Versuchsprotokoll zum chemischen Gleichgewicht

Chemisches Gleichgewicht und Berechnung der Gleichgewichtskonstante bei der Esterhydrolyse, bzw. der Veresterung

Problemstellung:

Wie untersucht man das chemische Gleichgewicht einer Reaktion mit Hilfe einer Titration und wie ermittelt man die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion?

Versuchsplanung:

Man untersucht das Gleichgewicht einer Veresterung, weil die Reaktion allgemein bekannt ist. Dazu führt man drei Versuche durch. Es werden eine Veresterung, eine Esterhydrolyse und eine Blindprobe angesetzt. Bei allen Ansätzen muss das chemische Gleichgewicht eintreten. Das heisst, es wird genauso viel Säure erzeugt und verbraucht, wie Ester erzeugt und verbraucht wird. Die Stoffmengen ändern sich nicht mehr. Durch einen Katalysator (Schwefelsäure) wird es ermöglicht, dass das Gleichgewicht schon nach maximal 2 Tagen entsteht. Nachdem diese mit einem Indikator versetzt wurden, wird bei allen drei Lösungen eine Titration mit Natronlauge durchgeführt. Die Blindprobe dient zur Überprüfung, inwiefern die Schwefelsäure, das Meßergebnis beeinflußt. Schlägt die Farbe (des Indikators) um, dann ist in diesem Moment die gesamte Säure, die im Gleichgewicht vorhanden ist, durch die Natronlauge neutralisiert worden. Das Volumen der verbrauchten Natronlauge wird abgemessen, man kann dadurch errechnen, wieviel Säure noch im Gleichgewichtszustand vorhanden war. Dann müssen die Konzentrationen der anderen beteiligten Stoffe errechnet werden und daraus ergibt sich dann laut dem Massenwirkungsgesetz die Gleichgewichtskonstante.

Das Massenwirkungsgesetz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Gleichgewichtskonstante entsteht aus dem Produkt der Produkte dividiert durch das Produkt der Edukte (Voraussetzung ist eine konstante Temperatur).

k = C · D / A · B

Die Titration

Maßanalytische Konzentrationsbestimmung, bei der man mit Hilfe eines Indikators den Gleichgewichtszustand einer Reaktion ermittelt. Man gibt dafür eine Lösung mit bekannter Konzentration zu der zu untersuchenden Probe.

Geräte:

- 100-ml-Erlenmeyerkolben + Stopfen (3 x)
- Messpipetten
- Bürette
- Becherglas (3 x)
- Rührmagnet (Magnetfisch)

- Chemikalien:

- 0,5 mol Ethansäure
- 0,5 mol Ethanol
- 0,5 mol Ethansäureethylester
- konzentrierte Schwefelsäure
- Aceton
- destilliertes Wasser
- Bromthymol-Blau-Lösung
- Natronlauge (0,1 mol/l)

Versuchsdurchführung:

1. Ansetzen der Veresterung

In einen Erlenmeyerkolben werden 28,6 ml Ethansäure, 29,2 ml Ethanol und 0,5 ml Schwefelsäure gegeben. Dann wird die Lösung mit Aceton bis auf 100 ml aufgefüllt. Sie muss 2 Tage lang bei Zimmertemperatur magnetisch gerührt werden.

2. Ansetzen der Esterhydrolyse

49 ml Ethansäureethylester, 9 ml destilliertes Wasser und 0,5 ml Schwefelsäure werden in einen Erlenmeyerkolben überführt. Die Lösung wird ebenso mit Aceton aufgefüllt und 2 Tage gerührt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Blindprobe

In einen Erlenmeyerkolben werden 0,5 ml der Schwefelsäure gegeben und mit destilliertem Wasser auf 100 ml aufgefüllt.

4. Titration

Zwei Tage später wird die Titration durchgeführt. Dazu füllt man ein Bürette mit 50 ml Natronlauge (NaOH). Von den drei Ansätzen wird jeweils 1 ml der Lösung entnommen und in Becherglas überführt. Dazu schüttet man einige Tropfen des Indikators Bromthymol-Blau, die Probe färbt sich gelb. Anschließend wird die Probe mit etwa 50 ml destilliertem Wasser verdünnt. Nun wird aus der Bürette die Natronlauge tröpfchenweise in die Lösung gefüllt, bis die Lösung nach Blau umschlägt. Dann muss das Volumen der verwendeten Natronlauge abgemessen werden (das Volumen der in der Bürette verbliebenen Natronlauge wird von den ursprünglichen 50 ml abgezogen).

Neutralisation durch die Titration

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Messprotokoll:

Drei Gruppen führten jeweils alle drei Titrationen durch.

Angegeben ist das Volumen der verbrauchten Natronlauge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im weiteren Verlauf werden immer die Durchschnittswerte verwendet.

Auswertung:

Auswertung der Blindprobe

Der Wert bei der Blindprobe entspricht der Menge an Natronlauge, die nicht an Neutralisation der Ethansäure sondern an der Neutralisation der Salzsäure beteiligt ist. Deshalb muss man diesen Wert bei den beiden anderen Proben abziehen.

