Kinetik Physikalische Chemie Praktikum Photometrische Analyse der Reduktion von Methylenblau mit Ascorbinsäure, Salzsäure und Lösungsmittel Einfluss Author: Mark Hardmeier markh@student.ethz.ch D-BIOL Assistent: Jan Tschopp D-CHAB Abstract In diesem Versuch untersuchen wir die Reduktion von Methylenblau auf Leukomethylenblau. Hierbei interessieren wir uns für die Kinetischen Eigenschaften, wir stellen uns folgende Fragen. Ist die Konzentration vom Reduktionsmittel in diesem Fall Ascorbinsäure relevant für den Verlauf der Reaktion? Wird das Verhältniss von Ethanol und Wasser im Lösungsmittel eine signifikante Rolle für die Reaktionsgeschwindigkeit spielen? Dafür eruiren wir das Absorptionsmaxima von Methylenblau in einem EtOH und H 2 O 1:1 Gemisch, dieses zeigt sich bei 660 nm. Anhand von 5 Lösungen mit unterschiedlichen Ascorbinsäure Konzentration wird gemessen ob die Reaktionsgeschwindigkeit unterschiedlich ist, dabei wird heraus gefunden das sich die Reaktionsgeschwindigkeit linear zur Konzentration an Ascorbinsäure verhält, dies haben wir in einer Funktion dargestellt die lautet. k obs = 0.00024s 1 + 1.2mol s 1 L 1 C Asc. Der Lösungsmittel Einfluss auf die Reaktion wurde auch anhand von 5 Lösungen gemacht wobei sich diese an dem Ethanol Wasser Verhältniss unterschieden, die daraus erhaltenen Resultate kann man in einer exponentiellen Funktion darstellen. k obs = 0.017s 1 + 0.08s 1 e 24 χ EtOH. Somit ist der Einfluss von der Ascorbinsäure Konzentration und vom Ethanol Verhältniss im Lösungsmittel bestätigt. Zürich, April 23, 2015 Mark Hardmeier
Einleitung Kinetik Die Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf von Reaktionen. Hier in unserem Falle schauen wir die Reduktion von Methylenblau. Photometrie Eine Farbe absorbiert Licht, all die Wellenlängen auser diese welche sie reflektiert. Im Falle von Methylenblau absorbiert sie die Blauen Wellen nicht. Darum sehen wir diesen Stoff Blau. Bei der Photometrie misst man die Menge des absorbierten Lichts bei einer bestimmten Wellenlänge. In diesem Versuch werden wir die Zeitliche Veränderung der Absorbtion aus der Transmission berechnen, dafür werden wir folgende Formel verwenden. ( ) Iλ A λ (c) = log 10 (1) I λ (c) λ = Wellenlänge, A = Absorption, I λ = Transmission Referenzlösung, I λ (c) = Transmission Probelösung Experiment Reduktion von Methylenblau Bei diesem Versuch werden wir die Reduktion von Methylenblau zu Leucomethylenblau messen. Diese Reaktion findet in einem Saueren Millieu statt, als Redox Partner stellen wir Ascorbinsäure zur verfügung. Diese Reaktion erfolgt exponentiell und kann wie folgt mathematisch ausgedrückt werden. [MB] t = [MB] 0 e k eff t (2) [MB]=Konzentration Methylenblau, [MB] t =Konzentration Methylenblau beim Zeitpunkt t, k eff =Effektive Gleichgewichtskonstante. Figure 1: Redox von Methylenblau und Leukomethylenblau Geschwindigkeits Gesetz Es wird empfohlen das folgende empirische Geschwindigkeits Gesetz zu verwenden. Dieser ist abhängig von den Konzetrationen von Methylenblau = MB, Ascorbinsäure = Asc und Salzsäure ETH Zürich 1 4. Semester
= HCl, k obs =Beobachtete Gleichgewichtskonstante. d[mb] ( = k 0 1 + a[hcl] ) [Asc][MB] = k obs [MB] (3) dt 1 + b[hcl] Einrichtung Chemikalien Als Lösungsmittel wurden deionisiertes Wasser und Ethanol, puriss. p.a., 99.8% von Fluka genommen. Für die ansäuerung der Lösung wurde eine HCl Ampulle in 1000 ml deion. Wasser verdünnt die erhaltene Lösung hatte die Konzentration 1 mol/l, die Ampulle wurde von Merck gekauft. Die HCl-Lösung wurde vom Assistenten hergestellt und bereitgestellt. Die Methylenblau Probelösung wurde auch vom Assistenten bereitgestellt. Apparatur Für die Ermittlung der Transmissionsspektren wurde ein thermostatisierbarer Einstrahlspektrophotometer (Spectronic 70) von Bausch & Lomb gebraucht mit Küvettenhalterung, welche sich auf eine Schiebevorrichtung befand. An dem Photometer angeschlossen sind, ein Lauda Ecoline E 100 Thermostat mit Lauda Ecoline E 003 Edelstahlbad, ein Lenovo ThinkPad E130 Laptop-Computer für die Aufzeichnung der Daten und noch ein Analog/Digital Interface ADC 23 bit. Für die Verdünnungen und Lösungen wurden Messkolben der grössen 1000 ml, 500 ml, 100 ml und 50 ml gebraucht. Zum Arbeiten haben wir auch noch einen 600 ml Messbecher und zwei Vollpipetten, 20 ml und 10 ml gebraucht. Für die Messung werden 2, 5 cm breite, Küvetten aus Spezialglass verwendet. Figure 2: Einstrahlphotometer Skizze ETH Zürich 2 4. Semester
