Kristallisation_korrigiert
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Praktikum Chemie 1 Versuch 2 Kristallisation WS 2006/07 Verfasserin: Teammitglieder: Datum: Assistent: e-Mail: Huber Rebecca Matthias Maya, Huber Rebecca 10.01.07 Maglinao Maha [email protected] Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 Abstract: Ziel des Versuches war es, das Prinzip der Kristallisation näher kennen zu lernen. Dazu wurde im ersten Versuch eine verunreinigte Stearinsäure durch Umkristallisieren gereinigt und die Reinheit durch Bestimmung des Schmelzpunktes überprüft. Die Resultate vom Schmelzpunkt-Messgerät ergaben für die Probe einen Schmelzpunkt zwischen 68.5 °C und 70.4 °C. Das DSC lieferte einen Wert von 67.84 °C. Somit weicht der ermittelte Schmelzpunkt nur leicht vom Literaturwert von 69 °C ab. (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Stearins%C3%A4ure) Bei der graphischen Auswertung der DSC-Daten ist zusätzlich zum Hauptpeak ein kleiner Ausschlag zwischen 50-60 °C zu erkennen. Was auf eine leichte Verunreinigung hinweist. Trotzt dieser kleinen Verunreinigung, kann man sagen, dass die Reinigung mittels Umkristallisation gelungen ist. 1 Im zweiten Versuch wurde die Reaktionsordnung beim Abbrennen einer Paraffinkerze bestimmt. Aus der graphischen Darstellung wurde ersichtlich, dass es sich um eine Reaktion 0. Ordnung handeln muss. Einführung 1.1 Ziele des Versuchs In diesem Versuch sollte eine wichtige Methode zur Reinigung und Trennung von festen Stoffen kennen gelernt werden. Hier anhand von verunreinigter Stearinsäure, die durch Umkristallisieren gereinigt und danach auf ihre Reinheit mittels Schmelzpunktbestimmung überprüft wurde. Im zweiten Teil des Versuches ging es um die Anwendung der Kenntnisse über die Kinetik chemischer Reaktionen; die Ordnung des kinetischen Prozesses beim Abbrennen einer Kerze (Stearinsäure) sollte bestimmt werden. 1.2 Theorie 1.2.1 Kristallisation Als Kristallisation wird der Vorgang der Bildung von Kristallen bezeichnet. Durch Abkühlen einer Lösung bringt man sie in einen übersättigten Zustand und die Lösung beginnt zu kristallisieren. Dabei addieren sich monomere Einheiten der Substanz (z.B H2O) zu einem Kristall-Nukleus. Sobald sich ein Nukleus gebildet hat, kann der Kristall weiter wachsen. Weitere gelöste monomere Einheiten lagern sich an der Oberfläche des Nukleus an. Wird die Lösung langsam abgekühlt, können die Monomere den Platz mit der maximalen Bindungsenergie auf der Kristalloberfläche finden. So wird die perfekte Kristallbildung möglich. Wird die Lösung zu schnell abgekühlt, kann es dazu kommen, dass das Lösungsmittel in den Kristall eingeschlossen wird und der Kristall somit verunreinigt ist. 1.2.2 Reinigung durch Umkristallisation Die wichtigste Methode zum Reinigen von festen Stoffen ist die Umkristallisation. Bei diesem Vorgang wird zuerst ein geeignetes Lösungsmittel unter Erhitzung mit dem Rohprodukt gesättigt, und anschliessend wird die Lösung durch Filtration von den unlöslichen Bestandteilen getrennt. Nun lässt man die Lösung erkalten, und die Substanz wird in reiner Form auskristallisiert und kann anschliessend mittels Filtration mit einer Nutsche vom Lösungsmittel getrennt werden. 