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chemie artikel (Interpretation und charakterisierung)

Methoden der strukturaufklärung


1. Atom
2. Erdöl



1 Klassische Methoden - erläutert an einem praktischen Beispiel

Im folgenden möchte ich die Versuche erläutern, die von mir selbst durchgeführt

wurden, um chemische Eigenschaften zu bestimmenen.

Alle Versuche dienen der Strukturaufklärung des Feuerzeuggases, bis auf die molare

Massenbestimmung nach Victor Meyer (1.3.2), die ich bei Methanol durchführte.

1.1 Qualitative Elementaranalyse

Normalerweise müsste man erst durch qualitative Elementaranalyse nachweisen, welche

Elemente im Molekül des Feuerzeuggases enthalten sind. Allerdings wird es bei diesem

Versuch als angegeben betrachtet, daß der Feuerzeuggas, dessen chemische Struktur ich

im Folgenden analysieren will, nur aus den Elementen Kohlenstoff C und Wasserstoff

H besteht.

Deshalb erläutere ich nur kurz die Versuche, mit denen man die quantitative Elementaranalyse

durchführen könnte.

1.1.1 Nachweis von Kohlenstoff C

Das Feuerzeuggas wird mittels Sauerstoff O2 oxidiert. Das enstehende Gas wird in

Kalkwasser, einer Lösung aus Calciumhydroxid Ca(OH)2 , geleitet. Es bildet sich ein

weißlicher Niederschlag, Calciumcarbonat CaCO3 . Dieser Niederschlag ist ein Nachweis

für entstandenes Kohlenstoffdioxid CO2 , welches wiederum nur entstehen kann,

wenn das Feuerzeuggas das Element Kohlenstoff enthält

Reaktionsgleichungen:

2 2 CO O C .. . +

Das entstandene Kohlenstoffdioxid reagiert wie folgt mit der Calciumhydroxid-Lösung:

( ) O H CaCO OH Ca CO 2 3 2 2 + . .. . +

1.1.2 Nachweis von Wasserstoff H

- 5 -

Das Feuerzeuggas wird wie unter 1.1.1 mittels Sauerstoff oxidiert. Das enstehende Gasgemisch

wird in einen Glasbehälter geleitet. Dort läßt man das Gasgemenge abkühlen.

Man wird feststellen, daß Wasser H2O kondensiert. Dies ist ein Hinweis darauf, daß das

Feuerzeuggas neben Kohlenstoff C auch noch aus dem Element H aufgebaut

ist.

Reaktionsgleichung:

O H O H 2 2 2 2

1 .. . +

Weitere Analysen würden ergeben, daß Kohlenstoff und Wasserstoff die einzigen

Elemente sind, aus denen das Feuerzeuggas besteht.

Es läßt sich daher die allgemeine Summenformel für das zu untersuchende Gas

angeben: CxHy

1.2 Quantitative Elementaranalyse

Bei der qualitativen Elementaranalyse wird nun bestimmt, wieviele Kohlenstoff- und

Wasserstoffatome ein Molekül Feuereuggas enthält.

Durch die Ergebnisse läßt sich dann die genaue chemische Formel bestimmen.

1.2.1 Ermittlung der Anzahl der Kohlenstoffatome

Versuchsaufbau:

Abbildung 1

- 6 -

In ein Quarzrohr wird Kupfer(II)-Oxid gefüllt. In das führt man auf beiden Seiten noch

Quarzwolle ein. Das rechte Ende des Quarzrohres verbindet man mit einem 3-Wege-

Hahn. Diesen wiederum verbindet man mit einem Kolbenprober (V=100ml). Der

Kolbenprober wird an Stativen befestigt. Das linke Ende des Rohres verbindet man

ebenfalls mit einem Kolbenprober. Dieser wird ebenfalls an einem Stativ befestigt.

Unter dem Quarzrohr wird ein Bunsenbrenner mit Schwalbenschwanz so aufgestellt,

daß er das Kupferoxid optimal erhitzen kann. Falls kein Bunsenbrenner mit

Schwalbenschwanz zur Verfügung steht, kann man auch zwei normale Brenner nehmen.

Falls das Rohr nicht stabil genug befestigt ist, befestigt man es ebenfalls an einem

Stativ.

Versuchsdurchführung:

Das Kupferoxid wird mit zwei Bunsenbrennern auf Rotglut erhitzt. Über den 3-Wege-

Hahn wird jetzt in den rechten Kolbenprober Feuerzeuggas geleitet. Der Hahn wird

geschlossen. Das eingefüllte Volumen an Feuerzeuggas, V(CxHy), wird gemessen.

Dieses Gas wird jetzt durch den 3-Wege-Hahn über das glühende Kupferoxid in den

linken Kolbenprober geleitet. Das Gas wird wieder in den rechten Kolbenprober geleitet

und von dort aus wieder in den linken. Dabei ist aber zu beachten, daß die Kolben in

den Kolbenprobern ständig gedreht werden, da bei diesem Versuch Wasser entsteht und

sich die Kolben sonst festsetzen. Dies wird solange wiederholt bis keine

Volumensänderung mehr eintritt. Dann läßt man das System auf Raumtemperatur

abkühlen.

Man misst jetzt das Volumen des entstandenen Gases, bei welchem es sich nach

folgender Reaktionsgleichung um Kohlenstoffdioxid handelt:

y xH C 2 2

H

y

C x + .. .

Bei Miteinbeziehung des Kupferoxides bzw. des Kupfers ergibt sich folgende

Reaktionsgleichung:

CuO

y

x H C y x ..

.

..

. + +

2

2 2

2

2

2 2 2 キ ..

