Organische Chemie referat

Organische Chemie

Gliederung

Seite

A Einleitung: Allgemeines zur Strukturaufklärung.........................................(3)

B Methoden der Strukturaufklärung................................................................(4) 15598ogo12hle9g

1 Klassische Methoden – erläutert an einem praktischen Beispiel........(4)

1.1 Qualitative Elementaranalyse......................................................................(4)

1.1.1 Nachweis vonKohlenstoffC.......................................................................(4)

1.1.2 Nachweis vonWasserstoffH.......................................................................(4) gl598o5112hlle

1.2 Quantitative Elementaranalyse....................................................................(5)

1.2.1 Ermittlung der Anzahl der Kohlenstoffatome..............................................(5)

1.2.2 Ermittlung der Anzahl derWasserstoffatome..............................................(8)

1.3 Ermittlung der molarenMasse.....................................................................(10)

1.3.1 Ermittlung der molaren Masse mittels Gaswägekugel................................ (10)

1.3.2 Ermittlung der molarenMasse nach Victor Meyer......................................(12)

1.4 Ermittlung und Trennung der Konstitutionsisomeren................................. (16)

2 Heutige Methoden der Strukturaufklärung.........................................(17)

2.1 Massenspektrometrie...................................................................................(17)

2.1.1 Allgemeines und Prinzip..............................................................................(17)

2.1.2. Aufbau und Funktionsweise eines Massenspektrometers............................(19)

2.1.3 Prinzip und Auswertung vonMassenspektren.............................................(22)

2.2 WeitereMethoden........................................................................................(24)

2.2.1 Infrarot-Spektroskopie.................................................................................(24)

2.2.2 Röntgenstrukturanalyse................................................................................(25)

C EigeneMeinung...........................................................................................(26)

- 3 -

Methoden der Strukturaufklärung in der Organischen Chemie

A Allgemeines zur Strukturaufklärung

Bei der Strukturaufklärung handelt es sich um die Ermittlung der Struktur eines

Moleküls oder Festkörpers. Im geschichtlichen Zeitablauf betrachtet, geschah die

Strukturaufklärung bis ungefähr 1950 durch hauptsächlich chemische Methoden.

Als erstes muß bestimmt werden, aus welchen Elementen eine Verbindung besteht. Dies

erreicht man durch die qualitative Analyse. Diese liefert zwar Informationen darüber,

welche Elemente das Molekül enthält. Sie sagt allerdings nichts darüber aus, wieviele

Atome eines Elementes am Bau der Verbindung beteiligt sind.

Um Aufschluß über das Atomverhältnis zu erhalten, bedarf es quantitativer Methoden.

Man erhält als Ergebnis die Summenformel, auch empirische Formel genannt, der

Verbindung. Ein Beispiel dafür ist C2H6O, Ethanol. Diese Formel hat Vor- und

Nachteile: zum einen ist sie sehr kurz, hat aber im Gegenzug dazu wenig Aussagekraft,

da sie nur angibt in welchem Verhältnis die einzelnen Atome zueinander stehen.

Allerdings bekommt man aus ihr keine Informationen über die Anordnung der Atome

im Molekül. Sie sagt ebenfalls nichts über im Molekül auftretende funktionelle Gruppen

aus. Hierfür sind wiederum bestimmte Nachweisreaktionen notwendig:

Beispielsweise läßt mit der Fehling- Reaktion sich feststellen, ob eine Verbindung eine

Aldehyd- Gruppe, -CHO, aufweist. Eine Keto- Gruppe, -CO-, ließe sich wiederum

mittels der Seliwanow- Reaktion nachweisen. Durch solche Nachweis- Reaktionen kann

nun unter teilweise zeitaufwendigen Tests festgestellt werden, welche funktionelle

Gruppen ein Stoff aufweist.

