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Verfahrensschritte zur Bestimmung der Summenformel einer organischen Verbindung

Isolierung eines Reinstoffes

Wiederholung: Einteilung der Stoffgemische und Trennungsverfahren

Welche Eigenschaftsunterschiede werden genützt?

• Löslichkeitsunterschiede

• unterschiedliche Flüchtigkeit (Siedepunkt)

• Dichteunterschiede
  

Spezielle Trenn- und Reinigungsverfahren:

• Soxhlet-Extraktion

• fraktionierte Destillation

• Wasserdampfdestillation

• Vakuumdestillation

• fraktionierte Kristallisation

  mögliche Aufgabenstellungen

- Fraktionierte Destillation von Wein -> Ethanol

- Soxhlet-Extraktion von Kokosflocken -> Kokosfett

Apparaturen zur Stofftrennung und -reinigung

[Zeichnungen]

Qualitative Elementaranalyse

Kohlenstoff

a) Erhitzen der Substanz auf Platinblech: Verbrennung mit Flamme oder Zersetzung unter Abscheidung von schwarzem Kohlenstoff.

b) Erhitzen mit Kupfer(II)-oxid (ausgeglüht, fein) im Rggl. mit Gasableitungsrohr und Kalkwasser: Das gebildete Kohlenstoffdioxid bewirkt Trübung durch Calciumcarbonat (gleichzeitig Nachweis von Wasserstoff s.u.)

(C)_geb.  +  2 CuO  à  CO₂  +  2 Cu

CO₂  +  Ca(OH)₂  à CaCO₃  +  H₂O

Wasserstoff

Beim Erhitzen der Substanz mit Kupfer(II)-oxid Abscheidung von Wasser im oberen, kalten Teil des Reagenzglases:

2 (H)geb.  +  2 CuO  à H₂O +  2 Cu

Stickstoff

Verschmelzen der Substanz mit metallischem Natrium (VORSICHT!) - LASSAIGNE-Probe.

Bei starkem Erhitzen (Rotglut) bildet sich mit dem stets vorhandenen Kohlenstoff das thermisch stabile Natriumcyanid, das in Wasser gelöst und mit wenig Eisen(II)-salz zum Hexacyanoferrat(II)-Komplex umgesetzt wird. Nach Filtrieren, Ansäuern und Zugabe von Eisen(III)-salz bildet sich Berlinerblau:

                                       + Fe²⁺                           + Fe³⁺

(N)_geb.    à    CN^-    à    [Fe(CN)₆]^4-    à    Fe₄[Fe(CN)₆]₃

                                                                                       Berliner Blau

Schwefel

bildet bei der LASSAIGNE-Probe Natriumsulfid. Aufschlußlösung mit Essigsäure ansäuern, Blei(II)-acetatlösung zugeben - eine schwarze Fällung beweist Schwefel:

(S)_geb.  à  S^2-  à  PbS

Halogen

BEILSTEIN-Probe: Probe mit einem glühenden Kupferdraht aufnehmen - sie zersetzt sich und das Halogen bildet mit dem Kupfer flüchtiges Kupfer(I)-halogenid, das die Flamme grün färbt. (alternativer Versuch mit Spritze!)

Quantitative Elementaranalyse: Prinzip der Verbrennungsanalyse (4h)

Umwandlung des qualitativen Nachweisverfahrens in ein quantitatives

Problem: Verbrennung in reinem Sauerstoff führt häufig zur Explosion, bei geringer Sauerstoffzufuhr bleibt die Verbrennung unvollständig.

Verbrennungsanalyse von LIEBIG (1831)

 Die Probe wird in einem Rohr verbrannt, das mit Kupfer(II)-oxid beschickt ist. Durch das Rohr wird ein langsamer Sauerstoffstrom geleitet, der einen Teil der Substanz unmittelbar verbrennt; vollständige Oxidation wird durch Kontakt mit rotglühendem Kupfer(II)-oxid als Oxidationsmittel erreicht. Metallisches Kupfer wird durch den Sauerstoff wieder in Kupferoxid zurückverwandelt.

Nach der Verbrennung werden die Absorptionsgefäße gewogen.

Beispiel: Die Verbrennung von 3,525 mg Ethanol lieferte 6,750 mg Kohlenstoffdioxid und 4,112 mg Wasser

Auswertung:

Die Masse des Sauerstoffs in der eingewogenen Substanz ergibt sich als Differenz zwischen Einwaage und den gefundenen Werten für Kohlenstoff und Wasserstoff, wenn außer Sauerstoff keine weiteren Elemente in der Verbindung enthalten sind:

Aufgaben:

Abitur 1995 I 1.

Die qualitative Elementaranalyse einer Verbindung X ergibt, dass in ihren Molekülen Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Sauerstoff-Atome gebunden sind.  Bei der vollständigen Oxidation von 122,0 mg der Verbindung X entstehen 84,6 mg Wasser und 155,1 mg Kohlenstoffdioxid.  Der Stickstoffanteil der Verbindung X wird in einem weiteren Analyseschritt in elementaren Stickstoff übergeführt; bei der Einwaage von 115,0 mg der Verbindung X entstehen 24,7 ml Stickstoff (Normzustand).

