Prak Tik Um Script All g Chem

PRAKTIKUM IN ALLGEMEINER CHEMIE

anorganische und analytische Chemie

H. Schnberg

Auf der Grundlage von Praktikum in allgemeiner Chemie

nach G. Anderegg, R. Naegeli und T. F. Fssler

Laboratorium fr anorganische Chemie ETH ZRICH

2013

VORWORT

Das Praktikum in allgemeiner Chemie soll den Studierenden mit einfachen

experimentellen Arbeiten im Laboratorium vertraut machen. Dabei sollen erste

Erfahrungen mit dem Reaktionsverhalten von Stoffen gemacht werden. Neben einer

Reihe von quantitativen Versuchen vermitteln qualitative Versuche Kenntnisse ber

die chemischen Eigenschaften von Substanzen. Die Gliederung des Praktikums soll

fundamentale Prinzipien verdeutlichen. Gleichzeitig sind die einzelnen Versuche so

ausgewhlt, dass ein mglichst vielfltiger berblick ber Substanzklassen und

Phnomene der Chemie erhalten wird. Es wurde auch versucht, nach Mglichkeit

Beispiele von aktuellem Interesse heranzuziehen.

Diese Anleitung beruht auf der Praktikumsanleitung Praktikum in allgemeiner

Chemie von G. Anderegg und R. Naegeli (1987) berarbeitet von T. F. Fssler

(1995). Die Versuche wurden neu zusammengestellt und im Wesentlichen durch

einen vorangestellten qualitativen analytischen Teil ergnzt. Damit sollen

Kenntnisse ber die Eigenschaften von Stoffen als wesentliche Grundlage fr das

synthetische Arbeiten erlangt werden.

Viele chemische Substanzen und Verbindungen sind potentiell gefhrlich. Von den

Studenten wird deshalb viel Selbstdisziplin gefordert; durch ein striktes Befolgen der

angegebenen Arbeitsvorschriften knnen mgliche Gefahren gebannt werden. Der

angehende Chemiker soll rasch eine Arbeitsweise erlernen, die es auch erlaubt, mit

unbekannten Substanzen umzugehen.

Die Versuche wurden unter dem Aspekt einer umweltgerechten Entsorgung der

Abflle und, sofern mglich, der Chemikalienrckgewinnung zusammengestellt. In

einem Versuch ist ein wesentlicher Bestandteil das Recycling der eingesetzten

Substanzen. Der qualitativ analytische Teil verzichtet auf die Verwendung einer

Reihe von hoch giftigen Reagenzien (R. Kissner).

Das Praktikum liefert Anschauungsmaterial zu den Chemievorlesungen, whrend

die Vorlesungen die Theorie und die Prinzipien zu denen im Praktikum

beobachteten Phnomenen erklrt und vertieft.

Am Anfang jedes Kapitels soll eine kleine Einfhrung in die Theorie, die nur als

Ergnzung zur Vorlesung zu betrachten ist, das Verstndnis fr die Versuche

erleichtern. Es sei auch auf die Literaturzitate in dieser Anleitung hingewiesen.

Die Versuche sind im Allgemeinen leicht abgenderte Standardversuche aus der

Literatur. Es sei deshalb darauf hingewiesen, dass das Studium der Literatur

zustzliche Informationen liefert und den Lernerfolg begnstigt.

Zrich, August 2000

H. Schnberg

1

INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS .............................................................................................1 I ALLGEMEINES .........................................................................................................4

1. SICHERHEITSVORKEHRUNGEN UND TOXIKOLOGIE ..................................................... 4 1.1 Verhalten im Labor ........................................................................................ 4 1.2 Krperschutzmittel ......................................................................................... 4 1.3 Chemikalien ................................................................................................... 5 1.4 Handhabung von Glas und Glasapparaturen ................................................ 6 1.5 Gasflaschen .................................................................................................. 7 1.6 Glasschliffe .................................................................................................... 7 1.7 Heizen ........................................................................................................... 8 1.8 Elektrische Apparate ..................................................................................... 9 1.9 Brandschutz .................................................................................................. 9 1.10 Medien ......................................................................................................... 9 1.11 Kapellen .................................................................................................... 10 1.12 Verhalten bei Unfllen ............................................................................... 10

2. DEFINITIONEN EINIGER GEBRUCHLICHER TOXIKOLOGISCHER BEGRIFFE .................. 11 3. PRAKTIKUMSPENSUM, LEISTUNGSANFORDERUNGEN ............................................... 13

3.1 Versuchsablaufplan (Orientierung) .............................................................. 15 3.2 Anfertigung des Laborjournals ..................................................................... 16 3.2 Schreiben der Berichte ................................................................................ 20

4. PRAKTIKUMSORGANISATION UND ORDNUNG IM LABOR ............................................ 21 4.1 Belegung der Laborpltze ........................................................................... 21 4.2 Finanzielles ................................................................................................. 21 4.3 Ordnung im Labor........................................................................................ 22 4.4 Semesterende und -anfang ......................................................................... 22

5. DIE PRAKTIKUMSANLEITUNG ................................................................................. 22 6. GRUNDOPERATIONEN: WGEN UND VOLUMENMESSUNGEN ..................................... 24

6.1 Wgen ......................................................................................................... 24 6.2 Volumenmessungen .................................................................................... 24 6.3 Ablesen und Handhabung ........................................................................... 25 6.4 Welche Genauigkeit ist bei Einwaagen erforderlich?................................... 26

7. EXPERIMENTE ..................................................................................................... 27 Versuch I.1: Glaswaren zur Volumenmessung .................................................. 27 Versuch I.2: Wgen definierter Volumina ......................................................... 27 Versuch I.3: Bestimmung der Dichte von Ethanol ............................................. 28

II SURE - BASE REAKTION ................................................................................... 29 1. EINFHRUNG ....................................................................................................... 29 2. THEORIE: BRNSTED-SUREN UND -BASEN ........................................................... 30

2.1 Definitionen nach Brnsted ......................................................................... 30 2.2 Sure-Base-Gleichgewichte ........................................................................ 30 2.3 Der pH-Wert ................................................................................................ 36 2.4 Mehrprotonige Suren ................................................................................. 37 2.5 Farbstoffsuren als pH-Indikatoren .............................................................. 38 2.6 Bestimmung des quivalenzpunktes ........................................................... 39 2.7 Pufferlsungen ............................................................................................ 41 2.8 Spektrophotometrie: Lambert-Beersches Gesetz ....................................... 43 2.9 pH Messung mit pH - Metern .................................................................... 46

2

3. RECHENBEISPIELE ............................................................................................... 50 3.1 Berechnen von Konzentrationen und pH-Werten in Lsung ........................ 51 3.2 Beispiele fr Konzentrations- und pH-Berechnungen .................................. 54

4. EXPERIMENTE ..................................................................................................... 60 Versuch II.1: Charakterisierung von Suren ...................................................... 60 Versuch II.2: Massanalyse - Bestimmung der Konzentration einer Salzsure; Vergleich von pH-Meter und Indikator ............................................................... 62 Versuch II.3: Die Titration einer schwachen Sure mit einer starken Base: Bestimmung der Surekonzentration von Essigsure ....................................... 64 Versuch II.4: Identifizierung einer unbekannten organischen Sure ................. 66 Versuch II.5: Puffervermgen ............................................................................ 72

III FLLUNGSREAKTIONEN .................................................................................... 74 1. EINFHRUNG ....................................................................................................... 74 2. THEORIE: FLLUNGSREAKTIONEN ......................................................................... 74

2.1 Lslichkeitsprodukt ...................................................................................... 74 2.2 Potentiometrische Titration von Halogeniden mit Ag+.................................. 78 2.3 Leitfhigkeit ................................................................................................. 81 2.4 Konduktometrische Titration ........................................................................ 83

3. EXPERIMENTE ..................................................................................................... 85 Versuch III.1: Argentometrische Chloridanalyse (Klarpunktstitration, Titration nach Mohr, potentiometrische Titration) ............................................................ 85 Versuch III.2: Gravimetrische Bestimmung des Nickelgehaltes ........................ 91

IV REDOXREAKTIONEN .......................................................................................... 94 1. EINFHRUNG ....................................................................................................... 94 2. THEORIE: REDOXREAKTIONEN .............................................................................. 95

2.1 Oxidationszahlen ......................................................................................... 95 2.2 Reaktionsgleichungen bei Redoxreaktionen ............................................... 97 2.3 Galvanische Zelle und Redoxpotentiale .................................................... 100 2.4 Das Latimer - Diagramm ........................................................................... 108 2.5 Nernstgleichung ........................................................................................ 109 2.6 Anwendung der galvanischen Zelle ........................................................... 113 2.7 Faraday'sche Gesetze ............................................................................... 116 2.8 Potentiometrische Titration ........................................................................ 119 2.9 Berechnung einer Summenformel ............................................................. 123

3. EXPERIMENTE ................................................................................................... 125 Versuch IV.1: Batterie...................................................................................... 125 Versuch IV.2: Synthese von zwei unbekannten Kobaltkomplexen, Charakterisierung und Identifizierung durch quantitative Analyse ................... 127 Versuch IV.3: Verschiedene Oxidationsstufen von Mangan ............................ 136

V METALLKOMPLEXE IN LSUNG: ...................................................................... 138 1. EINFHRUNG ..................................................................................................... 138 2. THEORIE: METALLKOMPLEXE .............................................................................. 139

2.1 Das Konzept der Lewis-Sure ................................................................... 139 2.2 Metallkomplexe ......................................................................................... 139 2.3 Einfhrung in die Ligandenfeldtheorie ....................................................... 142 2.4 Lsen ionischer Verbindungen in Wasser ................................................. 149 2.5 Aqua-, Hydroxo- und Oxo-Komplexe ......................................................... 149 2.6 Ligandaustauschgleichgewichte / Ligandsubstitutionen ............................ 151

3

2.7 Protonenabhngige Ligandaustauschgleichgewichte ................................ 152 2.8 Chelatkomplexe ......................................................................................... 153 2.9 Komplexometrische Titration ..................................................................... 155

3. EXPERIMENTE ................................................................................................... 160 Versuch V.1: Darstellungen von Kupferkomplexen und Liganden-austauschreaktionen ....................................................................................... 160 Versuch V.2: Komplexchemie des Nickels ...................................................... 165 Versuch V.3: Komplexometrische Titration ...................................................... 169

VI QUALITATIVE ANALYSE ................................................................................... 173 1. EINFHRUNG ..................................................................................................... 173 2. VORPROBEN...................................................................................................... 174

2.1 Flammenfrbung ....................................................................................... 175 2.2 Phosphorsalz-, Boraxperle ........................................................................ 178

3. AUFSCHLUSSVERFAHREN ................................................................................... 179 3.1 Lslichkeit .................................................................................................. 179 3.2 Soda-Pottasche Aufschluss ....................................................................... 180 3.3 Saurer Aufschluss ..................................................................................... 180 3.4 Oxidationsschmelzen ................................................................................ 181 3.5 Freiberger Aufschluss ................................................................................ 181

4. QUALITATIVE ANORGANISCHE ANALYSE ............................................................... 182 5. EXPERIMENTE ................................................................................................... 184

Versuch VI.1: Vorversuche zur Ermittlung der Kationen in einem Substanzgemisch ............................................................................................ 184 Versuch VI.2: Aufschluss unlslicher Metallsalze ............................................ 187 Versuch VI.3: Anionenanalyse ........................................................................ 189 Versuch VI.4: Vollstndige qualitative Analyse eines einfachen Substanzgemisches ........................................................................................ 193