Allerdings haben alle chemischen Versuche einen gewaltigen Nachteil: sie alle

zerstören den zu untersuchenden Stoff. Diese Mittel der Strukturanalytik wären

beispielsweise in der Kriminalistik völlig unbrauchbar, da man hier oftmals nur winzige

Spuren hat, die zu analysieren sind. Hier sind die physikalischen Methoden brauchbarer:

die Massenspektroskopie beispielsweise ermöglicht es aus kleinsten Mengen einer

Probe die Molekülmasse zu bestimmen.

B Methoden der Strukturaufklärung

- 4 -

1 Klassische Methoden – erläutert an einem praktischen Beispiel

Im folgenden möchte ich die Versuche erläutern, die von mir selbst durchgeführt

wurden, um chemische Eigenschaften zu bestimmenen.

Alle Versuche dienen der Strukturaufklärung des Feuerzeuggases, bis auf die molare

Massenbestimmung nach Victor Meyer (1.3.2), die ich bei Methanol durchführte.

1.1 Qualitative Elementaranalyse

Normalerweise müsste man erst durch qualitative Elementaranalyse nachweisen, welche

Elemente im Molekül des Feuerzeuggases enthalten sind. Allerdings wird es bei diesem

Versuch als angegeben betrachtet, daß der Feuerzeuggas, dessen chemische Struktur ich

im Folgenden analysieren will, nur aus den Elementen Kohlenstoff C und Wasserstoff

H besteht.

Deshalb erläutere ich nur kurz die Versuche, mit denen man die quantitative Elementaranalyse

durchführen könnte.

1.1.1 Nachweis von Kohlenstoff C

Das Feuerzeuggas wird mittels Sauerstoff O2 oxidiert. Das enstehende Gas wird in

Kalkwasser, einer Lösung aus Calciumhydroxid Ca(OH)2 , geleitet. Es bildet sich ein

weißlicher Niederschlag, Calciumcarbonat CaCO3 . Dieser Niederschlag ist ein Nachweis

für entstandenes Kohlenstoffdioxid CO2 , welches wiederum nur entstehen kann,

wenn das Feuerzeuggas das Element Kohlenstoff enthält

Reaktionsgleichungen:

2 2 CO O C .. . +

Das entstandene Kohlenstoffdioxid reagiert wie folgt mit der Calciumhydroxid-Lösung:

( ) O H CaCO OH Ca CO 2 3 2 2 + . .. . +

1.1.2 Nachweis von Wasserstoff H

- 5 -

Das Feuerzeuggas wird wie unter 1.1.1 mittels Sauerstoff oxidiert. Das enstehende Gasgemisch

wird in einen Glasbehälter geleitet. Dort läßt man das Gasgemenge abkühlen.

Man wird feststellen, daß Wasser H2O kondensiert. Dies ist ein Hinweis darauf, daß das

Feuerzeuggas neben Kohlenstoff C auch noch aus dem Element H aufgebaut

ist.

Reaktionsgleichung:

O H O H 2 2 2 2

1 .. . +

Weitere Analysen würden ergeben, daß Kohlenstoff und Wasserstoff die einzigen

Elemente sind, aus denen das Feuerzeuggas besteht.

Es läßt sich daher die allgemeine Summenformel für das zu untersuchende Gas

angeben: CxHy

1.2 Quantitative Elementaranalyse

Bei der qualitativen Elementaranalyse wird nun bestimmt, wieviele Kohlenstoff- und

Wasserstoffatome ein Molekül Feuereuggas enthält.

Durch die Ergebnisse läßt sich dann die genaue chemische Formel bestimmen.

1.2.1 Ermittlung der Anzahl der Kohlenstoffatome

Versuchsaufbau:

Abbildung 1

- 6 -

In ein Quarzrohr wird Kupfer(II)-Oxid gefüllt. In das führt man auf beiden Seiten noch

Quarzwolle ein. Das rechte Ende des Quarzrohres verbindet man mit einem 3-Wege-

Hahn. Diesen wiederum verbindet man mit einem Kolbenprober (V=100ml). Der

Kolbenprober wird an Stativen befestigt. Das linke Ende des Rohres verbindet man

ebenfalls mit einem Kolbenprober. Dieser wird ebenfalls an einem Stativ befestigt.

