Fremstilling af Benzoesyre - Rapport i Kemi

Side 1

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

1

Fremstilling af Benzoesyre

Formål

Formålet med forsøget er at fremstille en carboxylsyre ved haloformreaktion. Desuden er formålet at stifte bekendtskab med haloformreaktioner og at forstå reaktionsmekanismen bag dem. Den fremstillede carboxylsyre, benzoesyre, ønskes oprenset igennem en række trin for at sikre produktets renhed er størst muligt, hvilket undersøges med en smeltepunktsanalyse. Desuden ønskes der angivet et udbytte procent at den fremstillede syre.

Derudover er formålet også at stifte bekendtskab med en ny oprensningsmetode, sugefiltrering.

Kemikalier

• Acetophenon

• Klorin

• Svovlsyre, 4M

• Na_{2} SO_{4}

Materialer

• Konisk kolbe, 250mL | • Indikatorpapir
• Konisk kolbe, 500mL | • Glastragt

• Pipette, 5mL • Filterpapir, skal passe i tragten

• Sugebold til pipette | • Bunsenbrænder
• Måleglas, 250mL | • Trefod

• Magnetomrører • Trådnet med keramik belægning

• Magnet • Vandbad med koldt vand

• Magnet pind | • Vandbad med isvand
• Parafilm | • Udstyr til sugefiltrering
• Skilletragt | • Plastikskål

• Forsøgsstativ • Smeltepunktsapparat med olie og

• Ring til at holde skilletragt

• Vægt

• Spatel termometer

• Smeltepunktsrør

Teori

Når man ønsker at oxidere ketoner, som har en methyl gruppe som nabogruppe, så kan det bl.a. gøres med en haloformreaktion. I vores forsøg går det ud på at omdanne acetophenon til benzoesyre, og der bruges en haloformreaktion til dette. Jeg vil nu beskrive reaktionsmekanismen for den haloformreaktion som finder sted.

Acetophenon ser således ud:

Side 2

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

2

O

CH_{3}

Figur 1: Acetophenon

                                                -
Det første som der sker i reaktionen er at hypochloritionen (ClO

) snupper en proton fra methylgruppen. Herved substitueres chlor for brint på methylgruppen under fraspaltning af hydroxidioner. Produktet ser således ud:

Cl

O

+

OH^{-}

Figur 2

Nu reagerer hypochloritionerne yderligere indtil at methylgruppen er fuldstændigt halogeniseret. I praksis er der bare at gentage den overstående proces.

Cl

Cl

Cl

O

Figur 3

Under fraspaltning af 3 hydroxidioner ser stoffet således ud. Vi skriver lige en foreløbig reaktionsligning:

C_{6} H_{5} COCH_{3} (aq) + 3ClO^{−} (aq) → C_{6} H_{5} COCCl_{3} (aq) + 3OH^{−} (aq)

Det viser sig at haloformgruppen fraspaltes i en basisk opløsning. Årsagen er at hydroxidionen springer dobbeltbindingen og sætter sig fast.

R

OH

O^{-}

Cl

Cl

Cl

Figur 4

Dette er en meget ustabil konstruktion, så trichlormethyl gruppen fraspaltes straks.

O

O H

Figur 5

                                                    -
Og carboxylsyregruppen fremstår. Dog er det fraspaltede radikal ·CCl ekstremt reaktivt og tager lynhurtigt en
                                                   3

proton fra syregruppen og danner benzoationen.

Side 3

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

3

O

O^{-}

Figur 6

Således at der dannes chloroform, CHCl
                              3

, og en benzoation. Opsummerende kan vi lave en reaktionsligning som beskriver totalreaktionen.

C_{6} H_{5} COCH_{3} (aq) + 3ClO^{−} (aq) → C_{6} H_{5} COO^{−} (aq) + 2OH^{−} (aq) + CHCl_{3} (l)

Idet vi husker at vi brugte én hydroxidion til at fraspalte trichlormethyl gruppen, derfor er der nu kun 2 som produkter hvor der før var 3 i den foreløbige reaktionsligning.

Som det fremgår af reaktionsligningen så er det dannede chloroform upolært (l for liquid

), hvilket også er årsagen til at det ligger sig som en fase nederst i kolben. Denne fase fjerenes med en skilletragt. Vi husker jo på, at polære og upolære stoffer ikke kan blandes særligt godt, derfor ligger de i faser. Vi siger, at vi står med en heterogen blanding.

po læ r fa se up olæ r fa s e

Figur 7

Efter udskillelsen af den upolære chloroform fase indeholder vores opløsning nu hydroxidioner, benzoationer og nogle rester som vi ikke kan udtale os om der måtte have været i klorinflasken.

Derefter kan man lave en neutralisationsreaktion og tilsætte en stærk syre som da vil omdanne hydroxidionerne til vand. Når at denne reaktion er løber færdig vil alt overskydende tilsat syre gå til at flytte en proton fra en oxoniumion til benzoationen.

