1. Das Experiment: Siedetemperaturbestimmung von Alkoholen

Zunächst soll eine Apparatur entwickelt werden, die es erlaubt, die Siedetemperatur einer unbekannten, möglicherweise giftigen Flüssigkeit bei Normaldruck zu bestimmen.

Anmerkung: Die Siedetemperatur ist erreicht, wenn sich überall in der Flüssigkeit Dampfblasen bilden. Beim weiteren Erhitzen steigt die Temperatur nicht weiter, die zugeführte Wärme wird zur Verdampfung benötigt (Verdampfungsenergie). Die Siedetemperatur ist vom Luftdruck abhängig. Deshalb muss zur Identifikation eines Reinstoffes der Siedepunkt angegeben werden, der aus zwei Angaben besteht: der Siedetemperatur und dem (Luft-)Druck.

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Für die Konstruktion von Apparaturen gelten allgemeine Regeln.

Bild 1: Die Siedetemperaturbestimmung einer möglicherweise giftigen Flüssigkeit in geschlossener Apparatur. ... mit elektrischer Heizung

Auszug für den Zusammenbau der Apparatur H aus Bild 1:

1. Legen Sie alle Einzelteile in der Reihenfolge der Apparaturskizze unverschraubt vor sich auf den Tisch, prüfen Sie dabei die Dichtungen und Glasrohre auf Unversehrtheit.
2. Schrauben Sie die Schraubkappen lose auf die Gewinde.
3. Setzen Sie die Apparaturen zu Baugruppen zusammen, indem Sie die Glasrohre durch die losen Schraubdichtungen stecken und festziehen.
4. Verbinden Sie die Baugruppen miteinander und schrauben Sie alle Schraubkappen fest. Die Verbindungen sind dicht, wenn sich die durchführenden Glasrohre nur schwer ziehen lassen. - Füllen Sie Kühlwasser in den Außenkühker (T-Stück).
5. Machen Sie die Probe auf Dichtigkeit.
6. Drehen Sie die Apparatur auf die Rückseite um und stecken Sie die Federklammern mit der Kunststoffseite zwischen Gewinde und seitlichen Ansatz. Der Kolbenprober erhält eine große Federklammer ohne Kunststoffüberzug.
7. Drehen Sie die Federklammer in sich passend, so dass Sie das L-förmige Aluminiumstativrohr darauf einrasten können.
8. Hängen Sie anschließend die Apparatur mit Vierkant-Muffen an einem Bunsenstativ auf.
9. Neigen Sie die Apparatur so, dass ein Rückfluss vom Außenkühler zum Siedegefäß entsteht.

3. Chemische Operationen und Methoden für die Synthese

Es gelten die allgemeinen Grundsätze für stoffliche Gleichgewichte.

1. Stoffe können nur miteinander reagieren, wenn sie sich berühren (Synthese).
2. Stoffe, die nicht miteinander reagieren sollen, sind durch Puffervolumina zu voneinander zu trennen (Sicherheit, Analyse).
3. Der leichter bewegliche, ungiftige Stoff wird zum schweren beweglichen Stoff hin transportiert (Synthese).
4. Erhitzen beschleunigt die Umsetzungsgeschwindigkeit, führt aber bei exothermen Reaktionen zur Ausbeuteverringerung.
5. Der schwerer bewegliche Stoff bleibt zurück und wird zuerst abgetrennt (Analyse).

Um chemische Reaktionen am Menschen zu vermeiden, dürfen Chemikalien nicht mit dem Menschen in Kontakt kommen. Dazu dienen die persönlichen Schutzmaßnahmen, Schutzbrille, Handschuhe und Brille. Sie sind allesamt redundante Sicherheitsmaßnahmen. Die primäre Schutzmaßnahme ist die geschlossene Apparatur. Genaues regelt die Gefahrstoffverordnung mit ihrem Schutzstufenkonzept .