Unter dem Quarzrohr wird ein Bunsenbrenner mit Schwalbenschwanz so aufgestellt,

daß er das Kupferoxid optimal erhitzen kann. Falls kein Bunsenbrenner mit

Schwalbenschwanz zur Verfügung steht, kann man auch zwei normale Brenner nehmen.

Falls das Rohr nicht stabil genug befestigt ist, befestigt man es ebenfalls an einem

Stativ.

Versuchsdurchführung:

Das Kupferoxid wird mit zwei Bunsenbrennern auf Rotglut erhitzt. Über den 3-Wege-

Hahn wird jetzt in den rechten Kolbenprober Feuerzeuggas geleitet. Der Hahn wird

geschlossen. Das eingefüllte Volumen an Feuerzeuggas, V(CxHy), wird gemessen.

Dieses Gas wird jetzt durch den 3-Wege-Hahn über das glühende Kupferoxid in den

linken Kolbenprober geleitet. Das Gas wird wieder in den rechten Kolbenprober geleitet

und von dort aus wieder in den linken. Dabei ist aber zu beachten, daß die Kolben in

den Kolbenprobern ständig gedreht werden, da bei diesem Versuch Wasser entsteht und

sich die Kolben sonst festsetzen. Dies wird solange wiederholt bis keine

Volumensänderung mehr eintritt. Dann läßt man das System auf Raumtemperatur

abkühlen.

Man misst jetzt das Volumen des entstandenen Gases, bei welchem es sich nach

folgender Reaktionsgleichung um Kohlenstoffdioxid handelt:

y xH C 2 2

C x + .. .

Bei Miteinbeziehung des Kupferoxides bzw. des Kupfers ergibt sich folgende

Reaktionsgleichung:

CuO

x H C y x ..

. + +

2 2

2 2 2 ｷ ..

. + + + .. . Cu

x O H

CO x

Auf beiden Seiten mit 2 multipliziert:

- 7 -

( )CuO y x H C y x + + 4 2 ( )Cu y x O H y CO x + + + .. . 4 2 2 2

Auswertung:

Zur Berechnung der Anzahl der Kohlenstoffatome im Feuerzeuggasmolekül werden die

Stoffmengen vom Gas, n(CxHy), und von Kohlenstoffdioxid, n(CO2), ins Verhältnis

gesetzt:

( )

( ) x x CO n

H C n y x 1

= =

( )

( ) ( ) 1 2

y xH C n

CO n

x = .

Aus dem molarem Volumen VM läßt sich die Stoffmenge n berechnen:

( ) ( )

( )

1 0 4 , 22 - ｷ = = mol l

Gas n

Gas V

Gas VM ( ) ( )

( ) ( ) 2 0

Gas V

Gas n

= .

Gleichung (2) eingesetzt in (1):

( )

( ) 3

2 0

y x M

y x

H C V

CO V

x = .

( ) ( ) ( ) 4 2 y x M M H C V CO V =

Gleichung (4) in (3) eingesetzt: ( )

( ) ( ) 5

2 0

y xH C V

CO V

x = .

Die gemessenen Gasvolumina, V(CxHy) und V(CO2

), müssen auf die entsprechenden

Volumina unter Normbedingungen umgerechnet werden:

Dies geschieht mit der allgemeinen Gasgleichung:

0 0

V p

V p ｷ

= ｷ ( ) 6

0 V

T p

V ｷ

ｷ

= .

Gleichung (6) ergibt eingesetzt in

Gleichung (5):

( )

( )y xH C V

T p

CO V

T p

ｷ

= .

- 8 -

( )

( )y xH C V

CO V

x 2 = .