Esterhydrolyse: 29,6 ml - 16,5 ml = 13,1 ml

Veresterung: 30,3 ml - 16,5 ml = 13,8 ml

Die Volumina sind relativ gleich groß.

Berechnung der Stoffmenge von Ethansäure

Man berechnet erst die Stoffmenge der Natronlauge, da das Volumen (Meßwerte) und die Konzentration bereits bekannt ist. Das Verhältnis von Natronlauge zu Ethansäure ist:

n (Ethansäure) : n (NaOH) = 1 : 1

also n (NaOH) = n (Ethansäure)

Esterhydrolyse

ges.:

n (Ethansäure)

geg.:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

c (NaOH) = 0,1 mol/l

V = 0,0131 l

In der Probe (V = 1 ml):

n (NaOH) = c · V = 0,1 mol/l 0,0131 l = 0,00131 mol = n (Ethansäure)

Im Kolben (V = 100 ml):

Die Stoffmenge von Ethansäure muss mit 100 multipliziert werden, da die Neutralisation an der Probe durchgeführt wurde, deren Volumen nur 1 ml betrug.

n (Ethansäure) = 0,131 mol

Um nun die Konzentration zu errechnen müssen wir die Stoffmenge durch das Volumen dividieren.

c (Ethansäure) = n / V = 0,131 / 0,1 l = 1,31 mol/l

Veresterung

ges.:

n (Ethansäure) geg.:

n = c · V

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

c (NaOH) = 0,1 mol/l

V = 0,0138 l

In der Probe (V = 1 ml):

n (NaOH) = c · V = 0,1 mol/l 0,0138 l = 0,00138 mol = n (Ethansäure)

Im Kolben (V = 100 ml):

n (Ethansäure) = 0,138 mol

c (Ethansäure) = n / V = 0,138 / 0,1 l = 1,38 mol/l

Berechnung der Gleichgewichtskonstante

Zuerst müssen die Konzentrationen der anderen beteiligten Stoffe errechnet werden. Wir kennen die Konzentration von Ethansäure, die Ausgangskonzentrationen und die Verhältnisse.

c (Ethanol) = c (Ethansäure)

c(Wasser) = c (Ethansäureethylester) = c_ (Ethansäure) - c (Ethansäure)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bsp. Veresterung:

Im Gleichgewicht sind noch 1,38 mol der Ethansäure und ebensoviel Ethanol, da auch die Ausgangskonzentrationen gleich waren, vorhanden. Das heisst, der Rest von den anfänglichen 5 mol wurde umgewandelt. Pro Mol Ethansäure (und pro Mol Ethanol), die umgewandelt werden entsteht ein Mol Ester und ein Mol Wasser. Aus 3,62 mol Ethansäure und 3,62mol Ethanol entstanden also 3,62 mol Ester und 3, 62 mol Wasser. (Bei der Esterhydrolyse funktioniert alles anders herum)

Nun kann man die Gleichgewichstkonstante mit dem Massenwirkungsgesetz berechnen.

Veresterung NR:

k = c (Ethansäureethylester) · c (Wasser) / c (Ethanol) · c (Ethansäure)

k = (3,62)² / (1,38)² = 13,1044 / 1,9044 = 6,88

k (Veresterung) = 6,88 l/mol

Der Literaturwert ist mit k = 4 l/mol deutlich geringer. Eigentlich müßte also mehr von dem Produkt (Ester) im Gleichgewicht vorhanden sein.

Esterhydrolyse NR:

k = c (Ethanol) · c (Ethansäure) / c (Ethansäureethylester) · c (Wasser)

k = (1,38)² / (3,69)² = 1,9044 / 13,6161 = 0,14

k (Esterhydrolyse) = 0,14 l/mol

Die relativ kleine Konstante (< 1) zeigt, bei der Esterhydrolyse entstehen weniger Produkte (Säure) als Edukte (Ester). Die Konstante entspricht ungefähr dem Kehrwert der Konstante der Veresterung, da die Esterhydrolyse die Rückreaktion der Veresterung ist und also Edukte und Produkte vertauscht wurden (Literaturwert ist dementsprechend k = 0,25 l/mol).

Fehlerdiskussion:

Die Differenz zum Literaturwert kann durch verschiedene Fehler verursacht worden sein.

- Messungen wurden nicht exakt durchgeführt. Die Volumina der verschiedenen Stoffe und die Konzentration der Natronlauge könnten ungenau sein.
- Die Temperatur war nicht konstant und wahrscheinlich niedriger als im ,,Normalfall". Auch der Luftdruck könnte eine Rolle gespielt haben. Dadurch kann sich die Lage des Gleichgewichts (in Richtung der Esterhydrolyse) verschoben haben.
- Eventuell könnten die Geräte verunreinigt gewesen sein mit anderen Chemikalien, die ebenfalls mit den Stoffen reagiert haben könnten und die Ergebnisse verfälschten haben.