.

..

. + + + .. . Cu

y

x O H

y

CO x

Auf beiden Seiten mit 2 multipliziert:

- 7 -

( )CuO y x H C y x + + 4 2 ( )Cu y x O H y CO x + + + .. . 4 2 2 2

Auswertung:

Zur Berechnung der Anzahl der Kohlenstoffatome im Feuerzeuggasmolekül werden die

Stoffmengen vom Gas, n(CxHy), und von Kohlenstoffdioxid, n(CO2), ins Verhältnis

gesetzt:

( )

( ) x x CO n

H C n y x 1

3

3

2

= =

( )

( ) ( ) 1 2

y xH C n

CO n

x = .

Aus dem molarem Volumen VM läßt sich die Stoffmenge n berechnen:

( ) ( )

( )

1 0 4 , 22 - キ = = mol l

Gas n

Gas V

Gas VM ( ) ( )

( ) ( ) 2 0

Gas V

Gas V

Gas n

M

= .

Gleichung (2) eingesetzt in (1):

( )

( )

( )

( )

( ) 3

0

2

2 0

y x M

y x

M

H C V

H C V

CO V

CO V

x = .

( ) ( ) ( ) 4 2 y x M M H C V CO V =

Gleichung (4) in (3) eingesetzt: ( )

( ) ( ) 5

0

2 0

y xH C V

CO V

x = .

Die gemessenen Gasvolumina, V(CxHy) und V(CO2

), müssen auf die entsprechenden

Volumina unter Normbedingungen umgerechnet werden:

Dies geschieht mit der allgemeinen Gasgleichung:

0

0 0

T

V p

T

V p キ

= キ ( ) 6

0

0

0 V

T p

T p

V キ





= .

Gleichung (6) ergibt eingesetzt in

Gleichung (5):

( )

( )y xH C V

T p

T p

CO V

T p

T p

x













= .

0

0

2

0

0

- 8 -

( )

( )y xH C V

CO V

x 2 = .

Anhand dieser Formel läßt sich jetzt die Anzahl der Kohlenstoffatome berechnen. Die

folgende Tabelle zeigt die Meßergebnisse aus zwei Versuchsdurchgängen:

Versuchs- V(CxHy) V(CO2

) X

Nummer In ml in ml

1 16 62,5 3,9

2 17 74,5 4,4

Durchschnittlicher Wert x = 4,1

x = 4

Ein Molekül Feuerzeuggas enthält vier Kohlenstoffatome !

1.2.2 Ermittlung der Anzahl der Wasserstoffatome

Versuchsaufbau:

Es handelt sich im Prinzip um den gleichen Versuchsaufbau wie unter a), jedoch mit

dem Unterschied, daß das Quarzrohr mit elementarem Eisen statt Kupferoxid gefüllt ist.

Versuchsdurchgang:

Das Eisen wird mit den Bunsenbrennern auf Rotglut erhitzt. Über den 3-Wege-Hahn

wird in den rechten Kolbenprober Feuerzeuggas geleitet. Nach dem Schließen des

Hahnes wird das Volumen an Gas V(CxHy) gemessen. Dieses Gas wird durch den 3-

Wege-Hahn über das glühende Eisen in den linken Kolbenprober geleitet und von dort

wieder in den rechten Kolbenprober. Dies wird solange wiederholt bis keine

Volumensänderung mehr eintritt. Dann läßt man das System auf Raumtemperatur

abkühlen.

Durch die katalytische Spaltung des Feuerzeuggases in elementaren Kohlen- und

Wasserstoff, ist der Wasserstoff das einzige gasförmige Reaktionsprodukt.

y xH C [ ]

2 2

H

y

C x Fe + .. .

- 9 -

Dessen Volumen, V(H2), wird gemessen.

Auswertung:

Um die Anzahl der Wasserstoffatome zu berechnen müssen wie oben die Stoffmengen

vom Feuerzeuggas, n(CxHy), und von Wasserstoff, n(H2), zueinander ins Verhältnis

gestzt werden:

( )

( ) y y H n

H C n y x 2

2

1

2

= =

( )

( ) ( ) 1

2 2

y xH C n

H n

y = .

Aus dem molaren Volumen VM und dem Gasvolumen unter Normbedingungen V0 läßt

sich die Stoffmenge n berechnen:

( ) ( ) 1 0 4 , 22

) (

- キ = = mol l

Gas n

Gas V

Gas VM ( ) ( )

( ) ( ) 2 0

Gas V

Gas V

Gas n

M

= .

(2) in (1) eingesetzt:

( )

( )

( )

( )

( ) 3

2

0

2

2 0

y x M

y x

M

H C V

H C V

H V

H V

y = .

( ) ( ) ( ) 4 2 y x M M H C V H V =

Gleichung (4) in (3) eingesetzt: ( )

( ) ( ) 5

2

0

2 0

y xH C V

H V

y = .

Wie unter a) wird die allgemeine Gasgleichung angewandt:

( )

( )y xH C V

H V

y 2 2 = .

Die folgende Tabelle zeigte die Meßergebnisse aus zwei Versuchsdurchgängen:

Versuchs- V(CxHy) V(H2

) y

Nummer in ml in ml

1 18 89 9,9

2 15 77 10,3

Durchschnittlicher Wert y = 10,1

y = 10

- 10 -

Das Molekül besitzt demnach 10 Wasserstoffatome !

CxHy x = 4 y =10

Es läßt sich daher die Summenformel vom Feuerzeuggas angeben:

10 4H C

Es handelt sich also um Butan, einem Kohlenwasserstoff der Alkanreihe !

 
 




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