Anhand dieser Formel läßt sich jetzt die Anzahl der Kohlenstoffatome berechnen. Die

folgende Tabelle zeigt die Meßergebnisse aus zwei Versuchsdurchgängen:

Versuchs- V(CxHy) V(CO2

) X

Nummer In ml in ml

1 16 62,5 3,9

2 17 74,5 4,4

Durchschnittlicher Wert x = 4,1

x = 4

Ein Molekül Feuerzeuggas enthält vier Kohlenstoffatome !

1.2.2 Ermittlung der Anzahl der Wasserstoffatome

Versuchsaufbau:

Es handelt sich im Prinzip um den gleichen Versuchsaufbau wie unter a), jedoch mit

dem Unterschied, daß das Quarzrohr mit elementarem Eisen statt Kupferoxid gefüllt ist.

Versuchsdurchgang:

Das Eisen wird mit den Bunsenbrennern auf Rotglut erhitzt. Über den 3-Wege-Hahn

wird in den rechten Kolbenprober Feuerzeuggas geleitet. Nach dem Schließen des

Hahnes wird das Volumen an Gas V(CxHy) gemessen. Dieses Gas wird durch den 3-

Wege-Hahn über das glühende Eisen in den linken Kolbenprober geleitet und von dort

wieder in den rechten Kolbenprober. Dies wird solange wiederholt bis keine

Volumensänderung mehr eintritt. Dann läßt man das System auf Raumtemperatur

abkühlen.

Durch die katalytische Spaltung des Feuerzeuggases in elementaren Kohlen- und

Wasserstoff, ist der Wasserstoff das einzige gasförmige Reaktionsprodukt.

y xH C [ ]

2 2

C x Fe + .. .

- 9 -

Dessen Volumen, V(H2), wird gemessen.

Auswertung:

Um die Anzahl der Wasserstoffatome zu berechnen müssen wie oben die Stoffmengen

vom Feuerzeuggas, n(CxHy), und von Wasserstoff, n(H2), zueinander ins Verhältnis

gestzt werden:

( )

( ) y y H n

H C n y x 2

= =

( )

( ) ( ) 1

2 2

y xH C n

H n

y = .

Aus dem molaren Volumen VM und dem Gasvolumen unter Normbedingungen V0 läßt

sich die Stoffmenge n berechnen:

( ) ( ) 1 0 4 , 22

) (

- ｷ = = mol l

Gas n

Gas V

Gas VM ( ) ( )

( ) ( ) 2 0

Gas V

Gas n

= .

(2) in (1) eingesetzt:

( )

( ) 3

2 0

y x M

y x

H C V

H V

y = .

( ) ( ) ( ) 4 2 y x M M H C V H V =

Gleichung (4) in (3) eingesetzt: ( )

( ) ( ) 5

2 0

y xH C V

H V

y = .

Wie unter a) wird die allgemeine Gasgleichung angewandt:

( )

( )y xH C V

H V

y 2 2 = .

Die folgende Tabelle zeigte die Meßergebnisse aus zwei Versuchsdurchgängen:

Versuchs- V(CxHy) V(H2

) y

Nummer in ml in ml

1 18 89 9,9

2 15 77 10,3

Durchschnittlicher Wert y = 10,1

y = 10

- 10 -

Das Molekül besitzt demnach 10 Wasserstoffatome !

CxHy x = 4 y =10

Es läßt sich daher die Summenformel vom Feuerzeuggas angeben:

10 4H C

Es handelt sich also um Butan, einem Kohlenwasserstoff der Alkanreihe !

1.3 Ermittlung der molaren Masse

1.3.1 Ermittlung der molaren Masse mittels Gaswägekugel

Versuchsaufbau:

Abbildung 2

Eine Gaswägekugel (V=100ml) wird über einen 3-Wege-Hahn mit einem Kolbenprober

(V=100ml) verbunden. Die Gaswägekugel sowie der Kolbenprober werden an Stativen

befestigt.