Eine geschlossenen Apparatur muss aber auch gefüllt und entleert werden. Damit dabei aber keine gesundheitsgefährdenden oder giftigen Stoffe frei werden, wird ein Abzug benötigt. Der Abzug ist kein Teil der Apparatur!

Um eine Apparatur zu konstruieren, geht man von den Aggregatzuständen der Edukte und erwarteten Produkte aus und kombiniert diese mit den Reaktionsbedingungen.

Durch die Gefährlichkeit der Stoffe wird die Schutzstufe (Gefahrstoffverordnung) im Umgang mit den Stoffen bestimmt. Da hier bei den zu analysierenden Flüssigkeiten auch Methanol vorliegen kann, gilt: bei unbekannten Stoffe die Schutzstufe 3 (geschlossene Apparatur).

Die Größe der Apparaturen hängt davon ab, wie viel Ausgangssubstanz vorhanden ist oder wie viel Produkt benötigt wird. Für analytische Zwecke, wie hier, werden möglichst kleine Stoffportionen eingesetzt. Für die Siedetemperaturbestimmung reichen bei dieser Apparatur 7 Tropfen Flüssigkeit.

Wenn man ein Gemisch aus zwei Flüssigkeiten miteinander reagieren lassen will, benötigt man ein Gefäß. Wenn dabei Dämpfe entstehen, die gefährlich sein könnten, muss mit einem geschlossene Gefäß gearbeitet werden. Wenn die Reaktion durch Erhitzen gefördert werden soll, müssen für die entstehenden Gase Reserve-Volumen in der Apparatur bereitgehalten werden. Damit die Stoffe sich nicht als Gas dem Reaktionsbereich entziehen, müssen sie kondensiert und wieder zurückfließen können.

Nach der Reaktion müssen die Edukte und Produkte getrennt werden. Haben die Edukte und Produkte unterschiedliche Siedetemperaturen, kann man die entstehenden Gase nach ihrer Kondensation in eine Vorlage ableiten. Damit unterscheiden sich Siedetemperaturbestimmung, Sieden unter Rückfluss und Destillation nur durch die Fließrichtung der kondensierten Stoffe. Bei geschickter Konstruktion der Apparatur können die drei Apparaturen ineinander überführt werden, ohne die Apparatur zwischenzeitlich, außer zum Füllen, zu öffnen.

Für die Lage eines chemischen Gleichgewichtes gilt das "Prinzip des kleinsten Zwanges":

Erhitzen beschleunigt die chemische Umsetzung, Kühlen verlangsamt sie.

Exergonische Reaktionen werden durch Energiezufuhr zu geringeren Umsätzen verschoben und umgekehrt.

6. Stofftrennung durch Destillation und Sublimation

Zum Destillieren wird der Kühler um 180° nach unten gedreht und das Ausgleichsgefäß entsprechend nach oben. Das Heizen sollte dabei nur ganz kurz unterbrochen werden. Damit die geringe Wärmeabgabe einer Kerzenflamme zum Übertritt des Dampfes in den Kühler ausreicht, ist es hilfreich, den seitlichen Ausgang bis zum Kühler mit Alufolie vor Wärmeabstrahlung zu schützen.

Stofftrennung durch fraktionierte Destillation

Die fraktionierte Destillation wird angewendet, wenn drei oder mehr flüssige Stoffe zu trennen sind. Zwangsweise liegen bei mehreren Stoffen die Siedetemperaturen dichter beieinander. Da es sich bei der Destillation streng genommen um einen adiabtischen Vorgang handelt, sind Trennkolonnen hilfreich. Die bekannteste ist die sogenannte Vigreux-Kolonne (Art. 2479). Die nacheinander überdestillierenden Teile des Gemisches, "Fraktionen", werden mit Hilfe von Fraktionssammlern aufgefangen. Häufig wird dafür eine "Spinne" (Art. 2482; Skizze, Foto) eingesetzt, an die mehrere Vorlagen angeschlossen sind.

Überlappen sich die Siedebereiche, weil viele Stoffe im Gemisch enthalten sind, werden Glockenboden-Kolonnen einsetzt (Beispiel Erdöl).

