SKR2011_arbeitstechnik+sicherheit_organ

ARBEITSTECHNIK UND SICHERHEIT IM
ORGANISCH-CHEMISCHEN LABOR
Sicherheit und Gefahren
Diese Sicherheitsregeln sind Voraussetzung für ein reibungsloses und erfolgreiches Arbeiten in
den Übungen. Sie müssen daher durchgearbeitet und angewendet werden.
Vor Beginn der praktischen Arbeit wird die Kenntnis dieser Anleitung zur Sicherheit und
Arbeitstechnik im organisch-chemischen Labor durch Unterschrift bestätigt. Ein mehrmaliges
Zuwiderhandeln hat den Ausschluss aus den Übungen zu Folge.
Die Arbeit im chemischen Laboratorium birgt viele Gefahren in sich.
Fehlverhalten beim chemischen Arbeiten gefährdet stets auch andere. Im Labor
sind daher immer Labormantel (nicht aus Kunststoff) und Schutzbrillen zu
tragen. Offene Flammen sind in der Nähe von brennbaren Flüssigkeiten zu
vermeiden. Sollte es dennoch zu einem Brand kommen, verwendet man zum
Löschen die unter den Waschbecken angebrachten Kohlensäurelöscher, bei
Kleiderbränden die Löschduschen in den Türdurchgängen.
Glasapparaturen müssen sicher und spannungsfrei aufgestellt werden. Brechendes Glas führt
leicht zu Schnittverletzungen. Besonders beim Aufziehen von Schläuchen und beim Abwaschen
ist hier Vorsicht geboten.
Beim Umgang mit Chemikalien mache man es sich zur Gewohnheit, alle
chemischen Verbindungen mit der gleichen Sorgfalt wie gesundheitsschädliche
Stoffe zu behandeln: Dies erfordert insbesondere sauberes Arbeiten, bei dem das
Verschütten, Verschmieren und Verstäuben (besonders im Bereich der Waage), vor
allem aber der Körperkontakt vermieden werden soll. Lebensmittel sind nur
außerhalb des Labors und nach sorgfältiger Reinigung der Hände zu sich zu
nehmen. Außerdem besteht im Labor sowie im gesamten Gebäude strengstes
Rauchverbot.
Alle gefährlichen Stoffe sind nach internationalem Muster
gekennzeichnet, die Gefahrenzeichen und die R- und S-Sätze
(Hinweise auf besondere Gefahren) sind im Labor angeschlagen.
Wichtig für die tägliche Laborpraxis sind die Gefahrenzeichen für die
geringste Gefahrenstufe, Warnung/Gefahr (früher: X-Symbol, neu ab
2009:
Rufzeichen
oder
Person),
sowie
Gefahr/Giftig
(Totenkopfsymbol), Gefahr/Entzündlich (Flammensymbol) und
Gefahr/Ätzend (2 Reagenzgläser).
Im Rahmen der Übungen sind folgende Gefahrenklassen von Bedeutung
a) Leicht entzündlich: Experimente mit Aceton, Essigester, Ethanol, Toluen, Cyclohexan.
Sicherheitsvorschrift: Flaschen nicht in die Nähe offener Flammen bringen oder neben heiße
Kochplatten stellen, beim Erhitzen Rückflusskühler verwenden. Bei Entzündung in den
Ausguss oder den Abzug gießen und mit viel Wasser nachspülen. Bei Kleiderbränden die
Löschduschen in den Eingangstüren verwenden.
b) Ätzend: Konzentrierte Säuren und Laugen (Schwefel-, Salz-, Salpetersäure, Eisessig,
Natronlauge etc.).
Sicherheitsvorschrift: Keine Säure- und Laugenspritzer am Arbeitstisch verteilen bzw. sofort
aufwischen. (Wie verdünnt man z.B. Schwefelsäure?). Achtung auf die Stopfen! Schutzbrillen
verwenden, bei Hautkontakt sofort mit viel Wasser abwaschen und bei sichtbaren Verätzungen
möglichst bald den Arzt aufsuchen.
c) Giftig: z.B. Anilin.
Sicherheitsvorschrift: Hautkontakt vermeiden bzw. schnellstens mit Wasser abwaschen, da z.
B. Anilin auch durch die unverletzte Haut resorbiert werden kann.
Abfallentsorgung
Lösungsmittel: Alle organischen Lösungsmittel werden in zwei Behälter gesammelt, und zwar
getrennt als halogenierte (z.B. Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff) und nichthalogenierte (z. B.
Toluen, Cyclohexan) Lösungsmittel. Bitte streng auf die Beschriftung achten und im
Zweifelsfall zu den halogenierten Lösungsmitteln gießen.
Aceton wird, da es in großen Mengen zum Waschen verwendet wird, gesondert in den im
Abguss befindlichen Kanistern gesammelt.
Feststoffe: Organische Feststoffe werden in eigenen Behältern zur späteren Entsorgung
gesammelt, ebenso kommen hier die giftigen anorganischen Feststoffe hin. Für manche Stoffe
gibt es ein eigenes Gefäß, da diese Substanzen weiterverwendet werden. Ungiftige anorganische
Stoffe wie Natriumsulfat, Aluminiumoxid, Seesand etc. können in die allgemeinen
Abfallbehälter entsorgt werden.
Erste Hilfe
Es wird vorausgesetzt, dass die wichtigsten Regeln allgemein bekannt sind. Bei allen
Verletzungen ist der/die jeweilige Praktikumsleiter/in zu verständigen. Größere
Schnittwunden sollten auf jeden Fall vom Arzt behandelt werden. Verätzungen werden lange mit
viel laufendem Wasser gespült (spezielle Augendusche verwenden), ebenso kleinere
Verbrennungen. Größere Verbrennungen werden nur steril abgedeckt. Chemikaliengetränkte
Kleider müssen möglichst bald abgelegt werden (Gefahr der Hautresorption!) Informieren Sie
sich, wo sich im Labor die Verbandskästen befinden!