Versuchsdurchführung:

Die Gaswägekugel wird vom 3-Wege-Hahn getrennt. Die Luft wird mit einer

Wasserstrahlpumpe evakuiert. Das Ventil an der Gaswägekugel wird anschließend

- 11 -

geschlossen. Die Masse der evakuierten Gaswägekugel m1 wird mit einer möglichst

exakten Waage ermittelt und notiert.

Die Kugel wird nun wieder an die Apparatur angeschlossen. Über den 3-Wege-Hahn

wird jetzt in den Kolbenprober Feuerzeuggas eingefüllt. Nach dem Schließen des

Hahnes wir nun das Volumen an Gas gemessen und das Volumen V(Gas) notiert.

Dieses Gas wird jetzt in die Gaswägekugel geleitet. Nach dem Schließen des Hahnes an

der Gaswägekugel wird dieselbe wieder entfernt. Hierbei ist darauf zu achten, daß kein

Gas an die Umgebung verloren geht. Nun wird die Masse m2 der gefüllten Kugel

ermittelt und ebenfalls notiert.

Da das Volumen V eines jeden Stoffes abhängig ist von der Temperatur T sowie vom

Luftdruck p müssen die äußeren Bedingungen gemessen werden.

Auswertung:

Die molare Masse M berechnet sich allgemein aus dem Quotienten aus Masse m und

der Stoffmenge n in mol, wobei die Masse m die Differenz aus m1 und m2 ist, das heißt

m= m1- m2.

( ) 1

M =

Allerdings ist die Stoffmenge n nicht gegeben. Auch läßt diese sich nicht direkt messen.

Es ist also ein Umweg nötig: das molare Volumen VM für ideale Gase ist konstant und

beträgt bei Normbedingungen 22,4 l.mol-1. Das molare Volumen ist definiert als der

Quotient aus Volumen bei Normbedingungen V0 und der Stoffmenge n. Diese Gleichung

läßt sich nach n auflösen:

0 = ( ) 2 0

M V

n = .

Die Stoffmenge n setzt man in Gleichung (1) ein:

(2) in (1)

M V

= .

Nach Beseitigung des Doppelbruches erhält man:

( ) 3

0 V

V m

M M ｷ = .

- 12 -

Da bei Versuchsdurchführung andere Temperatur und Luftdruck als bei Normbedingungen

herrschen, muß das Volumen V auf V0 umgerechnet werden. Dies

geschieht am einfachsten mit der „Zustandsgleichung des idealen Gases (1.Form)":

( ) a const

V p

. = ｷ

Analog gilt demnach:

( ) b const

V p

0 0 =

ｷ

Also kann man Gleichung a und b gleichsetzen und erhält:

0 0

V p

V p ｷ

= ｷ

Nach V0 aufgelöst: ( ) 4

0 V

T p

V ｷ

ｷ

= .

Gleichung (4) wird in obige Gleichung (3) eingesetzt:

(4) in (3)

T p

V m

M M

ｷ

= .

Die molare Masse läßt sich demnach mit folgender Formel berechnen:

V T p

V m T P

M M

ｷｷ

ｷｷｷ

Mit m=m1- m2 :

( )

V T p

V m m T p

M M

ｷｷ

ｷ - ｷｷ

2 1 0 mit hPa p K T 1013 , 273 0 0 = =

Folgende Tabelle zeigt die Messergebnisse aus fünf Versuchsdurchgängen und die

jeweiligen molaren Massen:

Versuchs- V m1 M2 m T p V0

Nummer In l in g In g in g in K in hPa In l in g*mol-1

1 0,0805 128,4757 128,6682 0,1925 296 1015 0,0744 57,964

2 0,0755 128,4761 128,6579 0,1818 296 1015 0,0698 58,367

3 0,0785 128,4762 128,6673 0,1911 296 1015 0,0725 59,008

4 0,0775 128,4763 128,6623 0,1860 296 1015 0,0716 58,174

5 0,0870 128,4762 128,6853 0,2091 296 1015 0,0804 58,258

Durchschnittlicher Wert M (C4H10) = 58,354 g*mol-1

1.3.2 Ermittlung der molaren Masse nach Victor Meyer

- 13 -

Versuchsaufbau und Prinzip:

Die links stehende Apparatur nach

Victor Meyer besteht aus einem

Verdampfungsrohr in einem

Mantelgefäß mit siedender Heizflüssigkeit.