ANHANG ................................................................................................................. 213 1. LITERATURVERZEICHNIS ..................................................................................... 213 2. MUSTERPROTOKOLLE ........................................................................................ 214 3. FEHLERRECHNUNG ............................................................................................ 220 4. MUSTER KONTROLLARBEIT ................................................................................. 225 5. PK-WERTE EINIGER SUREN BEI 25C ................................................................ 229 6. PH-INDIKATOREN ............................................................................................... 230 7. STANDARD REDUKTIONSPOTENTIALE ................................................................... 232 8. KOMPLEXBILDUNGSKONSTANTEN ........................................................................ 233 9. LSLICHKEITSPRODUKTE .................................................................................... 234 10. LEITFHIGKEITSDATEN ..................................................................................... 235 11. ABSORPTIONSLINIEN EINIGER KATIONEN ............................................................ 236 12. NATURKONSTANTEN UND UMRECHNUNGSFAKTOREN .......................................... 237 13. NOMENKLATUR IN DER ANORGANISCHEN CHEMIE ............................................... 238 14. PERIODENSYSTEM ........................................................................................... 242

ALLGEMEINES

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I ALLGEMEINES

1. Sicherheitsvorkehrungen und Toxikologie

1.1 Verhalten im Labor

a) Versuche, die nicht in den Rahmen des Pensums fallen, drfen nur mit spezieller

Bewilligung des/der verantwortlichen Assistenten/in ausgefhrt werden.

b) Niemals alleine oder ohne Aufsicht durch eine Assisistenzperson arbeiten. c) Ebenso ist es nicht gestattet, im Labor Ess- und Trinkwaren aufzubewahren

oder zu konsumieren. d) Das Rauchen im Labor ist untersagt. e) Fluchtwege sind frei zu halten und drfen nicht mit Gegenstnden wie z.B. mit

Sthlen blockiert werden.

f) Der Aufenthalt auf den Fluchtbalkonen ist nicht gestattet.

g) Ventile, Hhne, Schalter oder Trklinken nicht mit Handschuhen anfassen h) Besucher haben nur mit ausdrcklicher Bewilligung des/der zustndigen

Assistenten/in Zutritt zum Laboratorium. Sie sind mit einer Besucherbrille auszustatten und mssen sich an die Sicherheitsregeln verhalten.

i) Radio- und andere Soundgerte drfen nur mit Bewilligung des Oberassistenten betrieben werden und drfen zu keinen Strungen fhren.

j) Offenes Feuer und andere Zndquellen (wie Heizluftgeblse) drfen sich nicht in der unmittelbaren Nhe von brandgefhrdenden Stoffen (organischen

Lsemitteln) befinden.

k) Am Abend sind smtliche Medien (s. unten) abzustellen, die Hocker zu versorgen

und die Waagen abzuschalten und mit der Haube abzudecken.

1.2 Krperschutzmittel

a) Im Laboratorium ist stets eine Schutzbrille zu tragen. b) Es ist nicht erlaubt, ohne Labormantel zu arbeiten. c) Beim Arbeiten mit grsseren Mengen von tzenden Flssigkeiten sind eine

geschlossene Schutzbrille und ein Gesichtsschutzschild zu tragen.

ALLGEMEINES

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d) Beim Arbeiten mit hautreizenden Stoffen (starke Suren, Basen, kanzerogene

Stoffe, ber die Haut aufnehmbare Chemikalien) sind Schutzhandschuhe zu tragen.

1.3 Chemikalien

a) Jede Chemikalienflasche muss eine Etikette tragen, die im Minimum folgende Angaben enthlt:

- Name der Substanz

- Bruttoformel

- Einflldatum

- Name des Besitzers

Fr die Beschriftung sind nur schwarze Filzstifte oder Kugelschreiber zu

verwenden (andere Stifte werden nach kurzer Zeit unlesbar). Am

Chemikalienschalter sind auch Etiketten mit den jeweiligen Gefahrensymbolen

erhltlich.

b) Zur Aufbewahrung von Chemikalien drfen keine Lebensmittelgefsse benutzt werden.

c) Am Laborplatz sind jeweils die kleinstmglichen Mengen von Chemikalien aufzubewahren.

d) Der Bezug von Giften fr private Zwecke sowie die Weitergabe an Dritte ist strengstens verboten.

e) Der Bezug von Chemikalien ist nur mit einem vom/von der Assistenten/in

unterzeichneten Bestellschein mglich. f) Bevor ein Versuch begonnen wird, hat sich jede/r Student/in sorgfltig ber die

physikalischen Eigenschaften, die Giftigkeit und die gefhrlichen

Reaktionseigenschaften der entsprechenden Chemikalien zu informieren.

g) Chemikalienlsungen drfen nicht mit dem Mund, sondern ausschliesslich mit einer Pipettierhilfe pipettiert werden.

h) Wird ein Stoff in einem offenen Gefss erhitzt, so darf die ffnung nicht gegen

eine Person gerichtet sein.

i) Werden Siedesteine verwendet, ist dafr zu sorgen, dass beim Einwerfen derselben die Temperatur der Flssigkeit noch WEIT unter dem Siedepunkt liegt.

ALLGEMEINES

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j) Fr die Versuche drfen nur einwandfreie, saubere Gefsse verwendet werden. Insbesondere ist es strikt verboten, fr irgendwelche Reaktionen Gefsse zu

verwenden, die noch Chemikalienrckstnde enthalten.

k) Die Versuche sind jeweils mit der kleinstmglichen Menge durchzufhren. l) Generell drfen keine Chemikalien in den Ausguss gegossen werden. Sie

mssen im bereitgestellten Kanister gesammelt werden. Eine Liste bei den

Kanistern gibt Aufschluss ber die Sortierung. Es drfen niemals smtliche

Chemikalien in denselben Kanister gefllt werden. Die Ausgsse der Labors sind

an die zentrale Neutralisationsanlage angeschlossen. Sie knnen deshalb

verdnnte Suren und Laugen (bis ca. 1 M) aufnehmen, wobei mit gengend

Wasser nachgesplt werden muss.

1.4 Handhabung von Glas und Glasapparaturen

a) Bei jeder Handhabung von Glas und Glasapparaturen, besonders beim Einfhren

von Glasrhren in Gummischluche o.., ist vor allem fr den Schutz der Hnde zu sorgen (Lederhandschuhe oder Stofflappen verwenden).

b) Evakuiert werden drfen nur die speziell dafr vorgesehenen Glaswaren

(Rundkolben und Saugflaschen). Dnnwandige Glasgefsse, besonders Messkolben und Erlenmeyer, drfen nicht evakuiert werden. Vakuumexsikkatoren sind mit Para-Film zu berziehen. Sie drfen nicht im

evakuierten Zustand transportiert werden.

c) Nur dnnwandige Gefsse (Becherglser, Erlenmeyer, Rundkolben und Reagenzglser) drfen erhitzt werden. Die dickwandigen Saugflaschen drfen zwar evakuiert aber nicht erhitzt werden. Sie dienen ausschliesslich zum Filtrieren.

d) Grosse Glasflaschen drfen beim Transport nie am Hals, sondern mssen immer

unten am Boden angefasst werden. Sie drfen nur auf tiefe Regale abgestellt

werden.

e) Glasflaschen sind nie ber 90 Prozent ihres Fassungsvermgens zu fllen.

Um festsitzende Glasstopfen zu vermeiden, empfiehlt es sich, so weit wie mglich

Flaschen mit Schraubverschluss zu verwenden. f) Glasabflle drfen nur in die im Labor eigens dafr vorgesehenen Behlter und

niemals in die Abfallkrbe am Laborplatz geworfen werden (Verletzungsgefahr fr

das Putzpersonal).

ALLGEMEINES

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g) Fr die Durchfhrung von Synthesen sind grundstzlich die dafr am besten geeigneten Rundkolben zu verwenden.

h) Glasabflle drfen nur in die im Labor eigens dafr vorgesehenen Behlter und niemals in die Abfallkrbe am Laborplatz geworfen werden (Verletzungsgefahr fr

das Putzpersonal).

Im brigen wird auf das entsprechende Merkblatt der Stabsstelle Sicherheit

verwiesen.

1.5 Gasflaschen

a) Bei der Entgegennahme von Gasflaschen ist jeweils zu kontrollieren, ob der

eingestanzte Name des Gases mit der Kennfarbe der Flasche bereinstimmt. Andernfalls ist die Gasflasche zu retournieren.

b) Gasflaschen sind am Laborplatz immer mit einer Kette zu sichern. c) Sie drfen nie vollstndig entleert werden, sondern es ist immer ein berdruck

von mindestens 2 bar zurckzulassen. Leere Gasflaschen sind eindeutig als

solche zu kennzeichnen.

d) Es drfen nur die fr das entsprechende Gas zugelassenen Reduzierventile verwendet werden. Nach Gebrauch ist das Flaschenventil zu schliessen, das

Restgas abzulassen, die Druckregulierschraube zu ffnen und die

Absperrschraube zu schliessen. Bei korrosiven Gasen ist zudem das

Reduzierventil abzuschrauben und mit trockenem Stickstoff zu splen.

e) Die Gasflaschen sind vor Ablauf der Standzeiten an den Schalter

zurckzubringen.

Im brigen wird auf die entsprechende Broschre der Stabsstelle Sicherheit

verwiesen.

1.6 Glasschliffe

Im chemischen Laboratorium werden normierte Kegelschliffe verwendet. Sie werden

mit ihrem grssten Durchmesser bezeichnet (NS 29: Normschliff, 29 mm Durchmesser; NS 14.5: 14.5 mm Durchmesser). Die zustzliche Sicherung einer

Schliffverbindung geschieht durch Schliffklammern:

ALLGEMEINES

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Voraussetzung fr die Zuverlssigkeit normgerechter Schliffe ist ihre sachgemsse

Behandlung. Die Schliffflchen mssen sorgfltig vor Zerkratzen geschtzt werden

und sollen vor dem Ineinanderstecken mit einem sauberen, weichen Tuch

abgerieben werden. Dann trgt man am weitesten Ende des Kerns einen etwa 5 mm

breiten, hauchdnnen Ring von Schmiermittel (Schliffett) auf und dreht die Schliffe

unter ganz leichtem Druck ineinander.

Verklemmte Schliffe werden durch leichtes Klopfen mit einem Holzstck gelockert oder durch kurzes Erwrmen der Hlse gelst. Bei Anwendung von roher Gewalt besteht Verletzungsgefahr! Die Hnde werden dabei durch ein Tuch

geschtzt.

Anstelle des in vielen organischen Lsemitteln lslichen Schliffettes verwendet man

auch Teflonmanschetten, welche zwischen Kern und Hlse aufliegen. Ihre Verwendung empfiehlt sich u.a. beim Arbeiten mit organischen Lsungsmitteln,

welche das Schliffett herauswaschen. Teflonmanschetten sind aber relativ teuer.

Dnne PTFE-Dichtringe sind im Vergleich zu PTFE-Manschetten eine preiswerte und dichte Alternative.

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung Dr. Dietmar Glindemann)

1.7 Heizen

Fr das Heizen soll grundstzlich immer der heizbare Magnetrhrer mit Heizbad (gefllt mit der ausstehenden, wieder verwendbaren Heizbadflssigkeit (maximal

Temperatur 200C)) verwendet werden. Der Bunsenbrenner (evtl. ber

Assistenten/in ausleihen) soll aus Sicherheitsgrnden (Feuergefahr) nur in

Ausnahmefllen verwendet werden. (Zudem ist dessen Verwendung unbequem, da

ja von Hand gerhrt werden muss!). Wird der Bunsenbrenner trotzdem eingesetzt, so

29 mm

Kegelschliff fr Kern

Normalschliff- verbindung

Schliff- klammer

NS 29

ALLGEMEINES

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ist darauf zu achten, dass keine brennbaren Substanzen (Lsungsmittel!) in der

Nhe sind.