2 Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 Beim Vorgang der Kristallisation spielen die Löslichkeiten des betreffenden Stoffes und der Verunreinigung eine wichtige Rolle; die Wahl des Lösungsmittels sollte möglichst so getroffen werden, dass der zu reinigende Stoff sich im Lösungsmittel viel schlechter als die Verunreinigung löst. Auch wenn es sich genau umgekehrt verhält, ist eine Reinigung möglich, wobei aber ein mehrfaches Umkristallisieren nötig ist, um eine gleichwertige Reinheit zu erlangen. Bei der Wahl des Lösungsmittels muss zusätzlich darauf geachtet werden, dass es sich chemisch inert verhält, also keine Reaktion mit den gelösten Substanzen stattfindet. 1.2.3 Überprüfung der Reinheit mittels Schmelzpunktbestimmung Da durch Verunreinigungen der Schmelzpunkt einer Substanz erniedrigt wird (Phänomen der Schmelzpunkterniedrigung), kann die Reinheit der durch Umkristallisation gereinigten Substanz durch Schmelzpunktbestimmung überprüft werden. Dies kann auf zwei Arten geschehen. Mittels einer Schmelzpunktapparatur kann der Schmelzpunkt visuell bestimmt werden. Dafür wird eine kleine Menge der Substanz in einem dünnen Glasröhrchen langsam erwärmt und durch Beobachtung können folgenden Punkte erkannt werden: - Sinterpunkt (1): - Schmelzbeginn (2): - Klarpunkt (3): Erste Kristalle „backen“ zusammen Neben der flüssigen Phase ist auch noch die feste Phase erkennbar Die ganze Substanz liegt in flüssiger Phase vor. Abb.1 Darstellung des Sinterpunkts (1), Schmelzbeginn (2) und Klarpunkt (3) Die zweite Variante ist die Schmelzpunktbestimmung mittels DSC (dynamische Differentialkalorimetrie). Dabei wird eine kleine Probe gleichzeitig mit einer Referenz erwärmt. Während der Phasenumwandlung wird Wärme verbraucht (Gitterenergie muss aufgewendet werden). Das Gerät misst den Energieverbrauch und kann aus den Werten den Schmelzpunkt errechnen. 1.2.4 Reaktionskinetik und Reaktionsordnung Eine chemische Reaktion verläuft immer nach einer bestimmten Reaktionsordnung ab. Die Reaktionsordnung hängt von der Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug auf die Konzentration der Substanz ab. Reaktion 0. Ordnung: Die Reaktionsgeschwindigkeit bleibt konstant: → Die Masse nimmt proportional zur Zeit ab. Reaktion 1. Ordnung: Die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt sich, wenn die Konzentration (Masse des reagierenden Stoffes) verdoppelt wird: → Die logarithmierte Masse nimmt proportional zur Zeit ab Reaktion 2. Ordnung: Die Reaktionsgeschwindigkeit vervierfacht sich, wenn die Konzentration (Masse des reagierenden Stoffes) verdoppelt wird: → Die reziproke Masse nimmt proportional zur Zeit zu. 3 Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 1.3 Methoden In diesem Versuch wurde verunreinigte Stearinsäure in Ethanol gelöst, da sie in Ethanol bei hohen Temperaturen gut löslich ist und bei niedrigen Temperaturen nicht. Zudem war bekannt, dass der verunreinigende Farbstoff in Ethanol viel besser löslich ist, als die Stearinsäure. Und so durch Waschen mit Ethanol der Farbstoff aus der Stearinsäure ausgewaschen werden kann. Weiter findet zwischen Ethanol und Stearinsäure keine chemische Reaktion statt. Beim zweiten Versuch wurde eine Paraffinkerze auf einer Waage verbrannt, um die Reaktionsordnung zu bestimmen. Eine verunreinigte Stearinsäure kann durch Filtration und Umkristallisation gereinigt werden. Wenn es sich bei der Verunreinigung um einen Farbstoff handelt, kann die erfolgte Reinigung optisch verfolgt werden. Durch den Vergleich der experimentell ermittelten Schmelzpunkte mit Literaturwerten kann die Reinheit überprüft werden. Die Reaktionsordnung der Verbrennung von Stearinsäure kann mittels graphischer Darstellung der Masse in Abhängigkeit zur Zeit bestimmt werden. 