quantitativ « Tags « riecken.de

Quantitative Analyse von Kohlenwasserstoffen (Beispielaufgabe)

19. März 2010 Maik Riecken Ein Kommentar

Eine Verbindung, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, wird an der Luft vollständig verbrannt. Dabei werden 88g Kohlenstoffdioxidgas und 22,5g Wasser frei. Die Verbindung ist gasförmig. 5,8g nehmen bei Raumtemperatur ein Volumen von 2,4L ein. Bestimme die Summenformel der gesuchten Verbindung.

1. Berechnung des Kohlenstoffanteils:

Gegeben: m(CO₂)=88g, M(CO₂)=44g/mol

Gesucht: n©, Nebenbedingung: n© = n(CO₂), da in einem Molekül Kohlenstoffdioxid ein Kohlenstoffatom enthalten ist

allg. gilt: M=m/n <=> n=m/M

einsetzen: n(CO₂) = m(CO₂)/M(CO₂) = 88g/44g/mol = 2mol

Die gesamte Stoffportion der Verbindung enthält 2mol Kohlenstoffatome.

2. Berechnung des Wasserstoffanteils

Gegeben: m(H₂O)=22,5g, M(H₂O)=18g/mol

Gesucht: n(H), Nebenbedingung: n(H) = 2*n(H₂O), da in einem Wassermolekül zwei Wasserstoffatome vorhanden sind

allg. gilt: M=m/n <=> n=m/M

einsetzen: n(H₂O) = m(H₂O)/M(H₂O) = 22,5g/18g/mol = 1,25mol

n(H) = 2*n(H₂O) = 2*1,25mol = 2,5mol

Die gesamte Stoffportion der Verbindung enthält 2,5mol Wasserstoffatome.

Damit gilt für das Verhältnis zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in der Verbindung:

n©:n(H) = 2:2,5 = 4:5 (es gibt ja nur ganze Atome)

3. Berechnung der Molaren Masse der Verbindung

Gegeben: m(Stoffportion) = 5,8g, V(Stoffportion) = 2,4L, V_m(Stoffportion) = 24L/mol

Gesucht: M(Stoffportion)

Ansatz: m(Stoffportion)/m(von einem Mol Stoffportion) = V/V_m

einsetzen: 5,8g/x g/mol = 2,4L/24L/mol <=> x = 58g/mol

Gesucht ist also eine Verbindung, für die gilt:

n©:n(H) = 4:5 und M = 58g/mol

Ergebnis:

C₄H₁₀

Aufgabe:

Dir ist die allgemeine Summenformel der einfachsten organischen Verbindungen, den Alkanen, bekannt. Sie lautet:

C_nH_2n+2

Entwickle selbst eine Aufgabe zur quantitativen Analyse für eine Verbindung mit z.B. n=5,9,18… Lasse diese von einem Lernpartner/einer Lernpartnerin gegenrechnen. Achte darauf, dass du dabei die Zahlenverhältnisse nicht zu leicht wählst.

Hinweis:

Dieses Material lässt sich auch als PDF oder ODT (OpenOffice) herunterladen.

Chemieunterricht Analyse, Beispielaufgabe, Kohlenwasserstoff, quantitativ, Rechnung

Organik: Quantitative Analyse

25. Januar 2010 Maik Riecken Kommentar hinterlassen

Eine typische Aufgabe für den Anfang (Kohlenwasserstoffe) könnte so aussehen:

Bei der Verbrennung einer organischen Substanz, die nur aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, werden bei Normalbedingungen 0,63L Kohlenstoffdioxidgas und 0,63g Wasser gebildet. Berechne das Anzahlverhältnis zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in dieser Verbindung.

Bei dieser Aufgabe ergibt sich im Verlauf der Rechnung ein Problem, welches wir im Chemieunterricht gerne durch eine entsprechende Frisierung der Ausgangsdaten umgehen: Wir bekommen zwei Zahlen mit Rundungsfehlern und müssen darauf ein ganzzahliges Anzahlverhältnis ermitteln, da es nunmal nur ganze Atome gibt. Für das obige Beispiel ergibt sich:

Stoffmenge des Kohlenstoffs

gegeben:

V(CO₂) = 0,63L

V_m(CO₂) = 24L/mol (Satz von Avogadro, Normalbedingungen: 25°C)

gesucht:

n(CO₂)

allg. gilt:

n(CO₂) = V(CO₂) / V_m(CO₂)

einsetzen:

n(CO₂) = 0,63L / 24L/mol â‰ˆ 0,026mol

Stoffmenge des Wassers:

gegeben:

M(H₂O) = 18g/mol

m(H₂O) = 0,63g

gesucht:

n(H₂O)

allg. gilt:

M(H₂O) = m(H₂O) / n(H₂O) â†” n(H₂O) = m(H₂O) / M(H₂O)

einsetzen:

n(H₂O) = 0,63g /18g/mol â‰ˆ 0,035mol

Pro Wassermolekül sind zwei Wasserstoffatome gebunden, sodass für die ursprüngliche Stoffmenge an Wasserstoff der doppelte Wert anzusetzen ist:

n(H) = 2*n(H₂O) = 0,07mol

Das Problem:

Es ergibt sich ein Anzahlverhältnis

n© : n(H) = 0,026 : 0,07 â‰ˆ 0,37

Wie komme ich jetzt auf ein ganzzahliges Anzahlverhältnis? Wie mache ich aus dieser Dezimalzahl wieder einen Bruch und berücksichtige dabei Rundungsfehler?

Ein Mathematikkollege brachte mich auf folgenden Ansatz:

0,37 = n©/n(H) â†” n© = 0,37*n(H)

n© und n(H) sollen dabei möglichst nahe an einer Ganzzahl liegen.

(a) Den Graphen der Funktion zeichnen und schauen, an welcher Stelle dieses Kriterium erfüllt ist

(b) Einfach eine Wertetabelle anlegen, z.B. mit dem Taschenrechner, der bei uns ein Algebrasystem mit an Bord hat:

n(H)	n©
1	0,37
2	0,74
3	1,11
4	1,48
5	1,85
6	2,22
7	2,59
8	2,96
9	3,33
10	3,7

Mit hinreichender Genauigkeit passt das 8. Wertepaar. Es gilt hier also:

n© : n(H) = 3 : 8

So geht es dann doch trotz der recht krummen Werte, denen man das ganzzahlige Verhältnis nicht auf den ersten Blick ansieht. Ok – man kann das auch auf molare Verhältnisse hochrechnen, aber so kommt der TR zum Einsatz und langsamer ist es auch nicht.

Chemieunterricht Analyse, Chemie, Dezimalzahl, Problem, quantitativ, Verhältnis

Chloridbestimmung nach Mohr

9. Dezember 2009 Maik Riecken 4 Kommentare

Die Chloridbestimmung nach Mohr ist eines der wenigen Beispiele für Fällungstitrationen mit visueller Endpunktbestimmung, das auch in der Schule mit brauchbarer Genauigkeit funktioniert. Einziger Nachteil sind anfallende Chromatlösungen, die ob ihres großen Volumens erst nach dem Eindampfen ihren Weg in die Flasche mit den chromathaltigen Abfällen finden.

Prinzip dieser Titration

Silberchlorid besitzt ein recht kleines Löslichkeitsprodukt: K_L(AgCl) = 1,7*10^-10 mol²/L². In einer gesättigten Silberchloridlösung sind nur sehr wenige Chloridionen enthalten, wie folgende kleine Rechnung zeigt:

gegeben/bekannt:

K_L(AgCl) = 1,7*10^-10 mol²/L²

Weiter gilt bei einer gesättigten Lösung, die ausschließlich Silberchlorid über einem Bodensatz enthält:

(1) c(Ag⁺) = c(Cl^-)

da ja pro Silberion ein Chloridion frei wird. Zusätzliche Silber- oder Chloridionen in der Lösung verschieben das Gleichgewicht zwischen Bodenkörper und Lösung

(2) AgCl_(s) â†” Ag⁺_(aq) + Cl^-_(aq)

lediglich weiter in Richtung des Feststoffes.

gesucht:

c(Ag⁺)

allgemein gilt:

K_L(AgCl) = c(Ag⁺) * c(Cl^-) =1,7*10^-10 mol²/L²

bzw. unter Einbezug von Voraussetzung (1)

K_L(AgCl) = c(Ag⁺) * c(Ag⁺) =1,7*10^-10 mol²/L²

<=> c(Ag⁺)² = K_L

<=> c(Ag⁺) = âˆšK_L

einsetzen:

c(Ag⁺) = âˆš1,7*10^-10 mol²/L² â‰ˆ 1,3*10^-5 mol/L

So viel bleibt also nicht übrig. Damit dürfte die Fällung das Prädikat „quantitativ“ verdienen.