1.8 Elektrische Apparate

a) Elektrische Apparate sind so aufzustellen, dass sie nicht im Bereich von Spritzwasser liegen.

b) Sie sind stets sauber und frei von korrosiven Substanzen zu halten. Dies gilt besonders fr die Waagen. Nach Gebrauch sind sie sorgfltig zu reinigen (wobei

zuerst der Stecker herausgezogen werden muss).

c) Defekte Apparate sowie solche mit defekten oder korrodierten Kabeln oder Steckern sind unverzglich dem/der Assistenten/in zur Reparatur zu melden.

d) Bei den mit Fehlerstromschutzschaltern ausgersteten Laborpltzen darf der

Strom nicht mit der Prftaste des Schalters ausgeschaltet werden (bermssige

Abntzung des Fehlerstromschutzschalters).

1.9 Brandschutz

a) Jedermann muss die Standorte und die Funktion der Notduschen und der Lscheinrichtungen sowie die Fluchtwege kennen.

b) Die Menge der am Laborplatz aufbewahrten brennbaren Flssigkeiten ist auf ein Minimum zu beschrnken.

c) Soll fr die Aufbewahrung von brennbaren Flssigkeiten ein Khlschrank

verwendet werden, so darf man nur solche bentzen, die zu diesem Zweck

umgebaut wurden.

Im brigen wird auf die Instruktionen, die Anschlge und die sonstigen

Dokumentationen der Dienststelle fr Brandschutz verwiesen.

1.10 Medien

a) Das Gashauptventil darf erst bettigt werden, nachdem man sich vergewissert hat,

dass smtliche angeschlossenen Apparate noch geschlossen sind, resp. schon

geschlossen wurden.

b) Am Abend sind Gas, Wasser, Strom, Pressluft und Vakuum (Membranpumpen) sowie die Kapellenventilation abzustellen.

ALLGEMEINES

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c) Der Vakuumanschluss darf nur mit vorgeschalteter Gaswaschflasche und mit dafr vorgesehenen Vakuumschluchen betrieben werden

d) Alle Medienventile sind ohne Gewalt (sanft) zu bettigen.

Nachtversuche drfen nur mit Bewilligung des/der Assistenten/in laufen gelassen

werden, wobei smtliche Schluche mit Briden zu sichern sind.

1.11 Kapellen

a) Alle Arbeiten, bei denen giftige, brennbare oder sonst wie gefhrliche resp. bel

riechende Gase, Dmpfe oder Aerosole entstehen oder frei werden knnen, sind

in einer Kapelle auszufhren.

b) Die Apparaturen sind mglichst hinten bei der Kapellenrckwand aufzustellen. c) Eine Kapelle ist kein Freipass fr die Freisetzung von beliebigen Mengen von

Substanzen und Chemikalien. Giftige und korrosive Gase und Dmpfe sind mittels

der in der Literatur beschriebenen Apparaturen an Ort und Stelle zu absorbieren

(da sonst die Umgebung belstigt und verunreinigt wird und teure Schden an der

Ventilationsanlage entstehen knnen).

d) Bei den Kapellen, die mit einem Schalter fr die Wahl der Absaugleistung

ausgestattet sind, darf die hhere Stufe nur whrend der tatschlichen Arbeit

bentzt werden, da sonst grosse und teure Wrmemengen verloren gehen, was

nicht gerade im Sinne des Umweltschutzes liegt.

1.12 Verhalten bei Unfllen

Unflle sind unverzglich dem Praktikumsassistenten zu melden.

Bei Unfllen, die eine rztliche Behandlung erfordern, ist zuerst, sofern es die Lage

gestattet, der/die Assistent/in oder der Verwalter (Herr Kberle, HCI D-Stock - Schalter) zu benachrichtigen. Hilfe kann auch unter Telefon 888 erhalten werden. Nach der rztlichen Behandlung ist eine Unfallmeldung bei der Krankenkasse (HG F63.1-3, Tel. 632 20 66, intern: 22066) auszufllen.

Hinsichtlich Erste-Hilfe-Hinweise, Anforderung von Krankenwagen, Notfallstation

usw. wird auf die entsprechenden Anweisungen auf der Umschlagseite des

Telefonbuches sowie in der grnen Broschre der Stabsstelle Sicherheit verwiesen.

ALLGEMEINES

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2. Definitionen einiger gebruchlicher toxikologischer Begriffe

All' Ding' ist Gift und nichts ohn' Gift;

Allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist.

Paracelsus (1494 - 1541 )

Die Toxikologie muss also eine Aussage zu den Schwellenkonzentrationen machen.

Diese drfen nicht berschritten werden. Unterhalb der Schwellenkonzentration

durchluft ein Fremdstoff den Organismus ohne eine feststellbare Wirkung zu

hinterlassen. Fr karzinogene (krebsfrdernde) und mutagene (das Erbgut

schdigende) Stoffe knnen allerdings keine Schwellenwerte angegeben werden.

Definition einiger gebruchlicher Schwellenwerte:

MAK-Wert:

Maximale Arbeitsplatzkonzentration: Maximale Konzentration eines gas-, dampf- oder staubfrmigen Arbeitsstoffes in der Luft. Bei einer Arbeitszeit von 8 bis 9

Stunden tglich und bis 45 Stunden pro Woche schdigt der Stoff auch ber lngere

Perioden die Gesundheit nicht. Neben akuter und chronischer Giftigkeit

bercksichtigt dieser Wert auch belstigende Eigenschaften wie Jucken, Allergie und

Geruch.

Die MAK-Werte sind in einer Broschre der SUVA tabelliert, die im Labor ausliegt.

ADI-Werte:

Acceptable Daily Intake: Maximal zulssige lebenslngliche Tagesdosis fr einen Menschen, bezogen auf 1 kg Krpergewicht.

Diese Schwellenwerte sind zustzlich ein Mass fr die chronische Toxizitt.

LD50-Wert:

Dosis Letalis fr 50 Prozent der Versuchstiere: Dosis, die - innerhalb von 24 Stunden verabreicht - bei der Hlfte der Versuchstiere innert 5 Tagen zum Tod fhrt.

Chemikalien werden international nach ihrem Gefhrdungspotential eingestuft und nach dem GHS-System gekennzeichnet. GHS steht als Abkrzung fr "Globally

ALLGEMEINES

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Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals" und soll weltweit einen besseren Schutz und eine Vereinfachung beim Handel mit Chemikalien

ermglichen. Bei diesem System werden weltweit mit denselben Symbolen

(Piktogrammen), Gefahren- und Sicherheitshinweisen auf Etiketten und mit

Sicherheitsdatenblttern auf Gefahren, die von den jeweiligen Chemikalien

ausgehen, hingewiesen. Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Gefahrensymbol

R- und S-Stze In der EU und der Schweiz werden gefhrliche Chemikalien mit Symbolen und einem

erklrenden Wort wie explosionsgefhrlich, entzndlich, reizend, giftig oder

umweltgefhrlich (Gefahrenbezeichnung) gekennzeichnet

Ergnzend wird die Art der Gefahr mit so genannten R-Stzen (Risikostze) genauer

bezeichnet. Zum Beispiel wird darauf hingewiesen, ob ein Produkt die

Atmungsorgane, die Haut oder die Augen reizt. Man wird auch ber kombinierte

Gefahren aufmerksam gemacht wie beispielsweise mit den R-Stzen R24/25: Giftig

bei Berhrung mit der Haut und beim Verschlucken

Wie sich Gefahren vermeiden lassen und wie im Unglcksfall vorzugehen ist, zeigen

die Sicherheitsratschlge (S-Stze): Sie weisen beispielsweise darauf hin, ob ein

Produkt vor Hitze zu schtzen ist oder nicht in die Hnde von Kindern gelangen

darf. Oder sie empfehlen: Bei Berhrung mit den Augen sofort mit Wasser absplen

und Arzt konsultieren. Diese Ratschlge sind unbedingt zu befolgen.

Die Kodierung der R- und S-Stze lsst sich leicht aus Chemikalienkatalogen oder

auf der Homepage fr das Bundesamt fr Gesundheit entnehmen.

Weitere wichtige Richtlinien und Informationen zum Arbeiten im Labor entnehmen

Sie bitte dem Sicherheits- und Entsorgungshandbuch der ETH auf der Internetseite:

http://www.sicherheit.ethz.ch/docs/health_docs/safety_manual.pdf

Speziell fr das HCI-Gebude gelten das Sicherheitshandbuch und die

Laborordnung des HCI:

http://www.chab.ethz.ch/siko/sicherheitsandbuch.pdf

http://www.chab.ethz.ch/siko/laborordnung.pdf

ALLGEMEINES

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3. Praktikumspensum, Leistungsanforderungen Das Praktikum besteht aus zwei Teilen, dem anorganisch-chemischen und dem

physikalisch-chemischen Praktikumsteil.

Das Praktikum gilt als bestanden, wenn beide Teile des Praktikums fr sich

bestanden sind. Ist ein Teil des Praktikums nicht bestanden, so gilt das gesamte

Praktikum als nicht bestanden.

Ein nicht bestandenes Praktikum ist in beiden Teilen zu wiederholen. Im anorganisch-chemischen Teil (Inhalt dieser Praktikumsanleitung) des Praktikums wird erwartet, dass der/die Student/in im Laufe des ersten Studienjahres smtliche Versuche dieser Praktikumsanleitung selbst durchfhrt. In der Regel arbeiten die Studenten alleine, nur in Ausnahmefllen werden Versuche nach Absprache mit dem/der Assistenten/in in Zweiergruppen durchgefhrt. Zu Beginn jeder

Versuchseinheit findet eine Vorbesprechung unter Leitung der jeweiligen Gruppenassistenten statt. Jede/r Student/in muss vor Beginn der

Versuchsdurchfhrung in der Lage sein, den Versuch zu skizzieren und zu erlutern.

Whrend der Vorbesprechung kann das Verstndnis durch den/die

Gruppenassistent/in geprft werden. Nach jeder Versuchseinheit sollen die

Versuchsergebnisse der Studenten/innen innerhalb der Gruppe gemeinschaftlich

ausgewertet und etwaige Probleme diskutiert werden.

Dieses Praktikum hat eine offene Form. Das heisst, alle Studenten haben die Praktikumsaufgaben zu erfllen. Dazu stehen Ihnen die Praktikumszeiten zur

Verfgung. Aus Sicherheitsgrnden muss sich jeder Student zur Laborarbeit bei seinem jeweiligen Assistenten an- und abmelden. Bei wegen WK oder Krankheit nicht durchgefhrten Versuchen mssen die Berichte nur die Gleichungen beinhalten, es werden keine Messdaten verlangt. Es muss eine

Kurzbeschreibung des Versuches abgeben werden.

Bei Abwesenheit von mehr als einer Woche (Krankheit, WK) und eine daraus resultierende Einschrnkung in der Erbringung der Praktikumsleistungen kann eine Befreiung nur durch Dr. H. Schnberg (Labor HCI H115, Tel.: 22869) erteilt

werden.