An das Verdampfungsrohr

ist ein Gasmeßrohr mit Wasser

als Sperrmedium angebracht.

Abbildung 3

Das Prinzip dieser Methode der Molmassenbestimmung liegt darin, daß die Probe

mittels Wägegefäß, das an einem Glasstab befestigt ist, in das Verdampfungsrohr

gebracht. Anschließend wird das Wägegefäß zertrümmert. Die Probe wird durch die

Heizflüssigkeit zum sieden gebracht. Es muß also die Temperatur der Heizflüssigkeit

höher sein als der Siedepunkt der Probe. Der entstehende Dampf verdrängt jetzt im

Gasmeßrohr das Wasser, wodurch das Wasser in der pneumatischen Wanne steigt.

Auswertung

Mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung wird aus dem gemessenen Volumen und der

Masse der Probe die molare Masse berechnet:

T R n V p ｷｷ = ｷ ( ) 1

T R

V p

n Gas

ｷ

= . (allgemeine Gasgleichung)

( ) 2

M =

- 14 -

Gleichung (1) ergibt eingesetzt in (2):

( ) 3

Gas V p

T R m

ｷ

ｷｷ =

R: universelle Gaskonstante; T: absolute Temperatur (T = 296,15 K)

p: Druck des Gases; VGas: Volumen des Dampfes bzw. Volumen an verdrängter

Wassermenge;

・Berechnung des Gasdrucks p(Gas):

Der Luftdruck p(Luft), der auf die Wasseroberfläche wirkt, ist im Gleichgewichtsfall

gleich der Summe aus Partialdruck des Gases p(Gas), Sättigungsdampfdruck des

Wassers im Gasmeßrohr p(H2O-Dampf) sowie dem Druck der Wassersäule p(H2OSäule):

( ) ( ) ( ) Säule O H p Dampf O H p Gas p Luft p - + - + = 2 2 ) (

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 4 2 2 Säule O H p Dampf O H p Luft p Gas p - - - - =

・Der Luftdruck p(Luft) wird am Barometer abgelesen;

・Ermittlung des Sättigungsdampfdrucks des Wasser aus Tabellen;

・Berchnung des Drucks der Wassersäule:

( )

g m

ｷ = Säule - O H2 m: Masse; g: Erdbeschleuinigung (g = 9,81m.s-2);

A: Querschnittsfläche der Säule;

p ｷ = d A mit ; d: Durchmesser der Wassersäule

( ) ( ) ( )

ｷ

ｷｷ

= -

g O H V O H

Säule O H p 2 2

2 ; .: Dichte des Wassers;

( ) h d O H V mit ｷｷ = p 2 ; h:Höhe derH2

O-Säule

( ) ( )

p .

ｷ

ｷｷｷｷ

= -

g h d O H

Säule O H p 2

2 ;

Also:

( ) ( ) ()5 2 2 g h O H O H p ｷｷ = . Der Druck der Wassersäule ist demnach

unabhängig vom Durchmesser der Wassersäule !

- 15 -

・Gleichung (5) in (4) ergibt:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 6 2 2 g h O H Dampf O H p Luft p Gas p ｷｷ - - - = .

