Elementaranalyse durch Verbrennung
nach J. v. Liebig

Stephen Schulz

Quantitative Bestimmung von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in organischen Verbindungen 

• Experiment
  • Reaktion
  • Apparatur
  • Stoffe
• Durchführung
• Folgerung
  • Ergebnis
• Literatur und Bearbeitung

Bestimmung von Kohlenstoff als Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in Form von Wasser nach Liebig

Reaktion:

Apparatur:

Stoffe:

(1)  3 mL Kalilauge (w=45%)

(2)  Füllhöhen: 2,5 cm Natriumhydroxid, Phosphorpentaoxid und wieder 2,5 cm Natriumhydroxid. Alle Stoffe werden zuvor getrennt mit weißem Kupfersulfat als Feuchtigkeitsindikator gemischt.

(3)   Kupfer(II)-oxid in Drahtform

(4)   wasserfreies Calciumchlorid

(5)   3 mL Kalilauge (w=30%)

Sonstiges: kleiner Pulvertrichter, Pinzette, Einwegspritze mit Kanüle, Septum (d=16 mm), Natriumhydrogencarbonat, kleines Porzellanschiffchen oder Glasbruchstück

Ergänzung:

Durchführung

Aufbau:

Die Apparatur besteht im Wesentlichen aus der Gasaufbereitung, der Verbrennung im Reaktor und der Gasabsorption. In der Gasaufbereitung wird die Luft durch Kalilauge von Kohlenstoffdioxid befreit, danach wird restliches Kohlenstoffdioxiddioxid und Wasserdampf im U-Rohr absorbiert. Im Verbrennungsteil wird die organische Substanz am Kupfer(II)-oxid verbrannt. Nach der Verbrennung wird der Wasserdampf mit Calciumchlorid und das Kohlenstoffdioxid mit Kalilauge absorbiert.

Die Apparatur wird liegend auf dem Tisch zusammengebaut und anschließend werden von der Rückseite her die Federklammen mit der weiße Kunststoffseite auf das Glas aufgesteckt. Danach wird die Apparatur mit den freien Enden der Federklammern an den Alu-Vierkantrohre aufgesteckt bis sie mit einem Klicken einrasten.

Befüllung des Wasserabsorbers:

Die  Luer-Lock-Pipette wird mit einem kleinen Glaswollbüschel in das Reaktionsgefäß geschoben. Anschließend wird die Pipette mit einer Schraubkappe am oberen Gewinde fixiert. Um das Calciumchlorid einzufüllen wird der kleine Pulvertrichter in den Seitenansatz gesteckt und anschließend fein granuliertes Calciumchlorid unter Klopfen in das auf dem Tisch liegende Reaktionsgefäß gefüllt. Bevor die der Seitenansatz verschraubt wird, wird etwas Glaswolle in das Rohr gesteckt.

Befüllen des U-Rohrs:

Es wird eine kleine Portion Natriumhydroxid mit etwas weißem Kupfersulfat gemischt. Ebenfalls wird eine Portion Phosphorpentaoxid mit weißem Kupfersulfat gemischt. Das U-Rohr wird im Kniebereich mit Phosphorpentaoxid gefüllt, so dass noch 2,5 cm Platz an jedem Schenkel für Natriumhydroxid übrig bleiben. Bevor das Kupfersulfat eingefüllt wird, wird ein dichter Glaswollbausch auf das Phosphorpentaoxid gegeben damit jeder Kontakt mit Natriumhydroxid vermieden wird. Das Natriumhydroxid wird nun vorsichtig darüber geschichtet und mit einen Glaswollbausch an jedem Schenkel verschlossen.

Anschließend wird noch das Quarzrohr mit Kupfer(II)-oxid gefüllt und mit Quarzwolle fixiert.

Reaktion:

Als Nächstes werden die CO₂-Absorptionsfalle und das Trockenrohr getrennt auf 0,1 mg genau gewogen. Die Wasserfalle wird mit einem Blindstopfen und einem Dreiwegehahn verschlossen und gewogen. Wegen der Reproduzierbarkeit muss immer der gleiche Blindstopfen und Dreiwegehahn verwendet werden.

Nun Erhitzt man das Reaktionsrohr auf Rotglut und pumpt ab und zu etwas Luft mit dem Kolbenprober "A" durch das Rohr über den Hahn an den Absorptionsfallen aus der Apparatur heraus. Bei leicht brennenden Substanzen darf  auf keinen Fall  Sauerstoff verwendet werden, da sonst die Gefahr einer explosionsartigen Verbrennung am Katalysator besteht.

Analyse einer leicht flüchtigen Flüssigkeit (Sdt. bis 80°C):

Mit einer Injektionsspritze mit Kanüle werden durch das Septum 0,2 mL Methanol oder eine andere leicht flüchtige zu untersuchende Flüssigkeit injiziert. Sofort nach der Injektion wird langsam Luft durch die Apparatur in die Absorptionsfallen gepumpt. Anschließend pumpt man im Abstand von einer Minute je 60 mL Luft 10 min. lang durch die Apparatur. Nach dieser Zeit sollte kein Wasserdampf mehr in den Rohren nach der Verbrennung sein. Außerdem muss die komplette Reaktor-Füllung schwarz sein und kein elementarem Kupfer mehr zu sehen sein. Falls dennoch Kupfer zu sehen ist muss die Zeit verlängert werden. [auf diese Weise können auch Gase injiziert werden. 
VORSICHT: leicht entzündliche Stoffe nur ganz langsam eindosieren, weil sonst Gefahr der Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre besteht]

Analyse einer schwer Flüchtigen Flüssigkeit oder eines Feststoffes:

Es wird wie oben verfahren, nur das die Analysensubstanz in ein kleines Porzellan-Schiffchen oder ein Glasbruchstück eingewogen wird. Das so präparierte Schiffchen wird mit einer Pinzette in das noch kalte Reaktionsrohr über die Blindkappe eingeschoben. Nach dem Verschließen mit einer Schraubkappe wird die Apparatur mit 120 mL Luft durchgespült. Danach heizt man das Reaktionsrohr mit dem Brenner auf, wobei man aber direkt die Gase in die Absorptionsfallen leitet.