Bedingungen zum erfolgreichen Absolvieren des Praktikums sind das erfolgreiche

Durchfhren der Versuche, Abgabe der ausgefllten Auswertebgen bzw. Berichte,

ALLGEMEINES

14

die mndliche Besprechung der Auswertebgen mit dem/der Assistenten/in und

akzeptable Ergebnisse in der am Ende des Praktikums durchgefhrten kleinen

schriftlichen Kontrollarbeit. Richtlinien fr das Schreiben von Berichten, sowie

Musterberichte finden sich im Anhang. Der/die Praktikant/in hat ein Laborjournal zu fhren (Heft A4). Darin werden alle durchgefhrten Versuche protokolliert. Im

speziellen sollen alle Messungen (Wgungen etc.) und Beobachtungen sowie auftauchende Fragen darin festgehalten werden (siehe auch Abschnitt Anfertigung eines Laborjournals). Fr einen Grossteil der Versuche ist ein

Auswerteblatt auszufllen. Dies soll zu einer Zeitersparnis in der Nachbereitung des Praktikumversuches fhren und den Fokus auf eine gute Vorbereitung der Praktikumsinhalte lenken. Gesondert ist ein ausfhrliches Protokoll (Bericht) zu schreiben. Die Auswertebltter und das ausfhrliche Protokoll mssen dem

Assistenten vorgelegt werden, der sie mit Noten 6 -1 bewertet. Diese Note enthlt

ebenfalls eine Bewertung der praktischen Arbeit.

Die Note fr das ausfhrliche Protokoll wird mit 10% an der Gesamtnote des anorganisch-chemischen Teils gewichtet. Der Durchschnitt der Noten der anderen Experimente wird mit 40% an der Gesamtnote des anorganisch-chemischen Teils gewichtet. Protokolle werden nur bis 3 Wochen nach Ende des Praktikums entgegen

genommen. Am Ende des Praktikums findet eine schriftliche Kontrolle zu den Inhalten des Praktikums statt. Grundlage dieser Kontrolle sind die Praktikumsversuche und die

Praktikumsanleitung. Die aus dieser Kontrolle erzielte Note (6-1) wird mit 50% an der Gesamtnote des anorganisch-chemischen Teils gewichtet. Am Ende der Anleitung befindet sich ein Muster einer Kontrollarbeit.

Die aus den gewichteten Anteilen erzielte Note muss mindestens 4 sein um diesen Teil des Praktikums und damit das gesamte Praktikum zu bestehen.

Im physikalisch-chemischer Teil des Praktikums sind fr jedes der drei Experimente

Protokolle anzufertigen, die mit einer Note (6-1) bewertet werden. Der Durchschnitt

aller Noten ergibt eine Gesamtnote, die mindestens 4 sein muss.

Am Ende des Semesters werden allgemeine Aufrumarbeiten gemss Weisung der

Assistenten durchgefhrt. Die Teilnahme daran ist obligatorisch.

ALLGEMEINES

15

3.1 Versuchsablaufplan (Orientierung)

Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Orientierungszeiten fr die zu

bentigten Zeiten zum Absolvieren der jeweiligen Versuche sind Durchschnittswerte

und sollen beim Planen des Praktikums helfen.

Versuch Versuchsbeschreibung Orientierungszeit

Versuch I.1 Glaswaren zur Volumenmessung 1. Praktikumstag Versuch I.2 Wgen definierter Volumina

Versuch I.3 Bestimmung der Dichte von Ethanol Versuch II.1 Charakterisierung von Suren 0,5 Praktikumstage

Versuch II.2 Massanalyse - Bestimmung der Konzentration einer Salzsure; Vergleich von pH-Meter und Indikator 1 Praktikumstag

Versuch II.3 Die Titration einer schwachen Sure mit einer starken

Base, Bestimmung der Surekonzentration von Essigsure

0,5 Praktikumstage.

Versuch II.4 Identifizierung einer unbekannten organischen Sure 1 Praktikumstag

Versuch II.5 Puffervermgen

ALLGEMEINES

16

3.2 Anfertigung des Laborjournals

Das Laborjournal ist das wichtigste Zeugnis dessen, was im Labor durchgefhrt

wurde. Als solches ist es nicht nur eine Datenquelle fr die Erstellung von Berichten

und Publikationen, sondern es stellt auch einen durchgehend nachgefhrten Beleg

dar, in dem man selbst nach vielen Jahren noch dies und jenes nachschlagen kann.

In der experimentellen Forschung ist es blich, alles Relevante (z.B. Messdaten,

Berechnungen, Bemerkungen, Literaturbersichten, graphische Darstellungen) direkt

in ein gebundenes Heft mit nummerierten Seiten einzutragen. Man verwendet dafr

Spiralhefte, die flach liegen und auf jeder gewnschten Seite offen bleiben. Die

Seiten sollten vorzugsweise kariert sein, damit Tabellen und Skizzen sowie einfache

x-y-Graphiken parallel zur Laborarbeit schnell und einfach gestaltet werden knnen.

Die einzelnen Seiten eines Laborjournals werden nie herausgetrennt; als Beilagen zu

einem Bericht verwendet man Kopien (Kohlepapier-Durchschlge oder Photokopien).

Was fr eine Art Heft auch verwendet wird, das Prinzip ist stets dasselbe: Alle

Eintrge werden immer direkt im Laborjournal festgehalten. bertrgt man Angaben

aus einer anderen Quelle (z.B. Wgebchlein, Kalibrationstabelle) ins Laborjournal,

gibt man diese Quelle explizit an, sodass sich diese Eintrge jederzeit verifizieren

lassen. Niemals aber verwende man Notizzettel!

Eintrge ins Laborjournal macht man am besten mit Kugelschreiber. Bei

notwendigen Korrekturen wird nicht ausradiert, sondern durchgestrichen, so dass der

Originaltext noch erkannt wird. Das Laborjournal wird chronologisch fortlaufend

gefhrt, wobei man jede Seite mit dem aktuellen Datum versieht. Unumgnglich sind

Leserlichkeit, korrekte Beschriftung und eine Vollstndigkeit, die keine Unklarheiten

offen lassen. Selbstverstndlich muss das Laborjournal auf dem Umschlag den

Namen des Besitzers und die Laborbezeichnung enthalten, Adressen,

Telefonnummern und E-Mail-Adressen

vermerkt man auf der inneren Umschlagseite.

Das Laborjournal soll alle Informationen enthalten, die ntig sind, damit jemand

anderer dasselbe Experiment auf dieselbe Weise durchfhren kann. Zustzlich zu

den Messergebnissen und Befunden notiert man alle weiteren Beobachtungen, die

fr die Interpretation der Resultate von Bedeutung sein knnen. aus: D.P. Shoemaker, C.W. Garland, J.W. Nibler, Experiments in Physical Chemistry, 6th ed., McGraw-Hill, New York, 1996. Eintrge im Laborjournal

ALLGEMEINES

17

Was soll ein Laborjournal enthalten?

Im Laborjournal werden Gedanken, Beobachtungen und (alle) Parameter eines

Versuchs protokolliert. Ein Laborjournal ist keine Abschrift einer Versuchsvorschrift

und kann stichpunktartig, muss aber dennoch przise verfasst werden. Folgendes

sollte ein persnliches Laborjournal im Allgemeinen enthalten.

Alle Punkte, die sich auf das hier durchgefhrte Praktikum beziehen und bei dem

einen oder anderem Versuch verwendet werden sollten, sind kursiv formatiert.

Vorbereitung

1. Datum des Versuchs, berschrift, aus der das Ziel bzw. der Inhalt des

Versuches erkenntlich ist, Referenzen zu vorhergehenden Versuchen

Seite oder anderes Laborjournal: z.B. Analyse von Produkt C vom

Seite 74

2. Ziel der Arbeit

Synthese (Reaktionsgleichung), Reinigung, Analyse, Messung,

Literaturexcerpt, Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse..

3. Referenzen zu externer Literatur

Synthesevorschrift, Analysevorschrift

4. verwendete Hilfsmittel

Messgerte (Gerte allgemein)

Hersteller, Typ, relevante technische Spezifikationen

(Przision, Messgenauigkeit..)

Chemikalien

a) Hersteller

b) Reinheit

c) Physikalische Eigenschaften (siehe auch e, g und h)

d) Menge (Ansatzberechnung)

e) Tox- und Sicherheitsdaten von Edukten und Produkten

f) Toxisch wo (Lunge, Niere..) und wie?

g) Flammpunkt, Zndpunkt

h) Explosionsfhig?

i) Entsorgung von Edukten und Produkten

ALLGEMEINES

18

j) Evtl. ntige Vorsichtsmassnahmen (Arbeit in Kapelle,

Mengenbeschrnkung, Handschuhe (welche?), )

Computerprogramme (nicht-Standard), Computerskripte

Apparatur (eindeutiger Beschrieb oder/und Skizze)

Vorausdenken: Was kann schief laufen und was tue ich, wenn dies

eintritt?

Evtl nochmals in Vorsichtsmassnahmen einfliessen lassen

gengend Zeit einkalkulieren

bei kritischen Schritten lieber nochmals einen Vorversuch

machen

5. Mgliche Fehlerquellen (nach Mglichkeit quantifizieren)

Durchfhrung

1. Beschreibung der Arbeiten (genaues Vorgehen, Beschreibung muss

nachvollziehbar sein)

Einwaagen (evtl. Tabelle vorbereiten: Berechnete Mengen (Masse (g)

und Stoffmenge (mol)), eingewogene Mengen, Molmassen)

Verwendete Lsungsmittel (Menge)

Reaktionsfhrung (Wie schnell wurde zugetropft)

Messparameter (wenn nicht elektronisch abgelegt protokollieren, sonst

Referenz auf File)

Messprotokoll: Tabelle vorbereiten, Platz fr Beobachtungen lassen

(siehe unten), eindeutige Tabelleneintrge, Zahlen nicht durch

berschreiben korrigieren, sondern komplett neu schreiben.

Referenz zu Messfiles, evtl. Backups erstellen!

Abweichungen zum Normalablauf exakt protokollieren (Abweichung in

Messparametern beim NMR, Vernderte Temperatur gegenber

Vorschrift)

2. Beobachtungen: Dies ist einer der wichtigsten Eintrge!

Messungen

z.B.: Referenzmessungen (verwandte, bekannte Substanzen),

Blank Grundlinie, Oszillierende Signale (50 Hz, 100 Hz noise),

Effekte, die chemisch-intuitiv nicht sofort klar sind,

ALLGEMEINES

19

Sttigungsphnomene (physikalische Grenzen der Messung),

Signale, die unabhngig vom Analyt scheinen, etc.

Synthese

Z.B.: Temperaturverlufe (!exotherme Reaktionen!), Inhomogene

Gemische (Lslichkeiten der Edukte) , nderungen in der

Viskositt/Fliesseigenschaften, (kurze) Farbnderungen,

Fllungen (wann? Bedingungen? Phnomenologie),

Drucknderung / Gasentwicklung, Gerche, Sonderbares, etc.

Seltsame Peakformen

Induktionsphasen bei Reaktionen / Messungen

hnlichkeiten zu anderen, frher gemachten Beobachtungen oder

bekannten Phnomenen

Ist etwas schiefgelaufen? Wie hat sich das geussert? Gibt es

Erklrungen dafr?

Etc.