・Gleichung (6) in (3) eingesetzt ergibt schließlich:

( ) ( ) ( ) ( )( ) 7

2 2 Gas V g h O H Dampf O H p Luft p

T R m

ｷｷｷ - - -

ｷｷ =

Falls es sich bei der Probe um eine Flüssigkeit handelt, die leicht verdampft und

deshalb ihre Masse nicht mit einer Waage ermittelt werden kann, dann ist es

möglich, die molare Masse über die Dichte . der Probe zu berechnen:

( ) ( ) ( ) ( )( ) 8

2 2 Gas V g h O H Dampf O H p Luft p

T R V

ｷｷｷ - - -

ｷｷｷ =

・Um die molare Masse der Probe zu berechnen, müssen nur noch folgende Größen

gemessen werden beziehungsweise bestimmt werden:

・die Masse m für die Gleichung (7) beziehungsweise das Volumen V der Probe

und deren Dichte . für Gleichung (8),

・die Zimmertemperatur T

・der Luftdruck p(Luft) (kann vom Barometer abgelesen werden) und

・die Höhe h der Wassersäule müssen gemessen werden;

・der Dampfsättigungsdruck des Wassers wird aus einer Tabelle bestimmt: dieser

ist von der Raumtemperatur abhängig,

・Folgende Größen sind konstant:

・Dichte des Wassers: ( ) 3 2 998 , 0

O H = .

・Universelle Gaskonstante:

K mol

l bar

ｷ

ｷ = 0831 , 0

・Erdbeschleunigung:

g 81 , 9 =

Die folgende Tabelle zeigt die molare Masse M von Methanol (.=0,971 g/cm-3):

.(CH3OH) V(CH3OH) T p(Luft) p(H2O-Dampf) h p(H2O-Säule) VGas M

in g/cm3 in cm3 in K in bar in bar in cm in bar in l in g/mol

0,971 0,10 299 1,015 0,02982 8,7 0,08518 0,0685 39,1

p(Gas) = p(Luft)- p(H2O-Dampf)- p(H2O-Säule) = 1,015bar- 0,02982bar- 0,08518bar=

= 0,900bar

Die molare Masse M = 39 g/mol ist um 5 g/mol vom exakten Wert von 32 g/mol

entfernt.

Aufgrund diverser Probleme mit der Apparatur gelang mir nur ein Versuchsdurchgang:

- 16 -

In das Verdampfungsrohr floß bei jedem Durchgang Wasser aus dem Wasserbehälter,

über welchem das Gasmeßrohr befestigt ist. Dies kam dadurch zustande, daß sich die

Luft im Verdampfungsrohr beim Abkühlen beziehungsweise bei einer Unterbrechung

der Erhitzung der Heizflüssigkeit sehr stark zusammenzog und daher ein Unterdruck

entstand, der dafür sorgte, daß das Wasser in das Verdampfungsgefäß floß und ich die

Apparatur erst wieder trocknen lassen mußte.

Eine Fehlerquelle bei diesem Versuch bestand auch darin, daß mir keine Wägegefäß zur

Verfügung stand, welches man im Verdampfungsrohr zertrümmert. Vielmehr mußte ich

das Methanol mit einer Pipette in die obere Öffnung geben. Da das ganze Gefäß schon

erwärmt war, verdampfte wohl ein Teil des Methanols sofort und verdrängte Luft,

welche in dem Zeitraum zwischen Einbringen des Alkohols und Schließen des oberen

Korkens die Apparatur ungehindert verlassen konnte und dadurch das Ergebnis deutlich

verfälschte.

Anmerkung: Die Molmassenbestimmung mittels Gaswägekugel eignet sich nur für

gasförmige Stoffe, bei leicht verdampfbaren flüssigen oder unzersetzt verdampfbaren

festen Stoffen eignet sich hingegen die Bestimmung nach Victor Meyer.

1.4 Ermittlung und Trennung der Konstitutionsisomeren

Bei chemischen Verbindungen gibt es ab einer bestimmten Anzahl an Atomen pro

Molekül verschiedenen Möglichkeiten der Atomanordnung. Bei den Alkanen gibt es

beispielsweise ab vier Kohlenstoffatomen verschiedene Konstitutionsisomere.