Berechnen Sie die empirische Formel (Verhältnisformel) der Verbindung X!  Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein. [6 BE]

Ergebnis:(C₃H₈O₂N₂)_x 

Molmassenbestimmung

Allgemeine Gasgleichung

Übung: Bestimmung der molaren Masse von Magnesium

Übung: Bestimmung der molaren Masse einer leichtflüchtigen Verbindung nach dem Prinzip der Luftverdrängung

Dampfdichte-Bestimmung nach Victor Meyer

Bestimmung der Molekülmasse mit dem Massenspektrometer  

Bestimmung der molaren Masse einer leichtflüchtigen Verbindung

Um in der empirischen Formel (C_xH_yO_z)_n die Zahl n angeben zu können, muss die Molmasse der Verbindung bestimmt werden.

Allgemeine Gasgleichung - Zustandsgleichung idealer Gase

Ein „ideales“ Gas besteht in allen Temperatur- und Druckbereichen aus Teilchen, die sich gegenseitig weder abstoßen noch zusammenlagern.

Modellvorstellung: elastische, kleinste Kugeln, die infolge ihrer thermischen Energie aufeinanderprallen. Schließt man Gase in Gefäße mit einer beweglichen Wand ein, z.B. in einen Zylinder mit Kolben, so hängt das Volumen einer Gasportion nur vom Druck p, von der Temperatur T und der Teilchenmenge n ab.

Erweiterung der allgemeinen Gasgleichung:

p₀ = Normdruck: 1,013*10⁵ N/m²

V₀ = Volumen des Gases im Normzustand

T₀ = Normtemperatur: 273,15 K

Gaskonstante R = 8,3143 NmK^-1mol^-1

allgemeine Gasgleichung 

Versuch (Übung): Bestimmung der molaren Masse von Magnesium:

Bestimmung der molaren Masse einer leichtflüchtigen Verbindung nach dem Prinzip der Luftverdrängung

Auswertung:

Dabei wird das Volumen gemessen, das der Dampf einer genau gewogenen Probe der zu untersuchenden Substanz einnimmt.

bei der Auswertung zu berücksichtigen:

p(baro) =  p(Luft)   +      p(H₂O)    +    p(hydro)

                                 Sättigungsdampfdruck       hydrostatischer Druck

                                 des Wassers                       der Wassersäule

=> p(Luft) = p(baro) - p(H₂O) - p(hydro)

Ermittlung der Summenformel aus empirischer Formel und Molekülmasse (5h)    

Bestimmung der Molekülmasse mit dem Massenspektrometer

- Ionisierung der Substanzprobe durch einen Strahl von schnellen Elektronen liefert positiv geladenen Ionen durch Herausschlagen von Elektronen

- Beschleunigung der Ionen durch ein elektrisches Feld (Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Masse: leichtere Ionen bekommen höhere Geschwindigkeit)

- Wenn die Spannung variiert wird, verschiebt sich der Weg der Ionen. Beim Auftreffen auf den Detektor wird ein Signal erzeugt.

Massenspektrum von n-Octan  C₈H₁₈

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃           

Aufgaben zur Molekülmassenbestimmung_und zur quantitativen Elementaranalyse:

[1987 II 1.1] Um die Molekülmasse einer organischen Substanz zu bestimmen, wird ein Teil der zu analysierenden Substanz in einem auf 393 K erhitzten 1-Liter-Gefäß verdampft. Dabei erzeugen 1,000 g der Verbindung einen Druckanstieg von 0,545*10⁵ N/m². Berechnen Sie die Molekülmasse!

[Ergebnis: M = 60 u]

Lösung

Ein Gefäß mit 20 mg Methanol wird in einer 2,5 l fassenden, auf 80°C gewärmten Flasche zertrümmert. Das Methanol verdampft und verdrängt 18,0 cm³ Luft (Luftdruck: 0,998*10⁵ N/m²).

Berechne die Molekülmasse von Methanol!

[Ergebnis: M = 32,7 u]

Lösung

Mit Hilfe des Verfahrens nach Viktor Meyer wird die Molekülmasse einer unbekannten organischen Substanz X bestimmt. Bei einer Einwaage von 0,069 g bei 220°C und 0,981*10⁵ N/m² entstehen 21 ml Gas.

Ermittle die Summenformel der Verbindung X, wenn die Elementaranalyse 70,6% Kohlenstoff, 5,9% Wasserstoff und 23,5% Sauerstoff (Massenprozente) ergibt!

[Ergebnis: M = 137,3 u; Summenformel: C₈H₈O₂]

Lösung

Berechnung der Molmasse

Berechnung der Verhältnisformel

Summenformel: C₈H₈O₂