3. Spekulationen fr die Grnde der Beobachtungen (fr weitere, sptere

Abklrungen)

Resultate 1. Ausbeute, Massenbilanz, Charakterisierung

Tabellen erleichtern die bersicht

DC/UV/IR/NMR etc skizzieren oder/und Referenzen zu Files

2. Analysenresultat

3. Nherungsweise Berechnung der Zielgrsse vor der detaillierten

Statistik/Fehlerrechnung (vor dem Bericht/Paper)

Vergleich mit ber-den-Daumen-gepeilter Abschtzung/Erwartung

(kritischer Umgang mit Messwerten und Resultaten)

4. Fehlerquellen, Fehlmanipulationen, kritische Operationen

5. Kommentare, Vergleiche und Referenzen zu bekannter Literatur (eindeutig

Bezeichnen)

6. eventuell Zielvorgaben fr nchste Experimente (z.B.

Wiederholungsexperiment in anderem Lsungsmittel, anderes

Temperaturregime, Zugabenreihenfolge und/oder geschwindigkeit ndern...)

ALLGEMEINES

20

3.2 Schreiben der Berichte

Das Schreiben der Laborberichte ist ein wesentlicher Teil des Praktikums. Einerseits

soll dadurch das Verstndnis der durchgefhrten Versuche vertieft werden,

anderseits ist das Berichteschreiben eine wichtige Ttigkeit fr jeden

Forschungschemiker (Prsentation der Resultate). In diesem Praktikum wird deshalb

grosses Gewicht auf gut organisierte, verstndliche und vollstndige Berichte gelegt.

Da die Berichte vom/von dem/der Assistenten/in korrigiert werden, bilden sie auch

eine gute Mglichkeit, unbeantwortete Fragen anzuschneiden; dies ist eine der

wenigen Mglichkeiten der Studierenden, ein Feedback zu erhalten.

Fr eine Reihe an Versuchen sind nur Auswertebltter abzugegeben, um die Arbeit

der Studenten zu erleichtern. Sie haben aber den gleichen Zweck wie die Berichte.

Grundstzlich ist zu jedem Versuch ein Bericht bzw. Auswerteblatt zu schreiben. In

den Berichten soll das durchgefhrte Experiment ausfhrlich beschrieben und

diskutiert werden. Grundlage fr den Bericht ist vor allem das Laborjournal, in dem alle Teilschritte eines Experimentes notiert sind (Beobachtungen wie

Farbnderungen, Wrmeentwicklung etc. aber auch smtliche Wgungen und

Messungen). Als Hilfsmittel knnen auch die Praktikumsanleitung und Bcher

beigezogen werden. Wichtig ist aber, dass der Bericht das Experiment so beschreibt,

wie es vom/von der Studenten/in tatschlich durchgefhrt wurde, und nicht, wie es

htte durchgefhrt werden sollen!

Ein vollstndiger Bericht soll folgende Punkte enthalten:

Name des/der Studenten/in, Studienabteilung und -richtung

Datum

Versuchsnummer

Titel (Produktname, Bezeichnung der Methode etc.)

evtl. Literaturhinweise

Kurze Diskussion der angewandten Theorie resp. Diskussion der Synthese-

methode.

Smtliche Reaktionsgleichungen sind vollstndig aufzustellen. Bei

Redoxreaktionen sind die Oxidationszahlen zuzuordnen, die Halbzellenreaktionen

aufzustellen, Halbzellenpotentiale sind wenn mglich anzugeben.

ALLGEMEINES

21

Smtliche Mengen sollen angegeben werden. Besonders bei synthetischen

Versuchen sollen auch die jeweils eingesetzten Anzahl Mol Substanz vermerkt

werden. Reaktionsbedingungen (Temperatur, Reaktionszeit etc.) sind exakt

anzugeben. Die Herkunft und Reinheit der verwendeten Stoffe ist anzugeben,

ebenso deren Giftigkeit, Gefhrlichkeit etc.

Verwendete Apparaturen sollen vermerkt und evtl. skizziert werden.

Bei Synthesen ist eine genaue Beschreibung des Reaktionsablaufs

(Farbnderungen, Gasentwicklung, Erwrmung, Niederschlagsbildung etc.) und

die Ausbeute (Ausbeute = [Produkt] / [Edukt] . 100 %) anzugeben. Das Produkt

soll charakterisiert (Aussehen, Farbe, Schmelz- resp. Siedepunkt etc.) und mit

Literaturwerten verglichen werden. Die Molmassen sowohl der Edukte als auch

der Produkte sind anzugeben.

Bei Messungen ist eine Fehlerabschtzung durchzufhren.

Die Resultate und Erkenntnisse sind ausfhrlich zu diskutieren.

Sprachlich ist darauf zu achten, dass der Bericht im Imperfekt / Passiv gehalten ist. Im Anhang sind zwei Beispiele fr Berichte angegeben. Diese sollen nur als Hinweis

verstanden werden. Jeder Versuch verlangt eine dafr entsprechende Organisation

und Darstellung.

4. Praktikumsorganisation und Ordnung im Labor

4.1 Belegung der Laborpltze

Jede/r Student/in besitzt whrend des Praktikums einen eigenen Laborplatz. Dieser

kann mit einem/r Studenten/in eines anderen Praktikums welches zu einer anderen

Zeit stattfindet gemeinsam genutzt werden. Nach Praktikumschluss ist der Laborplatz

in guter Ordnung zu verlassen. Schmutziges Glas ist sauber abzuwaschen und im Laborplatz einzurumen. Zerbrochene Glaswaren sind sofort zu ersetzen.

4.2 Finanzielles

Das Chemiepraktikum ist nicht kostenlos. Fr die Durchfhrung des Praktikums wird den Studierenden nach Semesterende

von der zentralen Verwaltung des D-Chem eine Rechnung zugestellt, der die

folgenden Positionen zugrunde liegen:

ALLGEMEINES

22

1. Die Studenten haben fr die im Praktikum verbrauchten Chemikalien, sowie

fr zerbrochene Glasapparaturen und Messinstrumente aufzukommen.

(Neuanschaffungen von Gerten werden grundstzlich von der Schule

finanziert.) Die Abrechnung erfolgt aufgrund persnlicher Materialbezge am

Materialschalter HCI D 298 mit der Schalterkarte. (Dazu gehrt auch die

Materialbox (ca. Fr. 200,-))

2. Drucksachen (Praktikumsbuch, separate Versuchsanleitungen, Protokoll-

vordrucke, Informationsschriften)

3. Zudem existiert ein Saalkonto". Auf das Konto werden Materialien, die fr das

gesamte Praktikum bentigt werden, verrechnet. Nur die Assistenten knnen

Bezge machen, die auf das Konto verbucht werden. Die Kosten dieser

Materialien werden zu Semesterschluss gleichmssig auf alle Studenten

aufgeteilt.

4. Pauschalbetrag fr nicht personalisierbares Verbrauchsmaterial.

4.3 Ordnung im Labor

Jede/r Student/in ist fr seinen Laborplatz verantwortlich. Die Laborpltze sind jeden Abend aufgerumt zu verlassen.

4.4 Semesterende und -anfang

Das Praktikum beginnt jeweils in der ersten Semesterwoche. Aus

versicherungstechnischen Grnden mssen die Studenten eingeschrieben sein, damit sie im Labor arbeiten drfen.

Die Pltze sind am Ende des Praktikums aufgerumt und mit vollstndiger

Glasausrstung zu hinterlassen. Alle Schlssel und die Bezugskarte sind beim Schalter zu deponieren. Am Ende jedes Semesters wird ein Aufrumtag eingesetzt. Hier werden allgemeine Aufrumarbeiten durchgefhrt, die Teilnahme ist Pflicht um das Praktikum als bestanden absolviert zu haben.

5. Die Praktikumsanleitung Die Praktikumsanleitung ist in ihren VI Kapiteln in einen theoretischen und einen

experimentellen Teil geordnet. Der theoretische Teil soll die Grundlagen fr das

Verstndnis der durchzufhrenden Experimente vermitteln. Die Experimente

ALLGEMEINES

23

wiederum stellen nichts anders dar, als Beispiele zur Veranschaulichung von

grundlegenden chemischen Gesetzmssigkeiten. Es ist daher erforderlich den

theoretischen Teil aufmerksam durchzuarbeiten. Dies ist Voraussetzung fr die

erfolgreiche Durchfhrung der Versuche.

In der Praktikumsanleitung sind Links zu kleinen Filmen bzw. Bilderabfolgen zu

einigen Experimenten enthalten, die der Veranschaulichung und Vertiefung dienen.

Ebenfalls finden Sie Links zu erweiterten bungen und deren Lsungen zu den

einzelnen Stoffgebieten.

Diese Links lassen sich nur aus der Online-Version dieser Praktikumsanleitung

ffnen (URL: http://www.gruetzmacher.ethz.ch/education/labcourses). Die Links fr

Versuche liegen dabei immer auf dem Wort Experiment und die Links zu den

bungen auf bung und Lsung. Zum Abspielen der Filme bentigen Sie den Real-

One-Player, der im Internet frei verfgbar ist.

GRUNDOPERATIONEN

24

6. Grundoperationen: Wgen und Volumenmessungen

6.1 Wgen

Im Praktikumslaboratorium sind verschiedene Waagen aufgestellt: Je nach

Gesamtgewicht und gewnschter Genauigkeit muss die entsprechende Waage

ausgewhlt werden. Die Verwendung der verschiedenen Waagen erfolgt nach einer

Einfhrung durch den/die Assistenten/in. Besonders ist darauf zu achten, dass die

Waagen nach Gebrauch SAUBER zurckgelassen werden. Aggressive Substanzen drfen grundstzlich nur in geschlossenen Gefssen gewogen werden (Gefss

vorher tarieren).

6.2 Volumenmessungen

- Messzylinder :

- Messpipette :

- Messkolben :

- Vollpipette :

- Brette :

Auf In" geeicht. Genauigkeit 3 %

Auf Ex" geeicht. Genauigkeit 0.5 - 1.5 %

Auf In" geeicht. Verwendung: Zubereitung von

Stammlsungen. Genauigkeit 0.1 - 0.2 %

Auf Ex" geeicht. Verwendung: Zugabe einer genau

bestimmten Flssigkeitsmenge. Genauigkeit: je nach

Grsse 0.1 - 0.6 %

Bretten werden verwendet, wenn die Menge

abzumessender Reagenzlsung nicht im Voraus genau

bekannt ist (Dosiergefss). Die zu entnehmende

Flssigkeitsmenge soll so gewhlt werden, dass der

Messfehler 0.5 % nicht bersteig

Auf In geeichte Volumenmessgerte beziehen das zu messende Volumen auf den

gesamten Inhalt des Volumens. Die auf Ex geeichten Volumenmessgerte

beziehen das zu messende Volumen auf das Volumen, welches diesem Gert

entnommen wird ohne zustzliche Hilfsmittel (z.B. Ausblasen) als die Schwerkraft.

Beispiel: Die Ablesbarkeit einer 50 ml Brette betrgt 0.1 ml.

Die Abweichung darf nicht mehr als 0.5 % der Gesamtzugabe betragen. Es mssen

also mindestens 20 ml Lsung entnommen werden, damit der Fehler kleiner wird als

0.5 %.

GRUNDOPERATIONEN

25

6.3 Ablesen und Handhabung

Wenn eine Flssigkeit in ein

Messgefss gebracht wird, so bildet

sich wegen der Oberflchenspannung

ein so genannter Meniskus. Es soll so

abgelesen werden, dass beim

konkaven Meniskus an der tiefsten und

beim konvexen Meniskus an der

hchsten Stelle abgelesen wird.

Um Parallaxen- und Schrghaltefehler

zu vermeiden, muss immer auf

Augenhhe abgelesen werden, das

Gefss soll senkrecht gehalten

werden.

