Versuch 2 - TU Ilmenau

TU Ilmenau
Fachgebiet Chemie
Chemisches Praktikum
Versuch
Verdampfungsenthalpie von
leichtflüchtigen Substanzen/
Mikrokalorimetrie)
(Teil 1 und Teil 2)
V2
Jede Praktikumsgruppe führt beide Versuchsteile durch!
Teil 1
1. Aufgabe
Messen Sie den Dampfdruck für eine vom Praktikumsbetreuer vorgegebene Substanz bei 7 verschiedenen Temperaturen!
Beginnen Sie bei T = 25 °C und erhöhen Sie die Temperatur in Schritten von 5 K!
2. Grundlagen
In einem geschlossenen Raum stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den in der Zeiteinheit
aus einer Flüssigkeit austretenden und den in die Flüssigkeit eintretenden Molekülen ein. Diesem
Gleichgewichtszustand entspricht bei gegebener Temperatur ein ganz bestimmter Dampfdruck.
Der Dampfdruck reiner Substanzen läßt sich in Abhängigkeit von der Temperatur mit Hilfe verschiedener
Methoden bestimmen. Die Temperaturabhängigkeit wird durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung wiedergegeben.
 V Hm
dP

dT T( Vm, Gas  Vm,Fl )
Für ideale Gase und bei Beschränkung auf kleine Temperaturintervalle unter Vernachlässigung des Molvolumens der Flüssigkeit VFl erhält man die Integralform dieser Gleichung:
ln P  
 V Hm
C
RT
 VHm : molare Verdampfungsenthalpie
Vm, Gas : Molvolumen des Dampfes
Vm,Fl
: Molvolumen der Flüssigkeit
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3. Versuchsdurchführung
Die Dampfdruckmessung wird mit einem Isoteniskop nach Smith und Menzies durchgeführt. Es besteht
aus einem Gefäß mit der zu untersuchenden Flüssigkeit, einem Hilfsmanometer und dem Hauptmanometer, an dem der in der Apparatur herrschende Druck abgelesen werden kann. Auf das Hilfsmanometer
wirkt von der einen Seite der zu messende Dampfdruck auf der anderen Seite ein äußerer Druck, der am
Hauptmanometer abgelesen wird und der mit Hilfe einer feinen Kapillare und einer zuschaltbaren Wasserstrahlpumpe so reguliert wird, daß im Hilfsmanometer keine Niveaudifferenz der Flüssigkeitsmenisken
besteht. Das Hilfsmanometer ist in der für Sie gewählten Anordnung mit der gleichen Flüssigkeit gefüllt,
deren Dampfdruck bestimmt werden soll.
Um die Messung des Dampfdruckes vornehmen zu können, werden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:
1.
Das Kölbchen im thermostatierten Isoteniskoprohr wird zu etwa 3/4 mit der zu untersuchenden
Substanz gefüllt (ist bereits vorbereitet).
2.
Der Umwälzthermostat wird angeschlossen und die Temperaturkonstanz abgewartet (ca. 5-10
min). Gleichzeitig wird der Hahn für das Kühlwasser des Rückflußkühlers geöffnet.
3.
Die gesamte Apparatur wird bei geschlossenem Hahn zur Kapillare langsam evakuiert. Sobald
der Druck gering genug geworden ist, beginnt die Flüssigkeit im Kölbchen zu sieden, kondensiert
aber im Wasserkühler wieder und fließt in das U-Rohr des thermostatierten Teiles der Apparatur
zurück. Die rückfließende Substanz schließt dadurch die im Kölbchen siedende Flüssigkeit von
der Luft in der übrigen Apparatur ab.
4.
Wenn sich genug Flüssigkeit im Hilfsmanometer gesammelt hat, schließt man den Hahn zur
Pumpe. Ist die Apparatur dicht, so beobachtet man eine Druckänderung am Hauptmanometer .
5.
Man öffnet vorsichtig den Hahn zur Kapillare und läßt langsam Luft in die Apparatur einströmen, bis beide Flüssigkeitsmenisken im U-Rohr auf gleicher Höhe sind. Dabei darf keine Luft
durch das Hilfsmanometer in das Kölbchen zurückschlagen! Der Druck, der bei dem Gleich-
gewicht im U-Rohr angezeigt wird, wird am Hauptmanometer abgelesen.
6.