Auswertung des Wasser- und CO₂-Gehaltes:

Die Wasserfalle wird wieder mit der Blindkappe und dem Dreiwegehahn verschlossen. Anschließen wiegt man das Rohr und rechnet die Massenzunahme aus. Das Kohlenstoffdioxid-Absorptionsrohr wird nicht verschlossen, weil die Kalilauge nicht so extrem Kohlenstoffdioxid aus dem Luft absorbiert. Dieses Rohr wird ebenfalls gewogen und die Massenzunahme errechnet. Danach können weiter Proben analysiert werden.

Der CO₂- und Wassergehalt, sowie die Substanzeinwaage (bei Volumendosierung Umrechnung mit der Dichte auf die Masse) werden in das Messprotokoll, in die gelben Kästchen, eingegeben. Um ein automatisches Ergebnis zu erhalten, muss noch die molare Masse in das blaue Kästchen eingetragen werden. Anmerkung: Molare Massen können mit Hilfe der Siedepunkterhöhung, der Schmelztemperaturerniedrigung, der Dampfdichtebestimmung nach Victor Meyer oder Dumas bestimmt werden.
Um die Formel zu erhalten, muss noch die kleinste Molmasse (grüne Kästchen) in das gelbe Kästchen eingetragen werden, damit die automatische Berechnung die relative Stoffmengen der beteiligten Atomsorten berechnen kann.

Entsorgung:

Das Calciumchlorid wird in einem großen Becherglas mit viel Wasser gelöst. Der Inhalt des U-Rohres wird vorsichtig in das gleiche Becherglas gegeben und innig gemischt. Die Mischung wird vorsichtig mit etwas Ethanol aufgeschwemmt. Anschließend fügt man langsam Wasser zu bis keine Reaktion mehr stattfindet. Anschließend fügt man noch die Kalilauge aus den beiden Gaswäschern (B & F) zum Inhalt des Becherglases und neutralisiert mit Natriumhydrogencarbonat. Die neutrale Lösung wird in den Ausguss gegeben und mit viel Wasser nachgespült.

Das Reaktionsrohr mit dem Kupfer(II)-oxid kann für weitere Elementaranalysen verwahrt werden. Dazu müssen alle Öffnungen luftdicht verschlossen werden, damit keine Luftfeuchtigkeit eindringen kann. Vor der Wiederverwendung ist das Kupfer(II)-oxid erneut zu glühen, während ein ganz leichter Luftstrom durch das Reaktionsrohr gesaugt wird.

Beobachtung:

Das Kupfer(II)-oxid wird sofort Kupfer reduziert, wenn z.B. Methanol injiziert wird. Das Kupfer oxidiert sofort wieder, wenn Luft durch die Apparatur gedrückt wird.

Ermittelte Massen der CO₂-Absorptions-Fallen:

m(CO₂)_vorher:     45,78956 g 

m(CO₂)_nachher:  - 46,11556 g

m(CO₂):                0,32600 g

Ermittelte Massen der Wasser-Absorptions-Fallen:

m(H₂O_vorher:      89,64675 g

m(H₂O_nachher:  - 89,91275 g

m(H₂O<_H2O:          0,26600  g

 

m(CH₃OH:     0,23800 g  (oder andere Analysensubstanz)

zum Messprotokoll

Folgerung

Deutung:

Organische Verbindungen verbrennen quantitativ zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Als Sauerstoff-Quelle dient der Sauerstoff des Kupfer(II)-oxides und der der Luft. Kohlenstoffdioxid lässt sich zu Kaliumcarbonat binden und dann gravimetrisch erfassen. Wasserdampf bildet anscheinend mit wasserfreiem Calciumchlorid ein Hydrat.

Fakten:

Kohlenstoff wir durch den Sauerstoff des Kupfer(II)-oxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Diese Kohlenstoffdioxid wird durch die Kalilauge zu Kaliumcarbonat gebunden. Durch die Massenzunahme lässt sich dann der Kohlenstoffdioxid-Gehalt errechnen. Wasser was sich bei der Verbrennung des Wasserstoffes in der organische Verbindungen bildet, lässt sich mit Calciumchlorid zu einen Hydrat binden, welches man ebenfalls gravimetrisch erfassen kann.

Aus dem Kohlenstoffdioxid-Anteil und dem Wasser-Anteil kann man dann das Atomverhältnis zwischen Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff errechnen. Mit Hilfe der Molmasse kann man dann die Formel der organische Substanz errechnen.

Fragen:

Was passiert wenn die organische Substanz noch Atome wie Stickstoff  (siehe Protokoll zu Stickstoff-Bestimmung) oder Chlor enthält ?

Autor (Text):

Chemische Schulexperimente; Manfred Just, Albert Hradetzhy Organische Chemie Teil 4; Quantitative Analyse organischer Stoffe    S.44-46 Quantitative Analyse

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Literatur: