Kinetik: Hydrolyse von Methylformiat

Computergestützte Experimente - Messung: Leitfähigkeit
Reaktionskinetik
Hydrolyse von Methylformiat mit einem sauren Ionenaustauscher
- eine Reaktion erster Ordnung

Ziel: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten, Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur

Peter Keusch

Messwerterfassung mit dem Programm CHEMEX und dem Analog-Digital-Wandler CHEMBOX
IBK electronic + informatic

English version

Chemikalien:
Methylformiat (M = 60.05 g / mol, d = 0.97 g / mL)
Methanol (M = 32.04 g / mol, d = 0.79 g / mL)
Ionenaustauscher I stark sauer (Merck)

Geräte und Glaswaren:
Magnetrührer
2 Magnetrührstäbchen
Rührstabentferner
Kristallisierschale d = 190 mm, h = 90 mm (für Wasserbad)
Kontaktthermometer
Leitfähigkeitsprüfer
Temperatursonde
Becherglas 250 mL
Messpipette 15 mL
Vollpipette 25 mL
Vollpipette 50 mL
3 Peleusbälle
Teebeutel

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Methylformiat ist ist leicht entzündlich.

Methanol ist giftig beim Einatmen und Verschlucken. Kann über die Haut aufgenommen werden und wirkt als Zellgift. Mögliche Vergiftungserscheinungen sind Schwindel, Kopfschmerz, Schwächegefühl, Übelkeit, Leibschmerzen und beginnende Sehstörungen mit deutlicher Übersäuerung des Blutes. In schweren Fällen kommt es zu schweren Sehstörungen, zentralnervösen Anfällen, sowie Atemlähmung und Herzstillstand.

Schutzbrille und Schutzhandschuhe sind zu tragen. Das Experiment wird im Abzug durchgeführt!

Theoretische Grundlagen:

Bei Hydrolyse von Ameisensäuremethylester mit Hilfe eines sauren Ionenaustauschers

wird der Ester in Methanol und Ameisensäure gespalten. Die Reaktion kann folglich durch Leitfähigkeitsmessung verfolgt werden.

Als Ionenaustauscher finden anorganische Zeolithe großes technisches Interesse. Katalytisch wirksam sind stets die Gegenionen. Die Kationenaustauscher in der H⁺ - Form und die Anionenaustauscher in der OH^- - Form katalysieren Reaktionen, die durch Säuren bzw. Basen beschleunigt werden. Das Netzwerk des Austauschers wirkt lediglich als Träger des Katalysators. Insbesondere sind Kunstharz-Ionenaustauscher zur Säuren- und Basenkatalyse befähigt, da sie sich leicht in die H⁺ - Form und OH^- - Form überführen lassen und wegen ihrer Porosität und Quellung eine genügend große Oberfläche besitzen und auch größere organische Moleküle in das Innere des Harzes eindringen können. Die Katalyse mit einem stark sauren Kationenaustauscher erfolgt ebenso schnell wie z.B. mit Schwefelsäure.

Versuchsdurchführung:

Neben dem Leitfähigkeitsprüfer (1) ist eine Temperatursonde (2) über den Eingang Sensor2 an die CHEMBOX angeschlossen (Abb. 1).

Abb. 1: Versuchsaufbau

In das Becherglas, das in das Wasserbad taucht, werden 94 mL dest. Wasser und 49 mL Methanol (1.21 mol) vorgelegt und ein Teebeutel mit 20 g Ionenaustauscher in die Lösung gehängt.

Mit Hilfe des Magnetrührers und eines Kontaktthermometers wird das Wasserbad auf die gewünschte Reaktionstemperatur (45 bzw. 55 °C) gebracht.

Nach Temperaturkonstanz werden mit einer Messpipette 12.3 mL Ameisensäuremethylester (0.198 mol) unter kräftigem Rühren hinzugefügt und die Messung nach 30 Sekunden gestartet. Der Messtakt beträgt 1 s.

Die sich ändernde Leitfähigkeit kann am Messbildschirm verfolgt werden (Abb. 2).

Abb. 2: Auswertungsbildschirm Bestimmung der Halbwertszeit t_1/2
1: 45.7 °C 2: 54.7 °C

Versuchsauswertung:

Bei einer Reaktion erster Ordnung lassen sich die Geschwindigkeitskonstanten aus der Halbwertszeit errrechnen. Unter der Halbwertszeit t_1/2 versteht man die Zeit, bei der ein Reaktionsumsatz von 50% zu verzeichnen ist. t_1/2 kann bereits auf dem Messbildschirm durch entsprechedes Positionieren des Maus-Cursors (Abb. 2 Cursor: Pfeil nach NW) mit großer Genauigkeit ermittelt werden. Die Geschwindigkeitskonstante k errechnet sich entsprechend Gleichung (8) Kinetische Gleichungen (Download PDF-Datei) .

	45.7 [ °C ]	54.7 [ °C ]
t_½ [ s ]	296.4	192.6
k [ s^-1 ]	0.00233	0.0036

Tab. 1: Halbwertszeit t_1/2 und Geschwindigkeitskonstante k

Auswertung der mit der CHEMBOX erfassten Messdaten in Microsoft Excel - Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten k und der Aktivierungsparameter

Excel

Tab. 2: Messwerte k(t) Konvertierung gemäß y = ln (1.275*(1 - k / k_¥))
Die Anfangskonzentration des Methylformiats ist 1.275 mol/L.

Nach Import der Daten in Microsoft Excel erstellt man entsprechend Gleichung (6) Kinetische Gleichungen (Download PDF-Datei) im Tabellenblatt (Tab. 2) einen Block, der die Auftragung von
ln(1.275*(1 - k / k_¥))

gegen t und somit die Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten ermöglicht (Abb. 3).

Die am Ende der Reaktion gemessene Leitfähigkeit k_¥ entspricht [ A ] ₀ (Anfangskonzentration des Methylformiats) und k _¥ - k entspricht [ A ] (Konzentration des Methylformiats zur Zeit t).

Abb. 3: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten k
1: 45.7 °C 2: 54.7 °C y = ln (1.275*(1 - k / k_¥))

Bei einem Messtakt von 1 s ist der Übersicht halber im Diagramm Abb. 4 nur jeder zwölfte Messpunkt berücksichtigt. Ein in Visual Basic programmiertes Dialogmodul bietet die Möglichkeit, Messwerte vor Erstellung der Diagramme im Tabellenblatt auszublenden.

	45.7 [ °C ]	54.7 [ °C ]
k [ s^-1 ]	0.0023	0.0037

Tab. 3: Geschwindigkeitskonstanten

Deutung des Versuchsergebnisses:

Bereits eine geringe Temperaturerhöhung führt zu einer merklichen Erhöhung der effektiven Zusammenstöße. Mehr Moleküle stoßen mit einer kinetischen Energie zusammen, die einen gewissen Schwellenwert übersteigt.

Das Versuchsergebnis bestätigt die van't Hoff'sche Regel, nach der eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 °C eine Verdoppelung bzw. Vervierfachung der Reaktionsgeschwindigkeit bewirkt (Diese Regel ist nur in einem engen Temperaturintervall anwendbar).

Hinweis:
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