Um die Messung bei der gleichen Temperatur zu wiederholen, wird die Flüssigkeit durch erneutes Abpumpen noch einmal zum Sieden gebracht und die oben beschriebene Prozedur fünfmal
wiederholt. Der Mittelwert der gemessenen Werte geht als experimentell bestimmter Gleichgewichtsdruck in die Auswertung ein.
7.
Die Temperatur wird durch die Thermostateinstellung variiert und jeweils Temperaturkonstanz
abgewartet.
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ACHTUNG!
Auch während des Aufheizens auf eine neue Versuchstemperatur darf keine Luft in den abgeschlossenen Gasraum des kleinen Kölbchens gelangen. Achten Sie sorgfältig darauf, daß das Vakuum in der
Apparatur nicht zusammenbricht!
Nach Beendigung des Versuches wird der Hahn zur Wasserstrahlpumpe geöffnet und die Apparatur bei
laufender Pumpe belüftet.
4. Auswertung
1.
Stellen Sie den Dampfdruck als Funktion der Temperatur dar!
2.
Tragen Sie entsprechend der Clausius-Clapeyron'schen Gleichung den natürlichen Logarithmus
des Druckes als Funktion des Wertes 1/T auf und bestimmen Sie aus dem Anstieg der Kurve die
molare Verdampfungsenthalpie  V H für Ihre Probensubstanz!
3.
Vergleichen Sie den von Ihnen gefunden Wert mit dem theoretischen Wert und begründen Sie
eventuell auftretende Abweichungen!
4.
Wie kann man die Clausius-Clapeyron’sche Gleichung thermodynamisch herleiten?
5.
Berechnen Sie die Standardabweichung für p und ermitteln Sie die Fehlerfortpflanzung bei der
der Berechnung von  V H !
Hinweis!
Sie arbeiten mit einem Membranmanometer, das die Differenz des in der Apparatur herrschenden Druckes zum Außendruck angibt. Um den in der Apparatur herrschenden Druck angeben zu können, müssen Sie den tatsächlich herrschenden Luftdruck berücksichtigen.
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Teil 2
1. Aufgabe
Stellen Sie unterschiedliche Ethanol/Wasser-Gemische gemäß „Versuchsdurchführung“ her!
Ermitteln Sie die Wärmekapazität von reinem Ethanol und destilliertem Wasser!
Bestimmen Sie aus der zum Verdampfen benötigten Leistung die molare Verdampfungsenthalpie für
Wasser und Ethanol bei 70 °C!
Messen sie die Zeit und die Leistung bei 70 °C, die zur Verdampfung der unterschiedlichen EthanolWasser-Gemische benötigt wird und errechnen sie die entsprechenden Verdampfungswärmen!
Tragen Sie die errechneten Verdampfungswärmen gegen die Zusammensetzung (Vol.-%) der Gemische
auf und führen Sie eine lineare Regression durch!
Vermessen Sie eine unbekannte Lösung und geben sie den Ethanolgehalt dieser Lösung an!
Bitte bringen Sie eine 3,5“ Diskette mit, um Ihre Daten zu sichern!
2. Grundlagen
siehe Grundlagen von Versuch V2 (Teil 1)!
3. Versuchsdurchführung
Es werden zuerst aus reinem Ethanol und destilliertem Wasser Ethanol-Wasser-Mischungen in Eppendorf-Tubes hergestellt. Die Mischungsverhältnisse Ethanol zu Wasser sind 9:1, 4:1, 7:3, 3:2, 1:1, 2:3, 3:7,
1:4 und 1:9. Das Gesamtvolumen der jeweiligen Mischungen beträgt 100 µl. Neben diesen Mischungen
werden zusätzlich jeweils 100 µl der reinen Substanzen in Eppendorf-Tubes abgefüllt.
Nach dem Anschalten des PCs und des Thermochipreglers wird das Programm „Kalorimetrie“ gestartet.
Dazu wird auf das entsprechende Desktop-Icon doppelgeklickt. Unter der Option „Anzeigen“ in der Menüleiste befindet sich die Unteroption „Reglermonitor“, wo der Temperatursollwert eingegeben werden
kann. Es werden 25 °C als Temperatursollwert eingetippt und mit dem OK-Button bestätigt. Anschließend
wird der Chipheizer am Schalter des Reglers oben rechts eingeschaltet und 10 min gewartet. Damit wurde die Basistemperatur des Thermochips von 25 °C eingestellt!
Zur Ermittlung der Wärmekapazitäten der reinen Substanzen wird folgendermaßen vorgegangen:
1)
Im Menü wird die Option „Temperaturdaten new“ ausgewählt und ein beliebiger Dateiname vergeben.
2)
In der Unteroption „Reglermonitor“ wird ein Temperatursollwert von 40 °C eingestellt,
aber noch nicht mit „OK“ quittiert.
3)
Zum Starten der Aufzeichnung der Meßdaten (Chiptemperatur und Leistung) wird die
Menüoption „Temperaturdaten“ aufgerufen und der Menüpunkt „start“ gewählt.
4)
Jetzt wird der OK-Button im Menüfenster „Reglermonitor“ gedrückt, und damit das Aufheizen des Chips ausgelöst.
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5)
Es wird die benötigte Energie ermittelt (Leistung und Zeit), um den Chip von 25 auf 40 °C
aufzuheizen. Nach erreichen der Temperatur von 40 °C wird „Temperaturdaten“ und der
Option „stop“ die Messung angehalten. Die Meßwerte sind abzuspeichern!
6)
Dieselbe Prozedur erfolgt danach anschließend einmal mit einem aufgebrachten Wassertropfen und danach mit einem Ethanoltropfen. Das Tropfenvolumen beträgt jeweils 20 µl.
(Der Quotient aus der aufgenommenen Energiemenge bzw. Wärmemenge und dem
Temperaturanstieg entspricht dann der Wärmekapazität C = Q/∆T)
7)
Zum Abkühlen des Chips wird im „Reglermonitor“ 25 °C eingestellt, mit OK quittiert und
am Chipregler der Peltierkühler eingeschaltet.
Zur Ermittlung der Verdampfungswärmen der Mischungen und Reinsubstanzen wird folgendermaßen
vorgegangen:
1)
Dazu wird, wie oben beschrieben, der Chip auf 70 °C aufgeheizt und 10 min gewartet.
2)
Danach wird mit der Menüoption „Temperaturdaten“ und „start“ die Meßwerterfassung
begonnen und 20 µl Flüssigkeit aufgebracht.
3)
Wenn der Flüssigkeitstropfen verdampft ist, wird mit „Temperaturdaten“ und der Option
„stop“ die Messung angehalten. Die Meßwerte sind abzuspeichern!
4)
Es werden alle Mischungen bekannter Zusammensetzung, reines Wasser und reines
Ethanol sowie eine Lösung unbekannter Zusammensetzung vermessen.
Achtung: Der Chipreaktor ist äußerst empfindlich. Es ist extrem sorgsam mit ihm umzugehen, dasselbe
gilt für die Pipetten. Schalten Sie nach dem Experiment und vor dem Schließen des Programms auf
jeden Fall die Heizregler aus!
4. Auswertung
Ermittlung der Wärmekapazität: Die für das Aufheizen des Chips von Raumtemperatur auf 40 °C benötigte Leistung und Zeit kann dem Diagramm (also den ASCII Daten)
direkt entnommen werden. Achtung! Anders als im ASCII File angegeben, ist die Abtastrate 2 Hz! Aus
Leistung, Zeit und Temperaturdifferenz werden die Wärmekapazitäten der reinen Flüssigkeiten ermittelt.
Vergleichen Sie die ermittelten Wärmekapazitäten der reinen Substanzen mit Literaturdaten.
Verdampfungsenthalpien von H20 & EtOH:
Das Integral der Leistung über die Zeit entspricht der vom System zum Verdampfen benötigten Energie,
d.h. der Wärme, die dem Flüssigkeitstropfen zugeführt werden muß, um ihn bei der Temperatur von 70°
C zu verdampfen. Berechnen Sie für die jeweils 100%igen Lösungen die molare Verdampfungsenthalpie
und vergleichen Sie die gefundenen Werte mit Literaturdaten! Nutzen Sie die im ersten Teil des Versuches bestimmten Wärmekapazitäten!
Bestimmung der Lösungszusammensetzung einer unbekannten Ethanol-Wasser-Mischung:
Ermitteln Sie die Wärmemenge, die für das Erwärmen und Verdampfen der verschiedenen Gemische
benötigt wird, aus den Meßdaten (E = ∫Pdt). Tragen Sie die gefundenen Werte als Funktion des Molen-
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bruchs in einem Diagramm auf und bestimmen Sie daraus graphisch oder mit Hilfe der Regressionsgleichung die Zusammensetzung der unbekannten Probe!
5. Versuchsaufbau
Thermoregler
Thermochip
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