Zusammenfassung der wichtigsten Verhaltensregeln

Vor jedem Versuch muss die Versuchsanleitung vollständig durchgelesen werden. Es muss
klar sein, wie und womit der Versuch durchgeführt wird, da sonst durch Unkenntnis Gefahren
drohen.
 Die Arbeitsvorschriften und Sicherheitsanordnungen müssen eingehalten werden, denn sie
sind begründet. Keine eigenen Forschungen und Experimente durchführen! Informieren Sie sich
über die jeweiligen Sicherheitseinrichtungen des Labors.
Schutzbrillen sind beim Erhitzen, beim Arbeiten mit Vakuum (Rotavapor, absaugen) und bei
Experimenten, wo heftige Reaktionen zu erwarten sind, stets zu tragen.
 Zum Pipettieren immer die Pipettierhilfe verwenden. Nicht mit dem Mund pipettieren.
 Bei allen Experimenten auch an die (oft ahnungslosen) Labornachbarn denken und sie nicht
gefährden. Umgekehrt auch auf die experimentierenden Labornachbarn achten, um bei Gefahren
vorbereitet zu sein.
 Im Labor nicht essen und trinken. Es besteht im gesamten Gebäude strengstes Rauchverbot!
 Bei Zwischenfällen nicht den Kopf verlieren, sondern ruhig überlegen, was zu tun ist.
 Schwangeren ist der Aufenthalt und das Arbeiten im Labor untersagt.
Protokollführung
Bei den organisch-chemischen Übungsbeispielen stehen nicht nur die Messdaten im
Vordergrund, sondern vor allem die Beschreibung des Experiments.
Während des Experiments protokollieren Sie alle Daten und Beobachtungen sofort in Ihr
Laborjournal.
Diese Daten werden dann nach Beendigung des Experiments auszugsweise in das
Laborprotokoll-Blatt übertragen. Diagramme sind beizulegen. Das Protokoll wird spätestens
am nächsten Labortag abgegeben.
Beschreibung der Messdaten und Beobachtungen
 Alle Mengen-, Zeit- und Temperaturangaben werden in den korrekten Dimensionen
(Molmassen, Molmengen, Konzentrationen) mit mathematisch relevanten Kommastellen
angegeben.
 Benutzten Chemikalien werden exakt angegeben (Strukturformeln, Namen)
eine kurze Diskussion der Ergebnisse (3-5 Zeilen)
beim Auftreten von Fehlern (Unreinheit, Ausbeuteverlust, …) als Fehleranalyse den
Hinweis auf kritische Versuchsteile - aber nur auf diese! (Temperaturkontrolle, Zeiten,
Reagenzieneinfluss, Mengenverhältnisse etc) beschreiben. Allgemeine Statements sind zu
unterlassen.
Theoretische Lehrbuchweisheiten haben im Protokoll nichts zu suchen.
Glas im Laboratorium - Standardgeräte
Glas ist das am häufigsten verwendete Material im Labor. Der Grund: Es ist durchsichtig,
verformbar, chemikalienresistent, porenfrei und relativ temperaturbeständig. Nachteil: geringe
Bruchfestigkeit bei Stößen und starken Temperaturschwankungen. Im Labor werden in der
Hauptsache zwei verschiedene Glassorten verwendet:
Dünnwandiges Glas für Reaktionsgefäße:
Die verwendeten Glassorten (z.B. Duranglas) haben zwar geringe
thermische Ausdehnungskoeffizienten und sind sehr dünnwandig
hergestellt. Trotzdem: Plötzliches Erhitzen oder rasches Abkühlen ist
zu vermeiden!
Chemisch wird Glas besonders stark von heißen, konzentrierten Laugen angegriffen.
Dünnwandige Reaktionsgefäße mit flachem Boden (z.B. Erlenmeyerkolben) dürfen nicht
evakuiert werden, da Implosionsgefahr besteht. Nur dünnwandige runde Gefäße wie z.B.
Rundkolben sind zum Evakuieren und Erhitzen geeignet.
Dickwandiges Glas für Unter- bzw. Überdruck:
Diese Glassorte (insbesondere Saugflaschen) ist wegen ihrer Dicke nicht zum
Erhitzen geeignet. Die Gefäße können aber trotz ihres flachen Bodens evakuiert
werden.
Achtung: Beim Erwärmen besteht Implosionsgefahr.
Reaktionsgefäße
Das einfachste, älteste und unentbehrlichste Reaktionsgefäß ist das Reagenzglas.
Bei der Benutzung halte man das Reagenzglas immer so, dass eventuell
herausspritzende Chemikalien weder den Körper des Nachbarn noch den eigenen
treffen können!
Für größere Volumina verwendet man Erlenmeyerkolben und Bechergläser.
Soll beim längeren Erhitzen ein Flüssigkeitsverlust vermieden werden, so besteht
im einfachsten Fall die Apparatur aus einem Rundkolben mit aufgesetztem
Rückflusskühler. Im Rückflusskühler kondensiert die verdampfte Flüssigkeit und
fließt wieder in den Kolben zurück (= unter Rückfluss erhitzen). Muss
Luftfeuchtigkeit vom Reaktionsgut ferngehalten werden, setzt man ein
Trockenrohr (mit Calciumchlorid gefüllt) auf den Kühler.