Bei auf Ex" geeichten Pipetten soll bei der Zugabe wie folgt vorgegangen werden

richtig

falsch

falsch

konkav konvex

Fehler

GRUNDOPERATIONEN

26

6.4 Welche Genauigkeit ist bei Einwaagen erforderlich?

Viele Analysen gelingen nur dann optimal, wenn die zu untersuchende Probemenge

in einem bestimmten Konzentrationsbereich vorliegt. In der Praxis sieht das etwa so

aus:

ca. x g Probemenge sollen genau eingewogen und auf x ml verdnnt werden. Es ist nicht erforderlich, exakt x g einzuwiegen. Es mssen nur ungefhr x g sein, es

soll aber genau notiert werden, wie viel g exakt eingewogen wurden und daraus ist

dann die exakte Konzentration zu ermitteln.

Anderseits sollen hufig bestimmte Reaktionsbedingungen, unter denen die

Analysen aber auch Reaktionen ablaufen, eingestellt werden. Meistens sind das

bestimmte pH - Bereiche. Dann werden zum Beispiel Angaben gemacht wie:

Suern sie mit einer 0,1 molaren HCl - Lsung an. In solchen Fllen ist es nicht erforderlich eine exakt 0,1 molare HCl Lsung zu

verwenden. Zur Anfertigung derartiger Lsungen gengt die Genauigkeit eines

Becherglases.

Beim Umgang mit Waagen ist auf deren maximale Belastung zu achten.

45

Die volle Pipette wird senkrecht an die

Wand des Auffanggefsses gehalten, so

dass der Winkel zwischen Pipette und

Gefsswand 45 betrgt. (Die

Pipettenspitze muss die Gefsswand

berhren!) Nachdem die Flssigkeit

ausgelaufen ist, zieht man die Pipette der

Gefsswand entlang hoch. (Bei AS-

Gefssen muss die angegebene Wartezeit

eingehalten werden.). Die Pipette darf nie ausgeblasen werden!

GRUNDOPERATIONEN

27

7. Experimente

Versuch I.1: Glaswaren zur Volumenmessung

In diesem Versuch soll die Genauigkeit verschiedener Glaswaren miteinander

verglichen werden:

Becherglas, Erlenmeyer, Messzylinder, Messkolben, Vollpipette

Zur Verfgung stehen:

- 200 ml Becherglas

- 200 ml Erlenmeyerkolben

- 100 ml Messzylinder

- 100 ml, 50 ml Messkolben

- 25 ml, 10 ml Vollpipette

Es soll jeweils ein Messgefss mit Wasser bis zur 100 ml - Markierung (beim 50 ml

Messkolben bis zur 50 ml - Markierung) aufgefllt werden. Das Wasser wird dann in

ein anderes Gefss transferiert. Ist das Volumen das Gleiche? War zu wenig oder zu

viel Wasser drin? Wie viel Wasser ist im zweiten Gefss? Teste so die Genauigkeit

der Glaswaren untereinander. Das Vorgehen soll im Laborjournal genau festgehalten

werden.

Versuch I.2: Wgen definierter Volumina Durch Wgen soll die Genauigkeit einiger Messgefsse berprft werden.

Becherglas, Messkolben, Messzylinder, Messpipette, Vollpipette

Vorbereitung: Folgende Gefsse sollen tariert werden:

- 250 ml Becherglas

- 100 ml Messkolben

- 100 ml Messzylinder

Becherglas und Messkolben sollen je bis zur 100 ml Marke, der Messzylinder bis zur

50 ml Marke mit Wasser gefllt werden. Die vollen Gefsse sollen anschliessend

gewogen werden. Wie genau sind die Resultate (Fehlerangabe in %)?

Entleere eine der Vollpipetten und die Messpipette (letztere muss nicht ganz gefllt

sein) in je ein beliebiges tariertes Gefss. Stimmen die Resultate der Wgeversuche

mit den Erwartungen berein? Beachten Sie die genaue Dichte von Wasser bei

25C.

GRUNDOPERATIONEN

28

Versuch I.3: Bestimmung der Dichte von Ethanol

Die Dichte von Ethanol soll durch Wgen bestimmter Volumina bestimmt werden.

Verwende dafr zwei verschiedene Gefsse und wiederhole jede Messung 3-mal.

Gib fr beide Gefsse die Mittelwerte und die Streuungen an. Fhre eine

Fehlerrechnung durch (vgl. Anhang! Die experimentell ermittelte Streuung soll mit

dem theoretischen Fehler verglichen werden).

Stimmen die ermittelten Daten mit der Literatur berein (Handbook of Chem. & Phys.

Seite D-227)

.

SURE-BASE-REAKTION

29

II SURE - BASE REAKTION

1. Einfhrung

Sure-Base-Reaktionen sind fundamentale Reaktionen, die berall im Gebiet der

Chemie angetroffen werden. Viele chemische Reaktionen verlaufen in basischem

oder saurem Milieu unterschiedlich. In der Biologie sind Sure-Base-Gleichgewichte

ebenfalls von entscheidender Bedeutung. So muss der pH-Wert innerhalb einer Zelle

oder eines Organells sehr genau kontrolliert werden. (Mit Hilfe von Puffersystemen

wird die Protonenkonzentration konstant gehalten.) Bei der Photosynthese spielen

Unterschiede in der Protonenkonzentration zwischen den beiden Seiten von

Membranen eine wichtige Rolle. In diesem Kapitel soll ein breites Spektrum von

Sure-Base-Reaktionen behandelt werden:

phnomenologische Beobachtung bei der Reaktion von verschiedenen

Substanzen, die als Suren oder Basen mit Wasser reagieren knnen

die Sure-Base-Titration als analytisches Hilfsmittel

Sure-Base-Reaktionen sind aber nicht nur als chemische Reaktionen an sich sehr

wichtig. Sie bieten auch die Mglichkeit, einige fundamentale chemische Prinzipien

(Gleichgewichte, Titrationen, Puffer) kennen zu lernen. Deren mathematische

Behandlung soll ebenfalls hier eingefhrt werden.

SURE-BASE-REAKTION

30

2. Theorie: Brnsted-Suren und -Basen

2.1 Definitionen nach Brnsted ([1] 264, [2] 235, [3] 357, [4] 477)

Brnsted hat folgende Definitionen gemacht:

Suren sind Verbindungen, die Protonen abgeben, Basen hingegen nehmen Protonen auf:

HA A- + H+

Sure konjugierte Base H+ + B HB+

Base konjugierte

Sure

HA + B A- + HB+

Sure Base konjugierte konjugierte Base Sure

Eine allgemeinere Definition wird spter gegeben (siehe Lewis-Sure-Base

Konzept).

In ternetvers ion: Ein Beispiel einer Sure-Base Reaktion kann hier als Experiment am Beispiel der

Reaktion von Ammoniak mit Chlorwasserstoff beobachtet werden.

2.2 Sure-Base-Gleichgewichte

2.2.1 Allgemeines

Sure-Base-Reaktionen treten immer gekoppelt auf und sind meist reversibel, das

heisst, sowohl Hin- als auch Rckreaktion knnen ablaufen:

HA + B A- + HB+ (Hinreaktion)

A- + HB+ HA + B (Rckreaktion)

Nehmen wir an, wir vermischen HA und B in einem Behlter. Sie reagieren und

bilden A- und HB+. In dem Mae, wie die Hinreaktion abluft, werden sich die

SURE-BASE-REAKTION

31

Konzentrationen von HA und von B verringern und dementsprechend wird die

Reaktionsgeschwindigkeit abnehmen. Zu Beginn des Versuchs kann die

Rckreaktion nicht stattfinden, da noch kein A- und HB+ vorhanden ist. In dem Mae,

wie whrend der Hinreaktion A- und HB+ gebildet wird, setzt die Rckreaktion ein; sie

verluft anfangs langsam, da die Konzentration von A- und HB+ noch klein ist, und

wird dann allmhlich schneller.

Nach einiger Zeit hat die Geschwindigkeit der Hinreaktion soweit abgenommen und

die der Rckreaktion soweit zugenommen, dass beide gleich schnell verlaufen. Zu

diesem Zeitpunkt (tG) hat sich das chemische Gleichgewicht eingestellt: Zwei entgegengesetzte Vorgnge laufen gleich schnell ab.

Im Gleichgewichtszustand bleiben die Konzentrationen (mol/Liter) aller beteiligten

Substanzen konstant. Die Konzentrationen von A- und HB+ bleiben konstant, weil sie

durch die Hinreaktion genauso schnell gebildet werden, wie sie durch die

Rckreaktion wieder verbraucht werden; entsprechendes gilt fr HA und B. Es

handelt sich um ein dynamisches Gleichgewicht. Nach wie vor wird stndig A- und

HB+ gebildet und verbraucht. Die Konstanz der Konzentrationen, bedeutet nicht,

dass die Einzelprozesse zum Stillstand gekommen sind.

Wenn sich also nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht eingestellt hat, stehen

die Konzentrationen der beteiligten Stoffe in einem mathematischen Verhltnis

zueinander. Teilt man die Konzentrationen der Produkte durch die Konzentrationen

der Edukte, kommt, bei gleichen Reaktionen, die gleiche Verhltniszahl

(Gleichgewichtskonstante Kc) heraus (auch bei unterschiedlichen Konzentrationen

c(A-) oder c(HB+)

c(HA) oder c(B)

c (mol/l)

Reaktionszeit t (s) tG

SURE-BASE-REAKTION

32

der beteiligten Ausgangsstoffe). Fr eine genaue Betrachtung der

Gleichgewichtsverhltnisse wird allerdings nicht die Konzentration einer Spezies

verwendet, sondern die effektiv an einer chemischen Reaktion teilnehmende

Konzentration (oder die effektive Wirkung einer Spezies), die kurz Aktivitt a genannt wird, verwendet.

Fr unsere Reaktion gilt zurzeit tG:

HA + B A- + HB+

Im Gleichgewichtszustand ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der

Geschwindigkeit der Rckreaktion.

k1aHA aB = k-1aA-aHB+

- +1 A HB

-1 HA B

a a = K =

a akk

k1 und k-1 bezeichnen dabei die Geschwindigkeitskonstanten. Bei von 1

verschiedenen Stchiometriezahlen sind diese als Exponenten der jeweiligen

Aktivitt zu bercksichtigen. Dieser Zusammenhang wird als

Massenwirkungsgesetz bezeichnet wobei K die Gleichgewichtskonstante ist. Mathematisch gilt fr die Aktivitt a

aB = B B0cc

Dabei ist aB die Aktivitt der Spezies B (bertragen gesehen, die tatschlich

wirksame Konzentration), cB die Stoffmengenkonzentration der Spezies B, und c0 die

Standardstoffmengenkonzentration. B ist ein dimensionsloser Korrekturfaktor. ist

sehr stark von der Konzentration abhngig. Fr 1 molare Essigsure ist Essigsure

beispielsweise 0.8, fr 0.1 molare Essigsure jedoch bereits 0.96. Die

Standardstoffmengenkonzentration c0 hat die Grsse 1 moldm-3 und macht den

Quotienten cB/c0 dimensionslos und damit auch die Aktivitt. c0 ist die Bezugsgrsse

der Aktivitt. Sind alle am Massenwirkungsgesetz beteiligten Grssen dimensionslos,

so ist auch die Gleichgewichtskonstante K dimensionslos. (Die Aktivitt von reinen

Flssigkeiten und reinen Festkrpern haben bei Standarddruck p0 (1bar) die Grsse

1. Grssen, die sich auf reine Stoffe beziehen werden durch einen Stern (*)

gekennzeichnet a *B (p0) = 1)

SURE-BASE-REAKTION

33

In dieser Praktikumsanleitung wird zur Vereinfachung angenommen, dass ideale

Lsungen vorliegen (vertretbar bei Lsungen kleiner Ionenstrke, was hufig fr

verdnnte Lsungen gilt) und damit der Aktivittskoeffizient = 1 ist. Dabei muss es

uns bewusst sein, dass wir einen kleinen Fehler machen (siehe Beispielrechnung

III.1). Eine eckige Klammer [ ] steht fr den Ausdruck xyz0cc

und ist praktisch die

dimensionslose Konzentration einer Spezies.