Allgemein, Nette Versuche Beschreibung, Bestimmung, Chemie, Chlorid, Fällung, Mohr, quantitativ, Titration, Versuch

Schülerdeutungen: Kupfer und Schwefel quantitativ

23. Januar 2009 Maik Riecken Ein Kommentar

Lässt man Kupfer und Schwefel in den entsprechenden Schulversuchen miteinander reagieren, so fällt auf, dass das Kupfer in der Regel nicht den gesamten Schwefel aufnimmt. Tatsächlich sind es im Verhältnis zum Kupfer nur sehr geringe Stoffportionen, die notwendig sind, um z.B. ein Kupferblech vollständig zu Kupfersulfid umzusetzen.

Meine SuS der 7. Klasse hatten dazu eine ausgezeichnete Idee auf Basis ihres Wissens über das Kugelteilchenmodell. In Anlehnung an die Volumenkontraktion bei der MIschung von Wasser und Brennspiritus formulierten sie folgende Hypothese:

Kupfer und Schwefel: Theorie 1

Zwischen den Kupferkugelteilchen befinden sich Lücken, deren Anzahl begrenzt ist. Sind alle Lücken von den Schwefelteilchen besetzt, so kann das Kupfer keinen weiteren Schwefel mehr aufnehmen – eine absolut logische Hypothese, die gar nicht so einfach mit dem Kenntnisstand einer 7. Klasse zu widerlegen ist.

Ich habe mich folgendermaßen herausgeredet:

Wenn die Hypothese gilt, so dürften sich die Eigenschaften von Kupfer- und Schwefelteilchen dabei nicht ändern, da ja lediglich eine Art Gemisch entsteht. Also müsste das Endprodukt eine Mischfarbe aus Rotbraun (Kupfer) und Gelb (Schwefel) aufweisen. Außerdem ist schwer zu erklären, warum Energie bei dieser Reaktion frei wird (und das ist sichtbar). Dann habe ich eine andere Theorie präsentiert:

Kupfer und Schwefel:Theorie 2

Kupferteilchen können nur eine begrenzte Anzahl an Schwefelteilchen (oder umgekehrt) aufnehmen. Dabei entsteht ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften, also eine Verbindung.

Die SuS haben berechtigt angeführt, dass sich ja auch hier die jeweiligen Teilchen nicht verändern und die Farbigkeit so gesehen auch nicht stimmt. Da sie es so genau wissen wollten, musste ich dann doch einräumen, dass sich die Teilchen sehr wohl verändern, wenn sie sich verbinden und dadurch die Energieerscheinungen und die anderen Eigenschaften zu erklären sind.

Das Gesetz der konstanten Proportionen erklären jedoch beide Hypothesen hinreichend gut. Und wenn man sich die Organisation der Ionen im Kupfersulfid genau anschaut haben die SuS so Unrecht nun auch wieder nicht.Ganz davon abgesehen: Methodisch haben sie hervorragend gearbeitet.

Der Übergang vom Massen- auf den Teilchenbegriff ist eben doch nicht so ganz einfach…

Chemieunterricht Ebene, Kupfer, Masse, quantitativ, Schwefel, Teilchen, Theorie

Schülerversuch: Reaktion von Kupfer und Schwefel quantitativ

15. Januar 2009 Maik Riecken 11 Kommentare

Dies ist ein sehr bekannter Versuch zum Nachweis vom Gesetz der konstanten Proportionen. Dazu lässt man ein Kupferblech mit bekannter Masse mit Schwefel reagieren und wiegt das Produkt erneut. Dabei ist das Massenverhältnis von Kupfer und Schwefel im Idealfall konstant, da folgende Reaktion abläuft:

2Cu + S â†’ Cu₂S

Es reagieren also 32u Schwefel mit ca. 2x63,5u Kupfer (127u) (alle Werte gerundet), sodass man auf ein Massenverhältnis von ziemlich genau 4:1 ( m(Cu):m(S) ) kommt.

Dazu spannt man ein Reagenzglas mit wenig Schwefelpulver leicht schräg in ein Stativ ein. Jede Versuchsgruppe (je mehr Gruppen, desto besser), erhölt ein unterschiedlich großes Kupferblech. Dieses wird gewogen und so in das Reagenzglas eingeführt, dass es etwa 4–5cm über dem Schwefel zu liegen kommt. Dann werden sowohl der Schwefel als auch das Reagenzglas erhitzt. Man sollte den Ablauf dieses Experimentierteils einmal vorher mit den SuS üben (Vorstunde).

Durch eine vorbereitete Schülerhand kann der spannende Teil des Versuches so ablaufen:

Nette Versuche Kupfer, quantitativ, Schülerversuch, Schwefel