Glasverbindungen
In zusammengesetzten Glasapparaturen werden Schliffgeräte benutzt, wobei als
Verbindung zwischen den einzelnen Elementen meist Kegelschliffe in genormten
Größen (vorzugsweise NS 29 und NS 14.5) fungieren. Vor dem Zusammensetzen
der Teile wird der Schliffkern sparsam im oberen Drittel mit Schlifffett eingefettet
(Dichtung).
Zur Halterung der Glasapparaturen dienen Stative, an denen mit
Muffen geeignete Klemmen und Ringe befestigt werden, die
ihrerseits die Apparaturen tragen. Sorgfältiger Aufbau und
vermeiden von Verkanten, das zu Spannungen führt, ist sehr
wichtig.
Abmessen von Flüssigkeiten - Messgefäße
Das exakte Abmessen von Lösungsvolumina ist bei allen quantitativen Arbeiten notwendig. Bei
vielen Operationen ist es jedoch nicht notwendig, die Menge ganz genau zu bestimmen (z.B. für
Lösungsmittel in der Synthese oder qualitative Reaktionen). Hier reicht es meist schon aus, die
Volumsangaben an Erlenmeyerkolben und Bechergläsern zu benutzen. Bei Eprouvetten
(Reagenzgläser) gilt als Faustregel, dass eine Fingerbreite (ca. 1 cm) 1-2 Milliliter entspricht.
Eine halbvolle Eprouvette enthält ca. 10 mL.
Zur exakten Volumenmessung werden die auf Einguss geeichten Messzylinder (Mensuren) und
Maßkolben sowie die auf Ausguss geeichten Pipetten und Büretten verwendet.
Messzylinder
haben
nur
eine
geringe
Messgenauigkeit, mit Maßkolben können bei
sorgfältigem und genauem Ablesen (waagrechte
Ablesung des Flüssigkeitsmeniskus) exakte Werte
erhalten werden.
Maßkolben dienen zur Herstellung von Maßlösungen und zum Verdünnen von Lösungen auf
ein genau definiertes Maß.
Pipetten sind gläserne Saugrohre, die entweder die Abmessung eines einzigen definierten
Flüssigkeitsvolumen
erlauben
(Vollpipetten),
oder
die
Abmessung
definierter
Flüssigkeitsmengen gestatten (Messpipetten). Zur Abmessung wird die Pipette mit dem in eine
Spitze auslaufenden Ende in die Flüssigkeit getaucht, die abgemessen werden soll, und zwar tief
genug, um beim späteren Aufsaugen keine Luftblasen einzusaugen.
Um Messfehler und Vergiftungen zu vermeiden, wird mit einer
Pipettierhilfe (z.B. Peleusball) soweit angesaugt, dass der
Flüssigkeitsmeniskus die Eichmarke berührt (Achtung: nie mit dem
Mund ansaugen! Nicht in den Ball hineinsaugen und beim Einschieben
der Pipette diese nicht tiefer als 1 cm in den Peleusball hineinstecken, da
sonst das erste Ventil zerstört wird!). Zum Entleeren der Pipette wird
diese senkrecht über das Aufnahmegefäß gehalten, unter dauerndem
Anlegen ihrer Ablaufspitze an dessen Wandung. Etwa 20 Sekunden,
nachdem sich die Pipette entleert hat, wird ihre Spitze an der Gefäßwand
abgestrichen (nicht ausblasen).
Unter Büretten versteht man Messpipetten, die an ihrem unteren Ende einen regulierbaren
Auslauf besitzen. Eine Beschreibung der Büretten finden Sie im Beispiel "Gasgesetze und
Glasbearbeitung".
Die Titration einer vorgegebenen Lösung erfordert ein sehr langsames Zugeben aus der Bürette
(tropfenweise) besonders am Ende der Titration, da es sonst zu merklichen Fehlern kommen
kann.
Die Ermittlung des Reaktionsendpunktes oder des Äquivalenzpunktes erfolgt meist mit
Indikatoren, die einen Überschuss an Reagenslösung durch Farbumschlag anzeigen.
Grundlegende chemische Operationen
Extraktion
Ausschütteln: Hierbei handelt es sich um das Verteilen einer oder mehrerer Substanzen zwischen
zwei Lösungsmittelphasen; einer hydrophilen (meist wässrigen) und einer lipophilen
(organischen). Die gelösten Substanzen reichern sich entsprechend ihrem eigenen hydrophilen
oder lipophilen Charakter (= Polarität) vorwiegend in der gleichartigen Phase an. Kräftiges
Schütteln beschleunigt den Prozess.
Ziel des Ausschütteln ist es, bestimmte Substanzen mit einem Minimum an
Lösungsmittel vollständig in eine Phase zu überführen, um eine Reinigung oder
Trennung zu erzielen. Das wird erreicht, wenn man die Gegenphase mehrmals mit
kleinen Portionen behandelt, anstatt einmal ein großes Volumen einzusetzen.
Im Allgemeinen extrahiert man wässrige Lösungen oder Emulsionen beim ersten Mal
mit etwa einem Drittel, dann jeweils ca. mit einem Viertel des Volumens an
organischem Lösungsmittel. Geeignete lipophile Extraktionsmittel sind z.B. Ether,
Petrolether, Toluen, Essigester, Chloroform. Der Schütteltrichter (auch Scheidetrichter
genannt) muss einen gut passenden Glas- oder Teflonhahn und Glasstopfen haben
(Dichtungsfett ist meist rasch herausgelöst).