Durchführung Absorptionsmaxima finden Da wir unsere Messung bei einer Wellenlänge bestimmen werden, müssen wir herausfinden wo das Absorptionsmaxima von Methylenblau ist. Dafür wird man immer eine Referenzlösung und eine Methylenblaulösung messen es werden immer die gleichen zwei Lösungen gebraucht. Diese Messungen werden von 700 nm bis und mit 400 nm in 10 nm Schritte gemessen. Die Erhaltenen Resultate (siehe Anhang) werden in der Formel A λ (c) = log 10 (I λ /I λ (c)) eingesetzt und ein Diagramm daraus geplottet. Ascorbinsäure Konzentration und Reaktionsrate Bei diesem Experiment untersucht man das Verhalten der Reduktion von Methylenblau im Verhältnis zu der Konzentration an Ascorbinsäure. Dafür werden mehrere Lösungen mit verschiedenen Ascorbinsäure Konzentrationen hergestellt und diese im Photometer gemessen. Die Konzentrationen reichen von 0.005 M bis 0.05 M und es werden 5 Lösungen hergestellt. Als Lösungsmittel wird eine 1:1 EtOH:H 2 O Mischung gebraucht die ist auf 0.1 M mit HCl angesäuert. Die Messung erfolgt so, man füllt die Küvette mit der Lösung auf und misst sie eine halbe Minute im Photometer. Danach wird die Küvettenschiene halb ausgefahren so dass der Lichtstrahl vollkommen unterbrochen wird, dies wird auch während einer halben Minute aufgenommen. Schnell wird dann Methylenblau in die Küvette hineinpipettiert, gut vermischt und wieder in den Photometer geschoben. Es wird geachtet das bei jeder Messung ungefähr die gleiche Menge an Methylenblau hineinpipettiert wird. Die Messungen wurden gestoppt sobald man eine stabilisierung der Transmission beobachtete. Die erhaltenen Kurven werden mit dem R-Skript KTK.R berechnet aus den daraus erhaltenen Parameter ist das C für uns relevant, es entspricht dem k obs [MB] aus der Formel 3. Die k obs [MB] werden den entsprechenden Ascorbinsäure Konzentrationen zugeordnet und in einem Diagramm gezeichnet. Lösungsmittel Einfluss Bei diesem Versuch will man den Einfluss beobachten welcher das Lösungsmittel Verhältniss auf die Reaktion hat. Dabei stellt man 5 Lösungen mit unterschiedlichen EtOH:H 2 O Verhältnis. Diese Lösungen enthalten eine HCl Konzentration von 0.1 M und eine Ascorbinsäure Konzentration von 0.1 M. Die Ethanol Konzentrationen reichen von 1% - 20% es werden 5 Lösungen hergestellt. Der Ablauf der Messungen geschieht gleich wie bei der Ascorbinsäure Konzentration und Reaktionsrate Messung. Resultate Absorptionsmaxima finden Aus dem gezeichneten Plot kann man gut nachvollziehen dass das Absorptionsmaxima bei 660 nm liegt. Das bedeutet dass wir jede Analyse bei dieser Wellenlänge machen sollten. ETH Zürich 3 4. Semester
Absorption PC Praktikum KTK M. Hardmeier 2,5 Absorptionsmaxima 2 1,5 1 0,5 0 700 690 680 670 660 650 640 630 620 610 600 590 580 570 560 550 540 530 520 510 500 490 480 470 460 450 440 430 420 410 400 Wellenlänge Figure 3: Berechnete Absorptionen für die verschiedene Wellenlängen berechnet aus den Stromstärken des Photometers. Ascorbinsäure Konzentration und Reaktionsrate Figure 4: k obs [MB] gegen Ascorbinsäure Konzentration Plot Die Reaktiongeschwindigkeit verhaltet sich linear zu der Konzentration der Ascorbinsäure somit kann man die Reduktion von Methylenblau zu Leokomethylenblau eine Reaktion erster ETH Zürich 4 4. Semester
Ordnung zusprechen. Das entsprechende Modell das aus den Daten berechnet wurde ist eine Liniare Funktion, wobei der Achsenabschnitt 0.00024 s 1 entspricht und die Steigung 1.2 mol s 1 L 1. Lösungsmittel Einfluss Figure 5: k obs gegen Molenbruch Ethanol:Wasser PLot für messung des Lösungsmittel Einflusses Der Ethanol Anteil hat einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Zu sehen ist desto grösser der Ethanol Anteil des Lösungsmittel ist, desto langsamer verläuft die Reaktion. Das aus den Daten erhaltene Modell ist k obs = A + B * e C χ EtOH wobei A, B und C folgenden Werten entsprechen. Referenzen Parameter Wert Abweichung A 0.017 s 1 0.005 B 0.08 s 1 0.005 C -24 5 1 E. Meister, Grundpraktikum Physikalische Chemie, 2. Aufl., vdf Hochschulverlag AG, an der ETH, Zürich, 2012 2 R-Skripts: E. Meister, http://www.lpc.ethz.ch/lehre/praktikum/r 3 http://de.wikipedia.org/wiki/kinetik (Chemie) ETH Zürich 5 4. Semester