Damit erhalten wir die folgende vereinfachte Gleichung fr die Gleichgewichts-

konstante.

1-

1k

k = K =

- +[A ] [HB ][HA] [B]

Bei von 1 verschiedenen Stchiometriezahlen sind diese als Exponenten der

jeweiligen Konzentrationen zu bercksichtigen

2.2.2 Gleichgewichte mit Wasser

Eine spezielle Stellung nehmen die Reaktionen von Suren und Basen mit Wasser

ein:

HA + H2O A- + H3O

+

B + H2O HB+ + OH-

Hier sieht man, dass Wasser sowohl als Sure als auch als Base reagieren kann.

Wasser wird daher als amphiprotische (oder amphotere) Substanz (Ampholyt) bezeichnet.

Betrachten wir die Dissoziation einer Sure in Wasser (hier dient Wasser als Base):

HA + H2O A- + H3O

+

Mit dem Massenwirkungsgesetz kann die Gleichgewichtskonstante K definiert werden:

SURE-BASE-REAKTION

34

[ ] [ ][ ] [ ]

KA H O

HA H O' =

+

3

2

Hier kann die Konzentration von Wasser als konstant angenommen werden. Man

kann daher eine neue Konstante KS definieren:

[ ][ ] [ ]

[ ]K K H O

A H O

HAS= =

+'

23

(Ungenaue) Werte der Surekonstanten KS fr einige Suren findet man in [1] 280,

285, gute Werte sind in [5] angegeben (vgl. auch [2] 241, [4] 479).

Bei der Dissoziation einer Base in Wasser ist folgendes Gleichgewicht relevant:

B + H2O HB+ + OH-

Fr dieses Gleichgewicht definiert man nun Kb als

[ ] [ ][ ]

KHB OH

Bb=

+

Beachte, dass hier ebenfalls von der Tatsache Gebrauch gemacht wurde, dass die

Konzentration von H2O als konstant angenommen und in die

Gleichgewichtskonstante aufgenommen werden kann!

Suren knnen mit Hilfe ihres pK-Wertes (p ist ein Operator und steht hier fr -log,

siehe Seite 36) nach ihrer Strke klassifiziert werden:

Starke Suren liegen in wssriger Lsung stark (vollstndig) dissoziiert vor. Sie

haben einen pKS < 0 (z.B. HCl mit pKS = -7.0).

Schwache Suren liegen in wssriger Lsung nur schwach (unvollstndig)

dissoziiert vor. Sie haben einen pKS > 0 (z.B. Essigsure mit pKS = 4.75).

KS ist folglich ein Mass fr die Lage des Dissoziationsgleichgewichtes einer Sure

und damit fr die Strke der Sure. Je grsser der Wert von KS, umso strker

dissoziiert eine Sure in Wasser.

SURE-BASE-REAKTION

35

Bei Basen wird entweder der pKS-Wert der konjugierten Sure oder aber der pKb-

Wert (Kb: Basenkonstante) tabelliert.

In ternetvers ion: Ein Beispiel einer Reaktion einer Base mit Wasser kann hier als Experiment am

Beispiel des Ammoniak-Springbrunnens beobachtet werden.

2.2.3 Das Ionenprodukt des Wassers

Ein weiterer Spezialfall ist die Autoprotolyse des Wassers. Wasser dissoziiert in

geringem Masse zu H3O+ und OH-.

H2O + H2O H3O+ + OH- (Autoprotolyse)

H3O+ + OH- 2 H2O (Neutralisation)

Die zu Wasser konjugierte Sure H3O+ wird Hydronium-lon genannt (andere

Schreibweisen: H+,H aq( )+ ). Die zu Wasser konjugierte Base OH- heisst Hydroxid-lon.

Mit dem Massenwirkungsgesetz kann aus dem Gleichgewicht

2 H2O H3O+ + OH-

die Gleichgewichtskonstante K berechnet werden:

[ ] [ ][ ]

KH O OH

H O' =

+ 3

22

Die Konzentration von Wasser kann hier wie auch in verdnnten Lsungen als

konstant angenommen werden. Man kann daher eine neue Konstante KW definieren:

[ ] [ ] [ ]K K H O H O OHW = = + ' 2 2 3

Die obenstehende Gleichung ist das Ionenprodukt des Wassers. KW ist genau

gemessen worden. Der Wert betrgt (bei 25C und einer lonenstrke von 0):

KW = 10-14

SURE-BASE-REAKTION

36

2.3 Der pH-Wert ([1] 275, [2] 243, [3] 361)

Zur Beschreibung der Protonenkonzentration einer wssrigen Lsung verwendet

man im Allgemeinen den pH-Wert. Dieser ist definiert als

+3pH=-log H O

Das heisst, eine 0.01 molare Lsung von H3O+ ([H3O

+] = 0.01 = 0.01) hat einen pH-

Wert von

pH = - log 0.01 = - log 10-2 = 2.00

Beachte, dass in dieser Berechnung die Konzentration in der Einheit molar (M =

mol/l) angegeben werden muss, das heisst, in mol H3O+ pro Liter Lsung.

Der pH-Wert ist nicht nur ein geeignetes Hilfsmittel zur mathematischen Behandlung

von Sure-Base-Gleichgewichten, er ist zudem auch direkt messbar (zum Beispiel

mit Hilfe einer Glaselektrode oder einer Wasserstoffelektrode ([1] 337).

Die Abkrzung p fr - log verwendet man auch bei:

pOH = - log [OH-]

pK = - log K

pKW = - log KW = - log ([H3O+] [OH-])

pKW = - log [H3O+] - log [OH-] = pH + pOH

pKW = - log (10-14) = 14

Lsungen knnen mit Hilfe des pH-Wertes klassifiziert werden:

Neutrale Lsungen: pH = 7, [H+] = 10-7

Saure Lsungen: pH < 7, [H+] > 10-7 M, z.B. 10-3

Basische Lsung: pH > 7, [H+] < 10-7 M, z.B. 10-9

Im Speziellen werden meist die Werte der Surekonstanten KS als pK - Werte

tabelliert: pK = pKS = -log KS

SURE-BASE-REAKTION

37

[ ][ ][ ]

[ ][ ] [ ]pK K

A H OHA

AHA

H OS= = = +

+log log log log3 3

[ ][ ]pK pHAHA

=

log

[ ][ ]pH pKAHA

= +

log

Somit kann mit Hilfe des pK-Wertes und dem Konzentrationsverhltnis von A- und

HA der pH-Wert einer Lsung berechnet werden. Die letzte Gleichung ist bekannt als

Puffergleichung (Henderson-Hasselbalch-Gleichung, vgl. Seite 42).

Speziell gilt

KbKS = [ ]

+ -HB OH

B

[ ] 3B H O

HB

+

+

= [OH-] [H3O+] = KW

wobei KS die Surekonstante der zur Base B konjugierten Sure HB+ ist. Es gilt also

( )-b 3 WSpK pK -log OH H O pK+ + = = Beachte, dass in Mortimer [1] in Tabelle 17.3 (Seite 380) fr die schwachen Suren

der pKS-Wert, fr die schwachen Basen aber der pKb-Wert angegeben ist!

2.4 Mehrprotonige Suren ([1] 284)

Mehrprotonige Suren sind Suren, die mehrere Protonen abgeben knnen. Im

Allgemeinen ist dies ein Prozess, der ber Stufen abluft, wobei jeweils ein Proton

abgegeben wird. Betrachte eine zweiprotonige Sure H2A. Die

Deprotonierungsgleichgewichte knnen dann wie folgt beschrieben werden:

H2A + H2O HA- + H3O

+

HA- + H2O A2- + H3O

+

Mit den zugehrigen Gleichgewichtskonstanten

SURE-BASE-REAKTION

38

K1 = [ ][ ]

[ ]H HA

H A

+

2

und damit pK1

K2 = [ ][ ]

[ ]H A

HA

+

2

und damit pK2

2.5 Farbstoffsuren als pH-Indikatoren ([1] 281, [2] 198, [3] 388, [4] 475, [6])

Als pH-Indikatoren knnen organische Farbstoffe verwendet werden, die je nach pH-

Wert der Lsung eine andere Farbe haben. Diese Farbstoffe sind selber Suren und

ndern ihre Farbe, wenn sie ein Proton aufnehmen bzw. eines abgeben. (Die pK-

Werte und Farben einiger pH-Indikatoren findet man im Anhang. Vgl. auch [6] fr

eine detaillierte Diskussion.)

Als Beispiel fr einen pH-Indikator sei hier die Farbstoffsure Methylrot angefhrt.

N

N

O

H

N

O

N

N

O

N

O

-

Es kann folgendes Gleichgewicht formuliert werden, wobei Ind fr Indikator steht:

HInd H+ + Ind-

Um den pH-Wert einer Lsung mit Hilfe eines Indikators abzuschtzen, fgt man der

Lsung eine mglichst kleine Menge des Indikators zu und beurteilt dann den pH-

Wert aufgrund einer Farbskala. Entscheidend bei der Verwendung eines

Farbindikators ist, dass man nur sehr geringe Mengen desselben einsetzt. Nur dann

kann man nmlich davon ausgehen, dass die Protonenkonzentration der zu

untersuchenden Lsung nicht verndert wird.

Der pK-Wert des Indikators (pKHInd) sei bekannt:

[ ][ ][ ]K

H IndHIndHInd

=+

oder

+ H+

Rot Gelb

SURE-BASE-REAKTION

39

pK IndHIndHInd

=

log ] log [ ][ ]

[H+

pH pK IndHIndHInd

= +

log [ ][ ]

Sind nun Ind- und HInd unterschiedlich gefrbt, so kann man direkt an der Farbe der

Lsung erkennen, ob der pH-Wert der Lsung grsser oder kleiner als pKHInd ist.

Man kann davon ausgehen, dass das Auge eine Mischfarbe nicht mehr wahrnimmt,

wenn das Verhltnis der beiden Konzentrationen [Ind-]/[HInd] grsser als 100:1 (bzw.

kleiner als 1:100) ist. Das heisst, dass man maximal ber 4 pH-Einheiten eine

Farbnderung sieht. Der Farbumschlag des Indikators liegt also im Bereich

pH = pKHInd 2

Indikatoren sollten deshalb so gewhlt werden, dass der quivalenzpunkt einer

Sure-Base-Titration im Umschlagsbereich des Indikators liegt.

In ternetvers ion: Beispiele von Farbreaktionen von pH-Indikatoren knnen hier als Experiment

beobachtet werden.