Durchführung: Der Schütteltrichter ist so groß zu wählen, dass etwa ein Drittel des Inhalts leer
bleibt. Er wird in einen stabilen Stativring eingehängt. Unter den Trichterauslauf stellt man stets
ein größeres Gefäß als Sicherheitsauffanggefäß. Die Flüssigkeiten werden durch einen Trichter
eingegossen und dann der Schliff mit dem Stopfen verschlossen. Man fasst den Schütteltrichter
so an, dass gleichzeitig Stopfen und Hahnküken mit beiden Händen fixiert werden. Flüchtige
Lösungsmittel entwickeln beim Mischen einen erheblichen Überdruck. Man hält deshalb den
Schütteltrichter zum Ausschütteln anfangs mit dem Hahn schräg nach oben, belüftet, schwenkt
kurz, belüftet wieder und wiederholt, bis nach stärkerem Schütteln der Druckausgleich erreicht
ist. Beim Schütteln von Carbonaten und Säuren ist höchste Vorsicht geboten! Beim Belüften
werden stets auch Flüssigkeitsreste ausgepritzt, daher ist das Auslaufrohr vom Körper weg zu
halten (Schutzbrille).
Nachdem ca. eine Minute geschüttelt wurde, hängt man den Trichter in den Ring, entfernt den
Stopfen und wartet dann, bis sich die Phasen klar getrennt haben, lässt die schwerere Phase
auslaufen und gießt, wenn nötig, die leichtere Phase durch den oberen Schlifftubus aus. Der oft
langwierige Prozess der Phasentrennung kann dadurch beschleunigt werden, dass man die
Unterphase, soweit sie klar ist, ablässt und dann den Trichter ruckweise um die Längsachse
dreht.
Organische Lösungen, die mit Salz-, Säure- oder Basenlösung ausgeschüttelt wurden, muss man
mit etwas Wasser nachwaschen. Vor dem Eindampfen der organische Phase bindet man das
restliche im Lösungsmittel noch vorhandene Wasser mit einem Trockenmittel (siehe
Abschnitt Trocknen).
Erhitzen
Nichtbrennbare Flüssigkeiten in Reagenzgläsern werden mit einer Heißluftpistole
direkt erhitzt (näheres siehe Beispiel "Gasgesetze und Glasbearbeitung".)
Bei längeren Kochzeiten wird auf elektrischen Heizplatten erhitzt, die größere
Betriebssicherheit, aber auch größere Trägheit besitzen. Bei brennbaren
Flüssigkeiten wird in Gefäßen mit Rückflusskühlern (= unter Rückfluss erhitzen)
gearbeitet.
Bei größeren Ansätzen und längeren Reaktionszeiten sind Heizpilze oder Heizbäder, die mit
wärmeübertragenden Stoffen (Wasser, Öl, Metall) gefüllt sind, einer direkten Heizung
vorzuziehen.
Mit einer elektrischen Beheizung ausgestattet, kann eine genaue Temperaturkontrolle und
gleichmäßige Wärmeübertragung ohne lokale Überhitzung erreicht werden. Flüssigkeiten neigen
nämlich dazu, sich beim Erwärmen über den Siedepunkt aufzuheizen und dann mit großer
Heftigkeit zu "stoßen". Man kann diesen Siedeverzug vermeiden, indem man v o r dem Erhitzen
2-3 Siedesteinchen (kleine, poröse Tonstückchen) in die Flüssigkeit wirft. Niemals Siedesteinchen
in eine überhitzte Flüssigkeit werfen, da es dann zu einem explosionsartigen Überschäumen
kommen kann.
Die Gefäße dürfen nur zu 1/3 gefüllt werden. Reagenzgläser werden zum Schutz der Finger mit
einem Reagenzglashalter gehalten; größere Gefäße werden mit drei Gummischlauchstücken
gehalten, die längs aufgeschnitten werden und über die Fingerspitzen geklemmt werden
(=Gummifinger).
Kühlen
Oft ist es nötig, das Reaktionsgut zu kühlen, um z.B. die bei exothermen Reaktionen
freiwerdende Wärme abzuführen, eine Kristallisation zu fördern oder empfindliche Produkte vor
der Zersetzung zu bewahren. Zur Kühlung wird Leitungswasser (fließend oder als Kühlbad),
Eiswasser oder eine Eiskochsalzmischung (für Temperaturen bis -20° C) verwendet.
Unterdruck
Bei allen Arbeiten mit Unterdruck ist unbedingt eine
Schutzbrille zu tragen. Mit Ausnahme von speziell dafür
hergestellten dickwandigen Gefäßen (z.B. Saugflaschen,
Exsikkatoren) dürfen nie Gefäße mit flachem Boden
evakuiert werden, sondern nur Rund- und Spitzkolben mit
angeschlossenen runden Apparateteilen.
Für die meisten im Labor vorkommenden Unterdruckarbeiten (Absaugen, Destillieren,
Trocknen), reichen etwa 12 mm Hg, die man mit einfachen Membranpumpen oder
Wasserstrahlpumpen erreicht, völlig aus. Zum Aufheben des Vakuums ist zuerst die Apparatur
zu belüften (z.B. Schlauch von der Saugflasche abziehen, Rotavaporhahn öffnen, etc.), erst dann
darf das Wasser oder die Membranpumpe abgestellt werden. Bei den verwendeten
Membranpumpen sollte die Pumpe noch ca. 10 min nachlaufen, um Feuchtigkeit aus der Pumpe
zu entfernen.
Umgang mit Quecksilber: In Thermometern (zur Temperaturmessung) und in älteren
Manometern (zur Messung des Unterdrucks) befindet sich Quecksilber. Diese Geräte sind
deshalb mit besonderer Sorgfalt zu bedienen und bei Nichtgebrauch sicher aufzubewahren.
Sollte trotzdem Quecksilber verschüttet werden, so ist dieses sofort mit frischem Zinkstaub,
Kupferpulver o.ä. aufzukehren (Amalgambildung). Quecksilber lässt sich wegen seiner hohen
Dichte nämlich nicht leicht gießen oder einsammeln. Verschüttete Tropfen zerplatzen und rollen
dann als kleinste Kügelchen in alle Ecken und Ritzen, um dort langsam zu verdampfen. Diese
Quecksilberdämpfe verursachen – wenn sie über längere Zeiträume eingeatmet werden –
chronische Gesundheitsschäden.