2 Materialien und Methoden 2.1 Materialien und Geräte 2.1.1 Chemikalien Für die Kristallisation wurde mit dem Farbstoff Phenolrot und Quarzsand verunreinigte Stearinsäure verwendet. Der Farbstoff diente dazu, die Reinigung schon von Auge zu beobachten. Als Lösungsmittel diente Ethanol. Bei dem Versuch zur Reaktionskinetik wurde eine gebräuchliche kleine Paraffinkerze (1,95g) verwendet. 2.1.2 Geräte Um die Lösung herzustellen wurde eine Heizplatte mit integriertem Magnetrührer benötigt und zum Filtrieren der Lösung wurde eine Keramkiknutsche verwendet. Für den Kerzenversuch wurden keine speziellen Laborgeräte benötigt. 2.2 Methoden 2.2.1 Umkristallisation von Stearinsäure Ca. 6 g verunreinigte Stearinsäure werden in ein 100 ml Becherglas gegeben und unter Erhitzung (nicht höher als 60 °C) in 50 ml Ethanol gelöst. Anschliessend werden unlösliche Verunreinigungen mit einem Faltenfilter in einem Glastrichter warm abfiltriert. (Siehe Abb. 2) 4 Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 Abb. 2 Abfiltrieren der Verunreinigungen Das Filtrat wurde während 30 min in einem EisWasserbad gekühlt, wobei die Stearinsäure auskristallisierte. Die Lösung wurde während der Auskristallisation möglichst nicht bewegt. Die gebildeten Kristalle wurden mittels einer Absaugflasche und einer Keramkiknutsche vom Lösungsmittel getrennt (Abb. 3) und anschliessend mit Abb. 3 Absaugflasche mit Nutsche. gekühltem Ethanol gewaschen. Der ganze Vorgang wurde wiederholt und anschliessend durch Ansaugen der Luft in der Nutsche und danach im Vakuumtrockenschrank bei 40-50 °C getrocknet. 2.2.2 Schmelzpunktbestimmung 1. Die vollständig getrockneten Stearinsäurekristalle wurden in ein dünnes Glasröhrchen gegeben und in der Schmelzpunkt-Apparatur unter Beobachtung erwärmt. Es wurde die Temperatur am Sinterpunkt, beim Schmelzbeginn und beim Klarpunkt festgehalten. 2. Der Schmelzpunkt wurde mittels DSC (Differentialkalorimetrie) bestimmt. 2.2.3 Reaktionskinetik Hier wurde eine Kerze auf einer Waage abgebrannt und 10 Minuten lang in einem Abstand von 30 Sekunden ihr Gewicht notiert. 3 Resultate 3.1 Kristallisation Durch die Filtration konnten alle (sichtbaren) Verunreinigungen abgetrennt werden. Nach dem 1. Kristallisationsdurchgang und dem 1. Waschen war die Farbintensität der erneuten Lösung bedeutend kleiner als zu Beginn. Nach der 2. Kristallisation und dem 2. Waschen war die Stearinsäure weiss. Anschliessend wurde die Schmelztemperatur der gereinigten Stearinsäure in der Schmelzpunkt-Apparatur bestimmt. (Siehe Tab.1) Tab. 1 Resultate Schmelzpunkt-Apparatur 1. Probe Sinterpunk t 68.5 °C Schmelzbegin n 69.0 °C 5 Klarpunk t 70.4°C Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 Danach wurde der Schmelzpunkt mittels DSC (Dynamische Diffrentialkalorimetrie) bestimmt. (Siehe Abb. 4) Abb. 4 DCSAuswertung Aus der Abb. 4 wird ersichtlich, dass der Schmelzpunkt der Probe bei 67,84 °C liegt. Weiter ist ein Hauptpeak nahe bei 69,24 °C auszumachen. Zwischen 50-60 °C ist noch ein kleiner Peak ersichtlich. 