2.6 Bestimmung des quivalenzpunktes

Bei einer Titration einer Sure mit einer Base kann man mit Hilfe eines pH-Meters

(potentiometrisch) die nderung des pH-Wertes in Abhngigkeit vom zugesetzten

Volumen der Base messen. bertrgt man die Messwerte auf Millimeterpapier erhlt

man eine Titrationskurve die wie folgt aussehen kann:

14

7

1

basisch

neutral

pH

Volumen Base/ml

quivalenzpunkt

sauer

SURE-BASE-REAKTION

40

Besonders auffllig an der abgebildeten Titrationskurve ist der mittlere Bereich, in

welchem pltzlich ein steiler Anstieg erfolgt. Man nennt den zu dieser Stelle

gehrenden Punkt einer Titrationskurve auch den quivalenzpunkt. Dieser entspricht

nur bei der Titration einer starken Sure mit einer starken Base dem

Neutralisationspunkt. Der Verlauf einer Titrationskurve hngt jedoch stark von der

jeweiligen Sure bzw. Lauge ab. Titriert man eine schwache Sure z. B. Essigsure

mit einer starken Base wie z.B. Natronlauge, so zeigt die Kurve einen anderen

Verlauf. quivalenzpunkt und Neutralisationspunkt fallen dann nicht mehr

zusammen. Da bei einer Sure-Base-Titration die Konzentration der Sure (oder der

Lauge) in der Regel nicht bekannt ist, besteht die eigentliche Aufgabe in der

Bestimmung der Lage des quivalenzpunktes. Die Auswertung hinsichtlich des

quivalenzpunktes ist auf verschiedene Weise mglich. Der quivalenzpunkt ist

charakterisiert durch den Wendepunkt der Kurve. Dieser lsst sich durch die grsste

Steigung (erste Ableitung) wie durch die so genannte Tangentenmethode ermitteln.

Am verbreitetsten ist die graphische Methode, wobei man den Anstieg der beiden

Kurvenste einzeichnet und den Schnittpunkt der Winkelhalbierenden mit dem

steilen Kurvenabschnitt nutzt.

Benutzt man zur Ermittlung des quivalenzpunktes einen Indikator, so muss dessen

Umschlagsbereich (Farbnderung HInd Ind-) im Bereich des steilen Anstiegs

der Titrationskurve liegen.

Da folgendes gilt: -

S[A ]

pH = pK + log[HA]

und

log-[A ]

= 0[HA]

wenn [A-] = [HA]

erhlt man fr schwache Suren (pKS > 0) den pKS- Wert durch pH = pKs

SURE-BASE-REAKTION

41

aus der Titrationskurve. Man ermittelt den Punkt an dem die Konzentrationen der

Sure gleich der, der konjugierten Base ist, was beim halben Verbrauch an Base der

Fall ist.

2.7 Pufferlsungen ([1] 282, [2] 198, [3] 388, [4] 516)

Als Puffer bezeichnet man eine wssrige Lsung, die sowohl eine schwache Sure,

als auch deren konjugierte Base in vergleichbaren Konzentrationen enthlt. Ein

solches Gemisch puffert einen pH-Bereich, d.h. der pH-Wert ndert sich kaum,

wenn geringe Mengen einer Sure oder Base zugegeben werden.

Betrachten wir eine Pufferlsung, die aus einer schwachen Sure HA und ihrer

konjugierten Base A- hergestellt wurde:

HA + H2O A- + H3O

+

Wird nun wenig Sure zugegeben, so reagieren die Protonen mit A- zu HA. Bei der

Zugabe von OH- entsteht mit HA A- und H2O.

Eine Pufferlsung, also eine Lsung mit einem bestimmten pH-Wert, der bei Zugabe

von geringen Mengen an Sure oder Base nahezu konstant bleibt, besteht sowohl

aus der Sure HA als auch ihrer konjugierte Base A- (z.B. als Salz M+A-).

Da HA eine schwache Sure ist, gilt fr Pufferlsungen die Annahme, dass die

eingesetzten Menge [HA]0 und [A-]0 gleich den Konzentrationen in Lsung [ ] sind,

d.h.:

[HA]0 = [HA] und [A-]0 = [A

-]

Es ergibt sich also mit dem Massenwirkungsgesetz folgende Konstante KS:

[ ] [ ][ ]

KH O A

HAS=

+ 3 0

0

oder

[ ] [ ][ ]H O KHAAS3

0

0

+

=

SURE-BASE-REAKTION

42

und logarithmiert

[ ][ ]

pH pKAHA

= +

log 00

Diese Gleichung nennt man Puffergleichung oder Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Sie entspricht derjenigen am Ende von Abschnitt 2.3, Seite 37. Beachte aber, dass hier anstelle der Gleichgewichtskonzentrationen ([ ]) die analytischen

Konzentrationen ([ ]0, vgl. II.3. Rechenbeispiele) eingesetzt werden! In diesem

speziellen Fall ist es also mglich, auf sehr einfache Weise den pH-Wert einer

Lsung zu berechnen. Setzt man zu einer Lsung einer Sure und der zugehrigen

konjugierte Base nun Protonen oder OH--Ionen zu, so beeinflusst man den pH-Wert

nach folgender Gleichung.

Will man den pH-Wert einer Pufferlsung in einem bestimmten pH-Bereich konstant

halten, so kann man mit Hilfe dieser Gleichung die maximale Konzentration der

Strungen berechnen, die diese haben drfen um den pH-Wert nicht ber diesen

Bereich zu verschieben. Die Konzentration an H3O+- bzw. OH--Ionen die einem Puffer

zugesetzt werden knnen ohne das sich der pH-Wert ber die angegebenen Grenzen

verndert wird Pufferkapazitt genannt.

Betrachten wir dazu ein Beispiel:

Eine Acetat-Pufferlsung mit dem pH-Wert von 4,57 soll den pH-Wert auf 1 konstant

halten. Wie viel Sure [H3O+] kann maximal zugegeben werden?

Durch Einsetzen von bekannten Grssen in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung

erhlt man.

pKEssigsure = 4,75

-[A ]04,57 = 4,75 + log[HA]0

-0,18 = log[ ]

-[A ]0HA 0

[ ]

-[A ]0HA 0

= 0,66

Haben wir z.B. eine Essigsure der Konzentration c0 Essigsure = 0,132mol/l verwendet

so muss bei diesem Puffer die Acetatkonzentration c0 acetat = 0,087 mol/l betragen. Der pH -

Zugabe von Sure (Strung)

SURE-BASE-REAKTION

43

Wert soll maximal um eine Einheit schwanken.

pH = 4,57 1

Berechnen wir die Pufferkapazitt bei einer pH Erniedrigung um 1 (pH-1).

pH`= 4,57 - 1 = 3,57

-0

0

[A ] - xpH = pK + log

[HA] + x

x entspricht [H3O+] (die aufgenommen werden knnen)

-[A ] - x03,57 = 4,75 + log[HA] + x0

-[A ] - x0-1,18 = log[HA] + x0

-1,18-[A ] - x010 = = 0,066

[HA] + x0

0,066 [HA]0 + 0,066x = [A-]0 x

1,066x = [A-]0 0,066[HA]0

Fr unseren Puffer mit: [HA]0 = 0,132 und [A-]0 = 0,087 ist x = 0,0734.

Geben wir zu 1L einer Pufferlsung mit einer Essigsurekonzentration von 0,132mol/l

und Acetatkonzentration von 0,087 mol/l 0,073 mol HCl so ndert sich der pH-Wert um

1 von 4,57 auf 3,57.

Gibt man im Vergleich 0,073 mol HCl in 1l H2O so erhlt man eine Lsung mit einem

pH-Wert von 1,13.

0,073 mol HCl in 1l Puffer pH = 3,57 pH = 1

0,073 mol HCl in 1l H2O pH = 1,13 pH = 5,87

In ternetvers ion: Das Pufferverhalten eines Acetatpuffers kann hier in einem Experiment

beobachtet werden.

2.8 Spektrophotometrie: Lambert-Beersches Gesetz ([1] 54, [4] 596) (zur Information ohne Experiment)

Farbige Verbindungen absorbieren das sichtbare Licht. Farben kommen dadurch

zustande, dass nur ein bestimmter Bereich von Frequenzen durch die Verbindung

SURE-BASE-REAKTION

44

absorbiert wird. (Beachte: Das Auge sieht das Licht, welches nicht absorbiert wird!

Eine Verbindung, die rotes Licht absorbiert, erscheint dem Auge grn etc.,

Komplementrfarben!) Ein Spektrophotometer ist in der Lage zu bestimmen, welcher

Anteil des Lichtes bei einer bestimmten Wellenlnge absorbiert wird. Die

Spektrophotometrie ist auch ein geeignetes Hilfsmittel zur Untersuchung von

Farbstoffsuren.

Gewhnliches Licht (weisses Licht, z. B. Sonnenlicht) setzt sich zusammen aus

Licht verschiedener Wellenlngen. Weisses Licht kann mit einem Prisma in seine

Komponenten zerlegt werden (Regenbogenfarben!). Die Farbempfindlichkeit des

menschlichen Auges ist auf einen relativ engen Bereich des elektromagnetischen

Spektrums beschrnkt, nmlich auf den Wellenlngen-Bereich zwischen ca. 400 bis

800 nm (1 nm = 10-9 m). Die Bezeichnungen der anschliessenden kurz- und

langwelligen Bereiche orientieren sich an den Grenzbereichen des sichtbaren Lichts

(violett, resp. rot). Licht mit einer Wellenlnge krzer als 400 nm nennt man

ULTRAVIOLETT, solches mit einer Wellenlnge grsser als 800 nm INFRAROT.

Absorbiertes Licht Beobachtete Farbe Wellenlnge l (nm) entsprechende Farbe Komplementrfarbe

400 ultraviolett farblos

400 violett grnlich-gelb

425 indigoblau gelb

450 blau orange

490 blaugrn rot

510 grn purpur

530 gelb-grn violett

550 gelb indigoblau

590 orange blau

640 rot blaugrn

730 purpur grn

800 infrarot farblos

Lichtenergie wird in Quanten emittiert und absorbiert. Fr die Energie dieser

Lichtquanten (Photonen) gilt folgende Beziehung:

SURE-BASE-REAKTION

45

E = h

E : Photonenenergie

h : Planck'sches Wirkungsquantum

: Frequenz

Die Kombination dieser Beziehung mit dem Ausdruck fr die Lichtgeschwindigkeit

c = .

c : Lichtgeschwindigkeit

: Wellenlnge

: Frequenz

liefert folgende Beziehung fr die Energie:

Eh c

=

Wenn monochromatisches Licht (Licht, das nur aus einer Wellenlnge besteht) von

einer Substanz absorbiert wird, so gilt das Lambert-Beer'sche Gesetz:

== l0log cDI

I

D : Optische Dichte (Absorption oder Extinktion, dimensionslos)

l0 : Intensitt des einfallenden Lichtes

I : Intensitt des austretenden Lichtes

l : Schichtdicke, die das Licht in der absorbierenden Substanz zurcklegt [cm]

: molarer Extinktionskoeffizient [M-1cm-1]

c : Konzentration (Molaritt) des absorbierenden Teilchens [M]

Die Lichtabsorption ist eine fr eine Substanz charakteristische Eigenschaft.

Speziell ist dabei aussagekrftig, welche Farben wie stark absorbiert werden. Aus

diesen Absorptionen knnen Rckschlsse auf die Elektronenstruktur einer

Verbindung gezogen werden, da bei der Lichtabsorption die Valenzelektronen einer

Verbindung angeregt (d. h. in einen hheren, energetisch weniger gnstigen

Zustand versetzt) werden. Die Absorption als Funktion der Wellenlnge nennt man

das Spektrum einer Verbindung.

Das Beer'sche Gesetz ist eine quantitative Beziehung zwischen der Lichtabsorption und der Konzentration der absorbierenden Substanz:

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