Lösen, Zerkleinern, Rühren
Die meisten chemischen Operationen können nur mit Hilfe eines
Lösungsmittels durchgeführt werden. Während in der anorganischen Chemie
Wasser das häufigste Lösungsmittel ist, werden in der organischen Chemie
auch andere Lösungsmittel eingesetzt. Hier ist streng darauf zu achten, dass
alle Gefäße peinlichst trocken sind und kein Wasser enthalten.
Um eine gute Löslichkeit zu erreichen, werden Feststoffe vorher zerkleinert,
z.B. in einer Reibschale mit Pistill fein pulverisiert. Zum Umrühren im
Reagenzglas oder anderen offenen Reaktionsgefäßen verwendet man
Glasstäbe, deren Enden rundgeschmolzen sind. Wenig viskose Flüssigkeiten
mischt man mit Magnetrührern.
Bei schweren Bodenkörpern oder Unterphasen, die sich durch Rühren kaum aufwirbeln lassen,
muss das ganze Gefäß kräftig geschüttelt werden.
Trennung durch Kristallisation
Bei vielen chemischen Reaktionen erfolgt die Trennung und auch häufig die Reinigung durch
Fällen oder Kristallisation. Eine Fällung wird häufig in der Hitze durchgeführt, da dann das
Fällungsprodukt leichter filtrierbar wird. Beim Kristallisieren benutzt man die Eigenschaft vieler
Präparate, dass sich diese in der Hitze in gewissen Lösungsmitteln besser lösen als in der Kälte.
Man stellt gewöhnlich eine heiß gesättigte Lösung her, aus der sich beim Abkühlen die Kristalle
abscheiden. Zur Reinigung wird oft die Umkristallisation angewendet. Dabei wird der
Niederschlag nach Abtrennung von der Mutterlauge in wenig reinem Lösungsmittel heiß gelöst.
Zur Entfernung gefärbter Verunreinigungen wird oft Aktivkohle zugegeben, das die
Nebenprodukte adsorbiert und dann abfiltriert wird. Beim Erkalten scheiden sich dann reine
Kristalle ab, wobei die Verunreinigungen großteils in Lösung bleiben.
Filtrieren
Leicht absetzbare, grobkörnige Niederschläge lassen sich am einfachsten durch Dekantieren,
d.h. durch Abgießen von der überstehenden Flüssigkeit befreien. Zum Filtrieren dienen für
anorganische, oft schleimige Niederschläge Filter, die durch zweimaliges Falten eines
Rundfilters hergestellt werden.
Für organische Produkte werden ausschließlich Faltenfilter verwendet.
Die Filtergröße richtet sich nach der Menge des Filtriergutes und der
Trichtergröße. Um Krustenbildung zu vermeiden, muss zwischen Filterund Trichterrand ein Rand von 1-2 cm bleiben. Der Filter wird nie ganz
vollgegossen, damit die Flüssigkeit nicht über den Rand steigt.
Nachdem das Filtrat fast abgetropft ist, wird der Niederschlag mehrmals nachgewaschen. Da im
Trichter durch Abkühlung Feststoffe auskristallisieren können, verwendet man Trichter mit
weitem, kurzem Auslaufrohr.
Absaugen
Für präparative Arbeiten ist zur Trennung von Flüssigkeit und Feststoffen das Absaugen durch
einen Büchnertrichter (Porzellannutsche) besonders geeignet. Man benutzt dazu im Normalfall
die im Bild gezeigte Apparatur: Porzellannutsche (Büchnertrichter) mit eingelegtem Rundfilter,
Gummidichtung (Gummikonus) und dickwandige Saugflasche, die mit einem Schlauch an die
Membranpumpe angeschlossen wird.
Zum Absaugen wird der Filter (im Büchnertrichter) mit
dem verwendeten Lösungsmittel befeuchtet, bis er dicht
aufliegt, und dann die Pumpe angestellt. Die Suspension
wird anfangs auf die Mitte des Filters gegossen. Ist die
Hauptmenge der Flüssigkeit abgesaugt, presst man den
halbtrockenen Filterkuchen zur Entfernung weiterer
Flüssigkeitsreste mit einem Spatel oder Glasstopfen in
der Nutsche fest.
Zum Waschen des Rückstandes unterbricht man das Vakuum kurz, teigt den Filterkuchen mit der
nötigen Flüssigkeitsmenge an, ohne dabei den Filter zu verletzen und saugt den dicken Brei
scharf trocken. Anschließend wird der Filterkuchen auf ein Uhrglas oder Papierschiffchen
gestürzt und bei der geeigneten Temperatur (Schmelzpunkt beachten!) getrocknet.
Beachte: nur bei kalten Flüssigkeiten ist Absaugen sinnvoll! Bei heißen Lösungen verdampft
durch das Anlegen des Unterdrucks ein Teil des Flüssigkeit. Dadurch kommt es zum Abkühlen
der Lösung und ein Teil des gelösten Stoffes fällt im Filter aus und verstopft den Filter.
Außerdem ist die dickwandige Saugflasche nicht temperaturbeständig und kann durch
Hitzeeinwirkung implodieren.
Trocknen
Trocknen von Feststoffen:
Anhaftende Lösungsmittelreste werden durch Erhitzen der Substanz im
Trockenschrank oder Aufbewahren im Exsikkator über einem Trockenmittel
(Calciumchlorid,
Phosphorpentoxid,
Natronplätzchen,
konzentrierte
Schwefelsäure) entfernt.
