Materialien

Spannungsquelle, Leitfähigkeitsprüfer, 2 Multimeter, Kabel, Kristallisierschale, Magnetrührer, 2 Rührfische, Stativmaterial, Erlenmeyerkolben (200 mL), Messzylinder, Messpipette (1 mL), Peleusball, Stoppuhr

Chemikalien

0,1 M Natronlauge (100 mL), Essigsäureethylester (0,44 mL)

Durchführung

Der Versuchsaufbau erfolgt wie in Abb. 1 schematisch dargestellt.

Ein Wasserbad wird auf dem Magnetrührer auf 33 °C erwärmt und konstant gehalten. Der Erlenmeyerkolben wird mit 100 mL 0,1 M Natronlauge gefüllt. Mithilfe des Stativs wird der Erlenmeyerkolben so in das Wasserbad eingetaucht, dass die Lösung knapp unterhalb des Wasserstandes liegt. Der Leitfähigkeitsprüfer wird mit der Spannungsquelle verbunden und in die Natronlauge getaucht. Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit wird ein Multimeter als Amperemeter in Reihe und eines als Voltmeter parallel zum Stromkreis geschaltet. Die Anfangswerte werden notiert. Anschließend werden 0,44 mL Essigsäureethylester zur Natronlauge hinzugegeben und alle dreißig Sekunden Spannung und Stromstärke notiert, bis die Werte sich über zwei Minuten nicht mehr verändern. Diese Durchführung wird analog bei 43 °C wiederholt.

Beobachtung

Nach Zugabe des Esters sinkt die gemessene Spannung, bis sie nach etwa 15 Minuten wieder konstant bleibt. In nachfolgender Tabelle sind die Messwerte bei zwei Temperaturen aufgeführt.

Tabelle 1: Messwerte der Leitfähigkeitsänderung der Verseifung bei unterschiedlichen Temperaturen

Deutung

Bei der Verseifung des Esters reagiert der Essigsäureethylester mit den Hydroxidionen der Natronlauge zu Acetationen und Ethanol. Da Natronlauge im Überschuss vorliegt, läuft die Reaktion vollständig und irreversibel ab.

CH₂COOC₂H_{5 (aq)} + OH^-_(aq) → CH₃COO^-_(aq) + C₂H₅OH_(aq)

Durch die gelösten Ionen ist die Lösung elektrisch leitfähig. Die elektrische Leitfähigkeit L kann aus den gemessenen Größen der Spannung und Stromstärke ermittelt werden.

Tabelle 2: Werte der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Zeit bei den zwei Versuchstemperaturen

Zu Beginn (L₀) ist die elektrische Leitfähigkeit der Lösung von den gelösten Ionen der Natronlauge beeinflusst. Da sich die Konzentration der Natriumionen während des Versuch nicht ändert, kann ihr Beitrag zur Leitfähigkeit der Lösung vernachlässigt werden. Mit fortschreitendem Reaktionsverlauf werden Hydroxidionen verbraucht und Acetationen gebildet. Letztere sind weniger beweglich in der Lösung, daher sinkt die Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Zeit (L_t). Nach Ablauf der Reaktion bleibt die elektrische Leitfähigkeit wieder nahezu konstant (L_∞). Die elektrische Leitfähigkeit setzt sich zusammen aus dem Quotienten der messgerätbedingten Zellkonstante Z und der spezifischen Leitfähigkeit κ. Die spezifische Leitfähigkeit κ einer Lösung ist abhängig von der molaren Leitfähigkeit Λ_m und der Konzentration der gelösten Stoffe i.

κ =   ∑_i Λ_{m, i} · c_i   =   L · Z

Nach einsetzen der Leitfähigkeiten und Konzentrationen zu den Zeitpunkten 0, t und ∞, kann die zeitliche Abhängigkeit der Konzentration der Acetationen beschrieben und anhand der Leitfähigkeitsmesswerte berechnet werden. Dabei ist c_{E, 0} die Ausgangskonzentration des Essigsäureethylesters:

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist die Konzentrationsänderung eines an der Reaktion beteiligten Stoffes in Abhängigkeit der Zeit. In didaktisch reduzierter Näherung wird die durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit betrachtet. Dabei erhalten Edukte ein negatives Vorzeichen, Produkte ein positives.

Zur Ermittlung der Reaktionsgeschwindigkeit wird also eine Auftragung der Acetatkonzentration gegen die Zeit benötigt. Die Steigung eines linearen Fits entspricht dann der Geschwindigkeit. Für den linearen Fit ist der Achsenabschnitt in den Nullpunkt gelegt, da die Ausgangskonzentration der Acetationen null sein muss. Aus Abbildung 1 und Abbildung 2 erhält man die Geschwindigkeiten. Die zugehörigen Werte finden sich in Tabelle 3. Zur Auswertung sind jeweils die letzten Werte vernachlässigt worden, da diese als Nachperiode im Anschluss an die abgelaufene Reaktion angesehen werden können.

v(33°C) =   1,1 · 10^-4 mol/_{L · s}

v(43°C) =   1,6 · 10^-4 mol/_{L · s}

Nach der RGT-Regel sollte mit einer Temperaturerhöhung um 10 °C eine Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit erreicht werden, was hier nicht gezeigt werden konnte. Bei häufigerer Durchführung sollte sich dieser Fehler etwas korrigieren lassen.

Tabelle 3: Wertetabelle zur Ermittlung der Verseifungsgeschwindigkeit

Entsorgung

Die Lösungen können mit Wasser verdünnt über den Abfluss entsorgt werden.

Literatur

Eckhold, G.; Hoyermann, K.; Suhm, M.; Hold, M. (2014): Versuchsanleitungen zum Praktikum Physikalische Chemie I für Lehramtskandidaten. Modul B.Che.4302. Georg-August-Universität Göttingen.

Brown, Theodore L.; LeMay, Harold Eugene; Bursten, Bruce Edward; Robl, Christian (2011): Chemie. Studieren kompakt. 10., aktualisierte Aufl. München: Pearson