Beim Butanmolekül existieren zwei Konstitutionsisomere: das n-Butan sowie das i-

Butan (Isobutan). Beim n-Butan handelt es sich um eine unverzweigte, gesättigte C4-

Kette. Beim i-Butan handelt es sich um 2-Methylpropan, ein verzweigter C4-Körper.

Abbildung 4 Abbildung 5

n-Butan i-Butan

- 17 -

Beide Gase sind farblos und leicht brennbar, weshalb sie auch Anwendung als

Feuerzeuggas finden. Da es sich bei beiden um Alkane handelt, sind diese erwartungsgemäß

in Wasser schlecht löslich, dafür in Alkoholen, wie zum Beispiel Ethanol, gut

löslich.

Das n-Butan unterscheidet sich aber in seinen physikalischen Eigenschaften vom i-

Butan, wodurch es möglich ist, diese beiden durch fraktionierte Destillation zu trennen.

Schmelzpunkt Siedepunkt

.m in °C .b im °C

n-Butan -138 -0,5

i-Butan -160 -11,7

Meist erfolgt die Trennung der Isomeren aber durch Adsorption und anschließender

fraktionierter Desorption an Aktivkohle oder an Zeolithen. Bei den Zeolithen handelt es

sich um eine Gruppe von gut kristallisierten, wasserhaltigen Mineralen.

2 Heutige Methoden der Strukturaufklärung

2.1 Massenspektrometrie

2.1.1 Allgemeines und Prinzip

Die Massenspektrometrie entwickelte sich im 19. Jahrhundert, als J.J. Thomson das

Ladung/Masse-Verhältnis von Kathodenstrahlen in Vakuumröhren gemessen hat.

Thomson baute 1913 das erste Massenspektrometer und demonstrierte damit die

Existenz von Isotopen.

Massenspektrometrie ist nicht nur ein Werkzeug zum Verstehen von chemischen und

physikalischen Prozessen, es ist auch eine Methode der chemischen und physikalischen

Analyse. Persönlichkeiten wie Aston, der die erste geschwindigkeitsabhängige

Fokussiereinrichtung im Jahre 1919 entwickelt hatte haben die Geschichte dieser

Entwicklungen mitgeprägt.

Aber erst in den 50er Jahren setzte eine weite Verbreitung der Massenspektrometrie ein,

als man erkannte, daß die Massenspektrometrie sich zur Strukturaufkärung organischer

und anorganischer Stoffe eignet.

- 18 -

Das Prinzip der Massenspektrometrie besteht darin, daß die zu untersuchende Substanz

in den gasförmigen Aggregatzustand übergeführt wird und unter einem Druck p von

circa 10-4 Pa vorliegt. Anschließend wird das Gas mit Elektronen beschossen. Hierbei

entstehen primär einfach positiv geladene Ionen:

- + - + .. . + e M e M 2

Diese Molekülionen werden durch ein elektrisches Feld mit Spannung U beschleunigt.

In einemMagnetfeld werden die Ionen gemäß der Lorentzkraft FL abgelenkt:

B v Q FLorentz ｷｷ = ; Q: Ladung des Ions in Coulomb; B: Magnetische Flußdichte in

Tesla;

Da es sich hier meist um einfach geladene Ionen handelt ist die Ladung Q gleich der

Elementarladung e.

Also:

( ) 1 B v e FLorentz ｷｷ =

Die Geschwindigkeit v läßt sich aus der Beschleunigungsenergie im elektrischen Feld

berechnen. Für die Berechnung geht man davon aus, daß die Anfangsgeschwindigkeit

des Ions v0 = 0 m/s ist. Die kinetische Energie des Ions ist demnach gleich der Energie

des elektrischen Feldes:

Feld kin E E =

U Q v m ｷ = 2

beziehungsweise U e v m ｷ = 2

Daraus folgt: ( ) 2 2

U e

v = ｷｷ =

Gleichung (2) in (1) eingesetzt ergibt:

B m U