Trocknen von Lösungsmitteln: Organische Lösungsmittel können geringe Wassermengen
enthalten, auch wenn sie nicht mit Wasser mischbar sind. Da Wasser bei vielen Reaktionen und
Operationen stört, muss das Lösungsmittel getrocknet (= wasserfrei gemacht) werden. Dazu
wird entweder metallisches Natrium eingepresst oder das Lösungsmittel mit wasserentziehenden
Substanzen (Phosphorpentoxid, Molekularsieb, Calciumchlorid) stehen gelassen. Eine weitere
Möglichkeit ist die Destillation des Lösungsmittels.
Befindet sich bereits ein Produkt im Lösungsmittel, so wird das Lösungsmittel mit weniger
agressiven Trocknungsmitteln wie Natriumsulfat oder Magnesiumsulfat getrocknet bzw.
geklärt. Der wasserentziehende Effekt beruht bei diesen Trockenmitteln darauf, dass sie
normalerweise mit bis zu 10 Molekülen Wasser pro Molekül des Sulfats kristallisieren. Durch
Erhitzen wurde ihnen das Wasser entzogen, in Anwesenheit von Wasser gehen sie dann wieder
in die bevorzugte Hydratform über. Eine weitere Möglichkeit besteht noch in der azeotropen
Destillation des Wassers während der Reaktion.
Destillation
Eine Beschreibung der Normaldruckdestillation findet sich im Beispiel "Destillation von Wein".
Destillation bei vermindertem Druck
Der Dampfdruck von Flüssigkeiten ist eine reziproke Funktion der Siedetemperatur. Schon der
Unterdruck der Membranpumpe (8-15 mm Hg) reicht aus, um den Siedepunkt von
Verbindungen, die bei Normaldruck zwischen 100-300 °C destillieren, um 70-120 °C zu senken.
Die Messung des jeweils erreichten Vakuums kann mit Hilfe eines Manometers erfolgen.
Druckverminderung wird verwendet, wenn:
a) Lösungsmittel über 80 °C sieden, um beim Entfernen des Lösungsmittels die gelöste Substanz
(die im Rückstand verbleibt) zu schonen.
b) der Siedepunkt einer zu destillierenden Substanz über 150 °C liegt, um thermolabile Stoffe
nicht zu zersetzen.
Nach diesem Prinzip arbeitet auch der Rotationsverdampfer
(Rotavapor), der ein schonendes und schnelles Abziehen von
Lösungsmitteln gestattet. Er hat einen regelbaren Elektromotor, der
den evakuierten Destillationskolben in einem Wasserbad um seine
schräg liegende Achse dreht.
Dabei wälzt sich die Lösung dauernd um und überzieht die obere
Kolbenwand ständig mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm. Die
Flüssigkeit verdampft rasch, ohne dass es zum Sieden kommt.
Es ist darauf zu achten, dass das Wasserbad nicht vor Beginn der Destillation schon warm ist
(vielleicht vom Vorgänger). Ansonsten kann es passieren, dass nach einigen Minuten (solange
kann es dauern, bis die Vakuumpumpe das Gerät evakuiert hat) der Kolbeninhalt weit über
seinen Siedepunkt erwärmt ist und überschäumt und überspritzt.
Das Kühlwasser darf nur schwach fließen.
Schmelzpunktsbestimmung
Der Schmelzpunkt eines Stoffes ist die Temperatur, bei der die feste Substanz mit ihrer Schmelze
im Gleichgewicht steht. Verunreinigungen, Lösungsmittelreste etc. erniedrigen den
Schmelzpunkt, der Luftdruck beeinflusst ihn nicht (im Gegensatz zum Siedepunkt). Daher ist der
Schmelzpunkt eine genau bestimmbare Stoffkonstante.
Zur Bestimmung des Schmelzpunktes wird die getrocknete, pulverisierte Substanz in einer ca. 3
mm hohen Schicht in ein ca. 1 mm weites, einseitig zugeschmolzenes Kapillarröhrchen gebracht.
Dazu taucht man die Kapillare mit der Öffnung in die Substanzprobe und klopft das Pulver
vorsichtig auf den Kapillarboden.
Die Substanzprobe wird im Kapillarröhrchen im Schmelzpunktsgerät erhitzt, wobei in der
Schmelzpunktsnähe nur sehr langsam erhitzt werden darf (2 - 4 °C pro Minute). Als
Schmelzpunkt liest man die Temperatur ab, bei der die Substanzprobe klar geschmolzen ist.
Messung des pH-Wertes von Lösungen
Um den pH-Wert einer Lösung zu messen, sind im allgemeinen zwei Möglichkeiten anwendbar:
die Messung mittels Indikatorstreifen (z.B. Merck Universalindikatorpapier für pH-Werte von 110) oder mittels Messgeräten, sog. pH-Meter.
Messung mit Indikatorpapier:
Als Indikatorpapiere dienen Papierstreifen, die mit organischen Farbstoffen getränkt sind, die bei
pH-Änderung charakteristische Farbtöne erzeugen. Diese Farbtöne werden möglichst rasch mit
einer dazugehörigen Farbskala verglichen. Die Messung erfolgt so, dass ein Tropfen der zu
messenden Lösung mit einem Glasstab auf ein kurzes Stück Indikatorpapier aufgetragen wird.
Ist nicht sicher, ob die zu untersuchende Lösung Wasser enthält, wird das Indikatorpapier zuvor
mit destilliertem Wasser befeuchtet. Dasselbe gilt auch bei Festsubstanzen. Auf keinen Fall darf
das Indikatorpapier selbst in die zu untersuchende Lösung getaucht werden (Verfärbung der
Lösung etc.)
Die Messung mit pH-Metern ist in anderen Übungsbeispielen beschrieben.
MOL und Molare Masse
Stoffmenge: Die Basiseinheit der Stoffmenge n ist das Mol. (Einheit mol).
1 mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus soviel Einzelteilchen (nämlich 6.022 * 10 23)
12
besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffnuklids C enthalten sind (mol ist daher eine
Mengenangabe wie z. B. Dutzend!). Bei der Angabe der Stoffmenge muss das Teilchen (Atome,
Moleküle, Atomgruppen, Ionen...) genannt werden, auf das die Größe bezogen ist. Mol ist die
SI-Einheit einer Substanzmenge.
Relative Atommasse
Die relative Atommasse ist das Massenverhältnis der Atome der verschiedenen Elemente
zueinander, bezogen auf 1/12 der gemessenen Atommasse des Kohlenstoffnuklids 12C. Als
Massenverhältnis ist die relative Atommasse eine dimensionslose Zahl (Einheit g/g = 1). Sie
kann auch in der atomaren Einheit u angegeben werden (1 u ist 1/12 der Masse des
Kohlenstoffnuklids 12C = 1.66056 * 10-24 g).
Molare Masse:
Molmassen sind die Massen, mit denen man in der Chemie rechnet.
Die Masse eines Mols Teilchen nennt man molare Masse oder kurz "Molmasse". Zwischen der
relativen Atommasse (einer dimensionslosen Zahl, bzw. der Atommasse in der Einheit u) und der
Molmasse (in der Einheit g/mol) besteht ein sehr praktischer Zusammenhang: relative
Atommasse und Molmasse haben denselben Zahlenwert:
Die molare Masse von Molekülen oder Atomgruppen ist gleich der Summe der darin enthaltenen
Atome. Das gilt auch für Ionen, da die Masse der Elektronen (M(e-) = 0.0005486 g/mol)
vernachlässigt werden können:
Unterschied zwischen Wasserstoffatom und Proton: M(H) = 1.0079, M(H+) = 1.0074 g/mol
Beispiel: Masse von 1 Atom 12C .................. 12.001 u
Masse von 1 Mol
12
C .....................12.001 g
 relative Atommasse 12.011
Molmasse 12.011 g/mol
Berechnung der molaren Masse von H2SO4: M(H) = 1.008 g/mol, M(S) = 32.066 g/mol, M(O) = 15.999 g/mol
Daraus ist M(H2SO4) = 2* 1.008 + 32.066 + 4*15.999 g/mol = 98.080 g/mol
Stöchiometrie
Reaktionsgleichungen liefern nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative
Beschreibung der chemischen Vorgänge: Die Anzahl der Atome auf der linken Seite einer
Gleichung muss stets gleich der rechten sein. Aus dem Gesetz der Erhaltung der Masse folgt
weiterhin, dass auch die Summe der Massen beider Seiten identisch ist. Die Ermittlung
beliebiger Mengen einer Atom- oder Molekülart ist besonders einfach, wenn auf der Basis
molarer Einheiten gerechnet wird.
Chemische Formeln: Chemische Elemente werden durch die im Periodensystem angegebenen
Symbole bezeichnet. Zur Symbolisierung miteinander verbundener Atome verwendet man
chemische Formeln. Bei Verbindungen zu Molekülen bedeutet z. B. H2O, dass 1 Molekül Wasser
aus 2 Atomen Wasserstoff (H) und 1 Atom Sauerstoff (O) besteht. Die Anzahl gleichartiger
Atome wird durch eine kleine, tiefgestellte Zahl (Index) hinter dem Elementsymbol angezeigt.
H2 bedeutet also 2 Atome H in einem Molekül;
2 H würde zwei Einzelatome H bedeuten.
"3 H2O" bedeutet daher:
* Art der Substanz.....Wasser
* 3 Formeleinheiten Wasser
(die Formeleinheit enthält 2 Atome Wasserstoff und
1 Atom Sauerstoff)
* 3 mol H2O
Chemische Reaktionsgleichungen: Die chemische Reaktionsgleichung drückt den Verlauf einer
chemischen Reaktion durch chemische Formeln aus. Voraussetzung ist die Kenntnis der
Ausgangs- und Endprodukte der Reaktion. Links vom Reaktionspfeil stehen die
Ausgangsprodukte, rechts die Endprodukte. Die Atomanzahl muss links und rechts gleich sein
und ist anhand der Wertigkeiten auszugleichen.
Beispiel von quantitativ verlaufenden Reaktionen:
H2SO4 + 2 NaOH  Na2SO4 + 2 H2O
(Üben Sie ähnliche Reaktionsgleichungen)
Ca(OH)2 + 2 HNO3 Ca(NO3)2 + 2 H2O
Grundgesetze der Stöchiometrie
- Gesetz von der Erhaltung der Masse: Die Anzahl der Elemente ist vor und nach der Reaktion
gleich
- Gesetz der konstanten und multiplen Proportionen: Atome verbinden sich zu Molekülen stets
in einem gleichbleibenden, ganzzahligen Atomverhältnis, z. B. verbindet sich Kohlenstoff mit
Sauerstoff im Verhältnis 1 : 1 (CO), 1 : 2 (CO2), aber nicht z.B. im Verhältnis 1 : 1.5 (CO1.5).
Die stöchiometrischen Zahlen einer Reaktionsgleichung geben die Anzahl der Moleküle an, die
an der Reaktion teilnehmen. In der obigen Gleichung zur Herstellung von Natriumsulfat ist die
Zahl 2 vor NaOH die stöchiometrische Zahl für NaOH. Beim Aufstellen einer
Reaktionsgleichung werden die Ausgangs- und Endprodukte durch Formeln angeschrieben und
dann die stöchiometrischen Zahlen der Reaktionspartner gesucht.
