Butylchlorid

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Butylchlorid

Physikalische Chemie für Studierende der Biologie/Humanbiologie (BSc.) Station AB Bestimmung von Reaktionsordnung und Geschwindigkeitskonstante der Hydrolyse von t- Butylchlorid mit Hilfe der Leitfähigkeitsmessung Aufgabenstellung: Für die Hydrolysereaktion sind, ausgehend von konstanter t-Butylchloridkonzentration aber zwei verschiedenen Mischungen aus 95,3 %igem Alkohol und Wasser, bei ca. 25°C die Reaktionsordnung n und die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k zu ermitteln. Es ist festzustellen, ob die experimentellen Daten einer S N1 - oder einer S N2 -Reaktion zugeordnet werden können. Theoretische Grundlagen: Die Hydrolyse von t-Butylchlorid zu t-Butanol CH 3 CH 3 | | CH 3 ―C―Cl + H 2 O → CH 3 ―C―OH + H + + Cl - | | CH 3 CH 3 ist eine nucleophile Substitution (vgl. Lehrbücher der Organischen Chemie) . Da bei der Reaktion Ionen gebildet werden, lässt sie sich bequem konduktometrisch (durch Leitfähigkeitsmessung) verfolgen. Die Konzentration c t-B des tert.-Butylchlorids und die elektrische Leitfähigkeit G=1/R stehen in folgendem Zusammenhang: ct−B Gt− G = c G − G t−B0 0 ∞ ∞ (1) Für einen S N1 -Mechanismus Mechanismus gilt das differentielle Zeitgesetz: dc t−B − = k 1*ct−B (2a) dt Für einen SN 2 -Mechanismus dagegen: dc t−B − = k 2 *c t−B *cH2O (2b) dt


Da bei den vorliegenden Versuchsbedingungen die Konzentration des eingesetzten Wassers sehr viel größer ist als die Konzentration des t-Butylchlorides, ergibt sich allerdings eine Pseudo-Ordnung: dc t−B − = k 2 *c t−B *cH O = k' 2*ct−B (3) dt 2 Somit sollte das integrierte Zeitgesetz sowohl bei S N1 als auch bei S N2 einer Reaktion 1. Ordnung folgen: c =− = = (3a) t−B ln k*t S N1 :k k1 S N2 :k k 2 *cH 2 O ct−Bo Um eine Reaktion 2. Ordnung auszuschließen, untersucht man auch dc k*c dt mit dem integrierten Zeitgesetz t−B 2 − = t−B (4) 1 1 = + kt ct−B ct−B0 bzw. (umgeformt für die Leitfähigkeitsmessung unter Bezug auf Gl .(1) ) c t−B0 c t−B = 1+ kc t (4a) t−B0 Eine Reaktion 0. Ordnung dc t − B − = k dt besitzt das integrierte Zeitgesetz c = c − kt t−B t−B0 das unter Bezug auf Gl. (1) nach c c t−B t−B0 k = 1− t (5) c t−B0 umzuformen ist- Wird eine Reaktion 1. Ordnung bestätigt und eine Veränderung der Geschwindigkeitskonstante mit der Wasserkonzentration festgestellt, dann liegt möglicherweise eine S N2 -Reaktion vor.


Da die Geschwindigkeitskonstanten aber auch von der Polarität des Lösungsmittelgemisches abhängig sind, kann eine S N1 -Reaktion erst dann ausgeschlossen werden, wenn die Quotienten aus der ermittelten Geschwindigkeitskonstante k und der Wasserkonzentration c H2O tatsächlich der Geschwindigkeitskonstanten k 2 entsprechen (vgl. (3a)), sich also nicht signifikant unterscheiden. Versuchsdurchführung: - Falls noch nicht geschehen: Thermostat einschalten, Kühlwasser aufdrehen - Kontrollieren, ob am Thermostaten eine Temperatur von 25 °C eingestellt ist - Die beiden Büretten jeweils mit dest. Wasser bzw. Ethanol auffüllen - Doppelmantelgefäß ausspannen - Versuchsteil A: Aus den Büretten 30 ml Ethanol und 42 ml dest. Wasser in das Doppelmantelgefäß füllen - Versuchsteil B: Aus den Büretten 36 ml Ethanol und 36 ml dest. Wasser in das Doppelmantelgefäß füllen - Doppelmantelgefäß einspannen, Magnetrührer einlegen - Deckel mit Leitfähigkeitsmesszelle auf das Doppelmantelgefäß absenken - Betriebsanleitung des Leitfähigkeitsmessgerätes durchlesen - Leitfähigkeitsmessgerät einschalten - Wenn eine Temperatur von (25 +- 0,3) °C erreicht ist, wird die Reaktion gestartet ; dazu werden mit einer Labpipette– Volumeneinstellung vorher überprüfen – 0,24 ml (2,2*10 -3 mol) t-Butylchlorid durch die Bohrung im Deckel injiziert - Datenerfassung starten und nach 40min (Teil A) bzw. 60 (Teil B) min beenden - Nur Teil B: Daten am Computer auslesen und hinsichtlich der Reaktionsordnung auswerten Anleitungen für die Handhabung des Leitfähigkeitsmessgerätes und des benutzten Auswerteprogramms befinden sich am Arbeitsplatz bzw. am Computer. LITERATUR: BASISWISSEN PHYSIKALISCHE CHEMIE Kap.7.2,7.3 Vorbereitungsfragen: Erläutern Sie den Einfluss der Lösungsmittelpolarität auf die Geschwindigkeit von S N1 - und S N2 -Reaktionen (vgl. Lehrbücher der organischen Chemie).

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