Peter Keusch
IBK electronic + informatic
English version
Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:
Schutzbrille und Schutzhandschuhe erforderlich. Das Experiment ist im Abzug durchzuführen! Theoretische Grundlagen: Benzoylchlorid wird durch wässerige Ethanollösung hydrolysiert.
| |
Die Reaktion kann folglich durch Leitfähigkeitsmessung verfolgt werden.
Experiment 1: Nachweis einer Reaktion erster Ordnung
Versuchsdurchführung:
Neben dem Leitfähigkeitsprüfer (1) ist auch 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 100 mL 99 % Ethanol vorgelegt. Mit Hilfe des Magnetrührers und eines Kontaktthermometers wird das Wasserbad auf ca 50 °C erwärmt.
Nach Temperaturkonstanz werden mit einer Mikropipette 92.6 ml Benzoylchlorid (0.8 mmol) unter kräftigem Rühren zugefügt und sofort die Messung gestartet. Der Messtakt beträgt 1 s. Temperaturkonstanz und sich ändernde Leitfähigkeit können am Bildschirm verfolgt werden (Abb. 2). Ist die Reaktion beendet, so wird die Messreihe gespeichert. Wie beschrieben verfährt man mit 68.5 mL Benzoylchlorid (0.6 mmol) und mit 46.3 mL Benzoylchlorid (0.4 mmol). Alle Experimente werden bei der gleichen Reaktionstemperatur durchgeführt. |
Abb. 2: Auswertungsbildschirm Hydrolyse von Benzoylchlorid bei unterschiedlichen Konzentrationen T = 50.4 °C
1: 0.4 mmol 2: 0.6 mmol 3: 0.8 mmol in 99 % Ethanol
Versuchsauswertung:
Ermittlung der Halbwertszeit und Berechnung der Geschwindigkeitskonstanten
Bei einer Reaktion erster Ordnung lassen sich die Geschwindigkeitskonstanten aus der Halbwertszeit ermitteln. Unter der Halbwertszeit t1/2 versteht man die Zeit, bei der ein Reaktionsumsatz von 50 % zu verzeichnen ist. t1/2 kann bereits auf dem Messbildschirm mit großer Genauigkeit ermittelt werden. Die Geschwindigkeitskonstante k errechnet sich entsprechend Gleichung (8) Kinetische Gleichungen (Download PDF-Datei).
| 0.4 mmol | 0.6 mmol | 0.8 mmol
|
k¥ [ mS ]
| 394
| 554
| 720
|
k¥ / 2 [ mS ]
| 197
| 277
| 360
| t½ [ s ]
| 64.4
| 59.6
| 61.8
| k [ s -1 ]
| 0.0108
| 0.0116
| 0.0112 | |
Auswertung der Messdaten in Microsoft Excel Bestimmung der Geschwindigkeitskonstante k
Entsprechend Gleichung (6) Kinetische Gleichungen (Download PDF-Datei) erstellt man im Tabellenblatt (Tab. 1) einen Block, der die Auftragung von
gegen tund somit die Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten ermöglicht (Abb. 3).
Tab. 2: Messwerte k (t) Konversion gemäß y = -ln (x · (1 - k / k¥))
x = 0.004 (0.006, 0.008
Abb 3: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten k
1: y = -ln (0.004 · (1 - k / k¥)) 2: y = -ln (0.006 · (1 - k / k¥)) 3: y = -ln (0.008 · (1 - k / k¥))
| 0.4 mmol | 0.6 mmol | 0.8 mmol
| k [ s -1 ]
| 0.0110
| 0.0111
| 0.0113 | |
Deutung des Versuchsergebnisses:
Da eine Reaktion erster Ordnung vorliegt ist die Halbwertszeit von der Anfangskonzentation des Benzoylchlorids unabhängig.
Experiment 2: Einfluss des Lösungsmittels auf die Geschwindigkeitskonstante
0.8 mmol Benzoylchorid werden bei 53.4 °C mit 100 mL wässeriger Ethanollösung und bei 46.4 °C mit 100 mL wässeriger Acetonlösung umgesetzt.
Abb. 4: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstante k
1: 99 % 2: 98 % 3: 97 % 4: 96 % 5: 95% EtOH
y = -ln (0.008 · (1 - k / k¥))
Abb. 5: Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante k von der Ethanolkonzentration
Abb. 6: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstante k
1: 80 % 2: 70 % 3: 60 % 4: 55 % 5: 52.55 % 6: 50 % Aceton
y = -ln (0.008 · (1 - k / k¥))
Abb. 7: Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante k von der Acetonkonzentration
Experiment 3: Ermittlung der Aktivierungsparameter
Versuchsdurchführung:
0.8 mmol Benzoylchorid werden in 100 mL 99 % Ethanol bei drei verschiedenen Reaktionstemperaturen umgesetzt.
Versuchsauswertung:
Auswertung der Messdaten in Microsoft Excel - Bestimmung der Geschwindigkeitskonstante k und der Aktivierungsparameter
Abb 8: Leitfähigkeitskurven
1: 45.7 °C 2: 51.2 °C 3: 54.4 °C
Abb. 9: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten k
y = -ln (0.008 · (1 - k / k¥))
| 45.7 [ °C ] | 51.2 [ °C ] | 54.4 [ °C ]
| k [ s -1 ]
| 0.0079
| 0.0122
| 0.0156 | |
Trägt man die Geschwindigkeitkonstanten und die entsprechenden Reaktionstemperaturen in die Tabelle der Excel-Datei Aktivierungsparameter (Download) ein, so werden alle Aktivierungsparameter (Tab. 5) errechnet und in einem Diagramm die Auftragungen nach ARRHENIUS und EYRING ( Abb. 5) realisiert.
Experiment 4: Ermittlung der Aktivierungsparameter
Versuchsdurchführung:
0.8 mmol Benzoylchorid werden in 100 ml einer wässerigen Acetonlösung (Aceton : Wasser = 50 : 50) bei drei verschiedenen Reaktionstemperaturen umgesetzt.
Versuchsauswertung:
Auswertung der Messdaten in Microsoft Excel - Bestimmung der Geschwindigkeitskonstante k und der Aktivierungsparameter
Abb 11: Leitfähigkeitskurven
1: 24.36 °C 2: 28.42 °C 3: 32.77 °C
Abb. 12: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten k
y = -ln (0.008 · (1 - k / k¥))
| 24.4 [ °C ] | 28.4 [ °C ] | 32.8 [ °C ]
| k [ s -1 ]
| 0.0092
| 0.0143
| 0.0220 | |
Anmerkung: SN - Reaktionen, in denen das Nukleophil auch das Lösungsmittel darstellt werden gemeinhin als Solvolysen bezeichnet. In solchen Fällen liegt eigentlich eine Reaktion pseudo-erster Ordnung vor.
Liste der Chembox-Experimente