Das Aufstellen der Reaktionsgleichung kann über die Stoffbilanz, die Elektronenbilanz oder mit
Hilfe der Oxidationszahlen erfolgen.
Berechnung des Umsatzes bei chemischen Reaktionen: Analog wie die chemische Formel hat
auch die Reaktionsgleichung eine doppelte Bedeutung. Sie gibt nicht nur Aufschluss über den
Reaktionsvorgang, sondern zugleich auch über die Massen der an der Reaktion beteiligten
Ausgangs- und Endstoffe (= stöchiometrische Gleichung):
Na2CO3 + 2 HCl 
2 NaCl
+ H2O + CO2
1 Mol
2 Mol
2 Mol
1 Mol
1 Mol
aus den Stoffmengen n und der Molmasse M können die Massen m nach der weiter oben besprochenen Gleichung
m = n*M berechnet werden:
105.99 g + 2*36.46 g = 72.92 g
2*58.44g = 116.88 g + 18.02 g + 44.01 g
Masse der Ausgangsstoffe: 178.91 g
Masse der Endprodukte: 178.91 g
Mit Hilfe der stöchiometrischen Gleichung können End- und Ausgangsprodukte durch einfache
Schlussrechnung ermittelt werden.
(Üben Sie ähnliche Umsatzberechnungen)
Da bei Reaktionen der Stoffumsatz oft nicht vollständig ist, wird ein Reaktionspartner im
Überschuss eingesetzt, um das Gleichgewicht auf die Seite der Reaktionsprodukte zu
verschieben. Außerdem erhält man meist nur zu einem gewissen Prozentsatz das gewünschte
Produkt (unvollständiger Umsatz, Verluste bei der Aufarbeitung und Isolierung des
Reaktionsproduktes). Die Ausbeute an Produkt wird daher in Prozenten angegeben
Rechenbeispiel zur Ansatz- und Ausbeuteberechnung für Synthesearbeiten:
Angabe: 10 g Eisessig (100%ige Essigsäure) werden mit 20% Überschuss an Ethanol (Ethylalkohol) umgesetzt.
Dabei wurden 12.4 g Ethylacetat (Essigsäureethylester) isoliert.
Eisessig ist der limitierende Reaktionspartner!
Aufstellen der Reaktionsgleichung: Eisessig und Ethanol reagieren nach folgender Gleichung zu Ethylacetat:
Gleichung
CH3COOH + C2H5OH 
CH3COOC2H5 + H2O
Molmassen 60.05 g/mol 46.07 g/mol
88.11 g/mol
Molequivalente 1 Mol + 1 Mol
1 Mol
Ansatzberechnung: für 60.05 g Eisessig benötigt man 46.07 g Ethanol (bei einem Molverhältnis 1:1)
für 10 g Eisessig .................. 7.7 g Ethanol, + 20% Überschuss: 7.7 + 1.54 = 9.2 g Ethanol
Berechnung der Ausbeute durch Schlussrechnung:
Daraus folgt die maximale (theoretische) Ausbeute
Praktische Ausbeute (tatsächlich isoliert)
Durch Umformen erhält man:
60.05 g Eisessig .......liefern .....88.1 g Ester,
10 g
............................. 14.7 g
14.7 g ................. 100%
12.4 g .............. x
x= 12.4 * 100 : 14.7 = 84.3 % Ausbeute
Konzentrationen: Es gibt Massenkonzentrationen (z.B. mg/L), Stoffmengenkonzentrationen (=
Molarität, z.B. mol/L) und Volumenkonzentrationen (z.B. mL/100 mL).
für
Stoffmengenkonzentrationen:
Die
Stoffmengenkonzentration
einer
Natriumthiosulfatlösung c(Na2S2O3) = 0.1 mol/L (die Lösung ist 0.1 M). Wieviel Gramm Na2S2O3 sind in 5 L der
Lösung enthalten?
5 L enthalten 5 L * 0.1 mol/L = 0.5 mol
m(Na2S2O3) = n * M = 0.5 mol * 158.11 g/mol = 79.055 g
Rechenbeispiel
Mischungskreuz: Wenn zwei Lösungen mit bekannten Massenanteilen zu mischen sind, kann
als Rechenhilfe das Mischungskreuz verwendet werden.
Dazu werden die Massenanteile (in %) der beiden Ausgangslösungen untereinander geschrieben
und Pfeile auf den Massenanteil (in %) der herzustellenden Lösung gerichtet. Die Pfeile werden
verlängert und die Differenz der Werte gebildet, die den zugehörigen Massen (z.B. in Gramm)
entsprechen. Die Ausgangslösungen müssen im Verhältnis der Differenzen gemischt werden, die
Summe der Differenzen ergibt die Masse der gesuchten Lösung.
Beispiel: Eine 78%ige Lösung soll mit einer 48%igen Lösung so gemischt werden, dass eine 66%ige Lösung
entsteht:
78%
(66-48=) 18 g


66%


48%
(78-66=) 12 g
30 g
Beim Mischen von 18 g der 78%igen Lösung mit 12 g der 48%igen Lösung erhält man 30 g der 66%igen Lösung
(jetzt muss eventuell noch auf die gewünschte Menge umgerechnet werden).
Wenn statt der Massen Volumina angegeben sind, muss auf Massen umgerechnet werden.
Auch zum Verdünnen von Lösungen mit reinem Lösungsmittel kann das Mischungskreuz
verwendet werden: da im reinen Lösungsmittel natürlich der betrachtete Stoff nicht enthalten ist,
wird der Massenanteil des Stoffes im reinen Lösungsmittel mit 0% eingesetzt.