ionen, dem Reduktions mittel. Die Oxidation von Iodid zu Iod ist durch die zugesetzte Stärke für die Blaufärbung v erantwortlich. Die Reaktionsgleichung: 2 I - + C 6 H 4 O 2 + 2 H + I 2 + C 6 H 6 O 2 farblos blau Reagenzglas 4: In diesem Reagenz glas pass iert nichts, da Hydrochinon und Iodid-Ionen in reduziertem Zustand vorliegen. - 6 -