Stofftrennung durch "Vakuum"-Destillation

Bei den kleinen Stoffportionen der Halbmikrotechnik kann man das Destillieren durch Anlegen eines Unterdrucks erreichen. Dazu braucht man nur am Stempel des Kolbenprober zu ziehen, der als Reservevolumen eingebaut ist. In der präparativen Chemie wird stattdessen ein Dauervakuum mittels Vakuumpumpe angelegt.

Stofftrennung durch Wasserdampfdestillation

Liegt der abzutrennende Stoff im Gemisch als wasserunlöslicher Stoff vor, so wird häufig eine Wasserdampfdestillation eingesetzt. Streng genommen wird nur Wasser als mobile Phase "Transportmittel" eingesetzt, das bei dieser Temperatur die Stoffe mit niedrigem Dampfdruck mitreißt. Da Wasser bei 100°C siedet, liegen schonende Bedingungen vor, weshalb man viele pflanzlichen Inhaltsstoffe auf diese Weise gewinnt (Beispiel ätherische Öle).

Stofftrennung durch Sublimation

Ist es möglich, einen Stoff durch Sublimation abzutrennen, wird mit häufig mit einem "Fingerkühler" gearbeitet, da der sublimierte Stoff fest vorliegt und sich deswegen nicht leicht vom Trennort entfernt.

Außenkühler - Innenkühler http://de.wikipedia.org/wiki/Labork%C3%BChler

Rückfluss-Kühler http://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%BCckflussk%C3%BChler

7. Stofftrennung durch Extraktion und "Scheiden"

Die Trennmethode des Extrahierens und Scheidens setzt zwei, nach Möglichkeit nicht mischbare, flüssige Phasen voraus. Beliebtes Lösemittel ist Wasser oder Benzin. Oftmals kann man die Unlöslichkeit eines abzutrennenden Stoffen in Wasser dadurch erhöhen, indem man die dem Wasser ein Salz zusetzt. Dadurch wird die Dipolwirkung durch die enthaltenen Ionen verstärkt. So lösen sich Ether, Ester oder Amine merklich in Wasser, die Löslichkeit nimmt aber stark ab, wenn statt Wasser eine gesättigte Lösung von Natriumsulfat oder Natriumchlorid genommen wird. Man nennt diese Abtrennung "Scheiden durch Aussalzen".

8. Stofftrennung durch Umfällen und Filtration

Feste Stoffe eines Gemisches werden durch Filtration entfernt. Auch hier nutzt man die unterschiedlichen Löslichkeit der Stoffe eines Gemisches zum Trennen aus. In diesem Fall wählt man ein Lösemittel benutzt, um einen darin löslichen Stoff von einem darin unlöslichen Stoff abzutrennen. Auf diese Weise werden Verunreinigungen durch wiederholtes Auflösen in der Hitze und Auskristallisieren in der Kälte entfernt.

... zur Filtration

9. Stoffidentifikation

Siedetemperatur
Hydrolyse
Umesterung und Schmelztemperatur

Unter dem Titel "Didaktik der Organischen Chemie nach dem PIN-Konzept" existiert eine Unterrichtsreihe, die sich mit der Synthese und Analytik von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoffverbindungen befasst. Die Reihe kann als propädeutisch für ein naturwissenschaftliches Studium angesehen werden und ist für die Sek II ausgelegt, vorrangig für Leistungskurse.

Es gibt eine ausführliche Website zum Buch , die das Experimentieren, aber auch die Vorbereitung für den Lehrer erleichtert.

Allerdings wird dabei das Arbeiten in geschlossenen Systemen nicht angesprochen. Wie hier gezeigt, lässt sich die Arbeitstechnik mit geeignetem Gerät leicht den erforderlichen Ansprüchen anpassen. Schwerer wiegen die Bedenken , mit der Reagenzlösung "Dichromat-Test" in Schülerübungen zu arbeiten (siehe Kaliumdichromat gestis-Datenbank).

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