3.2 Reaktionskinetik Das Anfangsgewicht der Paraffinkerze betrug 1,95 g. Zusammenhang 0. Ordnung Zeit [min] Masse[g] Zeit [min] Masse[g] 0,00 1,950 5,50 1,575 0,50 1,930 6,00 1,543 1,00 1,900 6,50 1,508 1,50 1,870 7,00 1,470 2,00 1,830 7,50 1,432 2,50 1,800 8,00 1,395 3,00 1,760 8,50 1,360 3,50 1,720 9,00 1,320 4,00 1,685 9,50 1,280 4,50 1,648 10,00 1,260 5,00 1,610 6 Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 Tab. 2 Masse der Kerze zur Zeit t Abbrennen einer Paraffinkerze 2 1.9 1.8 1.7 Masse [g] Masse der Kerze 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 Brenndauer [min] Abb. 5 Graphische Darstellung der Kerzenmasse in Abhängigkeit zur Brenndauer. Der Graph in Abb. 5 verläuft annähernd linear. 4 Diskussion 4.1 Auswertung der Umkristallisation Die Reinigung der verunreinigten Stearinsäure ist durch die Umkristallisation gelungen. Das Endprodukt war weiss und somit kann das Vorhandensein grosser Mengen Phenolrot ausgeschlossen werden. Der in der Literatur angegebene Schmelzpunkt beträgt 69-70 °C. Der mittels DCS ermittelte Schmelzpunkt betrug 67,84 °C und weicht somit um ca. 1°C vom Literaturwert ab. Diese Abweichung lässt sich durch das Phänomen der Schmelzpunkterniedrigung erklären. In der Stearinsäure sind noch leichte Verunreinigungen enthalten, die den Schmelzpunkt erniedrigen. Dies ist aus der Abb. 4 ersichtlich, da zwischen 50-60 °C noch ein zweiter Peak vorhanden ist. Bei dieser Temperatur schmolz die Verunreinigung und absorbierte dabei Wärme, was den Peak verursachte. Der Wert, der mit der Schmelzpunkt-Apparatur gefunden wurde, ist leicht höher (68,570,4°C). Dies lässt sich damit begründen, dass es schwierig ist, mit dieser Methode sehr exakte Resultate zu erhalten. Möglicherweise wurde bei der Bestimmung des Schmelzpunktes die Temperatur leicht zu schnell erhöht. So stieg in der Zeit, bei welcher eine Phasenveränderung effektiv begann, bis man sie auch visuell wahrnehmen konnte, die Temperatur vielleicht noch weiter an 7 Chemie Praktikum 1: Kristallisation / Reaktionskinetik WS 2006/07 4.2 Verbesserungsvorschläge Um die Reinheit zu verbessern, müsste die Umkristallisation so oft wie möglich durchgeführt und die Lösung möglichst langsam abgekühlt werden, so dass sich kein Lösungsmittel im Kristallgitter anlagern könnte. Der Versuch würde so aber viel zeitaufwändiger werden, und man würde mehr Stearinsäure benötigen, da bei jeder Umkristallisation noch etwas Stearinsäure in der Lösung gelöst bleibt und die Ausbeute so immer kleiner wird. 4.3 Ermittlung der Reaktionsordnung Aus der Abb-5 wird ersichtlich, dass das Abrennen einer Paraffinkerze einer Reaktion 0. Ordnung entspricht. So nimmt die Masse proportional zur Zeit ab, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit bleibt konstant. Somit gilt für die Reaktion: Stearinsäure + C18H36O2+ Sauerstoff 26 O2 → → 18 CO2 Kohlendioxid + Wasser + 18 H2O 5 Quellen Titelbild: Abbildungen 1-3 und Theorie: Versuchsanleitung: Versuch 2: Kristallisation (Studiengang Materialwissenschaft, Chemie Praktikum I, 2006) Versuchsanleitung: Versuch 2: Kristallisation (Studiengang Materialwissenschaft, Chemie Praktikum I, 2006) 8