O

O H

Figur 8

Da ender vi med at have benzoesyre. Den stærke syre vi anvender i dette forsøg er svovl syre. Årsagen er at det er en stærk syre som er billig at fremstille i store koncentrationer. Desuden er sulfationen inaktiv, altså den indgår ikke i nogle reaktioner overhovedet.

Benzoesyre er tungt opløselig i koldt vand fordi den ikke længere er en ion. Ioner er meget lettere at opløse i vand fordi de er ladede partikler. Benzoesyre er stadig polær, men kun svagt nu hvor den ikke er en ion. Derfor er

Side 4

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

4 benzoesyren ganske vist stadig opløselig i koldt vand til en vist grad, men denne opløselighed falder drastisk fordi polariteten også falder når stoffet går fra at være på base form til at være på syre form.

Man udnytter senere under oprensningen at benzoesyre er let opløseligt i varmt vand, hvorved man kan filtrere urenheder fra. Årsagen til at benzoesyres opløselighed stiger med temperaturen er som bekendt at alle, med få undtagelser, organiske stoffers opløselighed stiger som funktion af en voksende temperatur. Uddybende kan man måske forstille sig at vandet ’pakkes’ løsere når den intermolekylære binding imellem vandmolekylerne svækkes da man tilfører kinetiske energi til systemet, og der på den måde kan ’pakkes’ flere benzoesyre molekyler ind i opløsningen (?).

Eksperimentelt

Analogt med forsøgsvejledning

Hæld 200mL Klorin op i en 250mL konisk kolbe. Tilsæt med pipette 5,0 mL acetophenon. Kolben lukkes med et stykke parafilm og henstår med magnetomrøring natten over. Den færdigtreagerede opløsning kan godt stå i flere døgn, inden benzoesyren isoleres.

Hæld kolbens indhold over i en skilletragt. Lad chloroformfasen samle sig på bunden og skil den derefter fra.

(Opsamles som kemikalieaffald.) Den vandige opløsning tappes ned i en 250mL kolbe.

Tilsæt 0,5g Na_{2} SO_{3} for at destruere et eventuelt overskud af hypochloritioner. Sørg for, at stoffet opløses.

Derefter gøres opløsningen i kolben sur ved langsom tilsætning af 4 M H SO . Pas på, at det ikke skummer over!
                                                      2  4

Hvis det lugter af chlor, afbrydes syretilsætningen, og der tilsættes lidt mere Na SO . Fortsæt syretilsætningen, indtil
                                                           2  3

pH bliver 2 eller derunder. (Mål pH ved at placere en dråbe af væsken på universalindikatorpapir.)

Syretilsætningen bevirker, at benzoesyren fælder ud. For at gøre udfældningen så fuldstændig som muligt køles kolben i isvand, hvorefter benzoesyren isoleres ved sugefiltrering. Vask stoffet på filteret med lidt vand.

Det frafiltrerede råprodukt skal derefter renses ved omkrystallisation. Ved denne rensning udnytter vi, at benzoesyre er meget mere opløselig i varmt vand end i koldt vand.

Overfør råproduktet til en ren 500mL konisk kolbe. Tilsæt 200mL vand og nogle pimpsten og opvarm kolben til kogning. Anbring en tragt med filtrerpapir oven i kolben. Derved afbøder man virkningen af en eventuel stødkogning.

Desuden opnår man, at tragten opvarmes. Så undgår man, at benzoesyren fælder ud i tragten ved den efterfølgende filtrering.

Lad opløsningen koge et øjeblik, hvorefter den filtreres gennem den opvarmede tragt over i en ren kolbe. Ved denne filtrering fjerner man eventuelle urenheder, som ikke kan opløses i vand.

Den varme opløsning køles først i koldt vand og derefter i isvand. Til sidst isoleres den udkrystalliserede benzoesyre ved sugefiltrering. Eventuelle vandopløselige urenheder forbliver i opløsning og ender nede i sugekolben.

Vask benzoesyren med lidt vand på filteret. Lad opstillingen stå med luftgennemsugning i ca. 1 minut, hvorefter stoffet overføres til en porcelænsskål. Lad stoffet stå til tørring i et eller flere døgn, hvorefter det opnåede udbytte bestemmes ved vejning af det tørre produkt.

Mål smeltepunktet. Læreren forklarer fremgangsmåden, som afhænger af, hvilket smeltepunktsapparat skolen råder over.

Ikke analogt med forsøgsvejledning

Smeltepunktsapparatet består af et reagensglas med en olie i. Man tager et smeltepunktsrør, det er et ganske tyndt glasrør som er forseglet i den ene ende, og fæster det således at prøven, som indsættes ved at presse røret ned over noget af benzoesyren, ligger ved parallelt med et termometer, og at deres bund ligger i samme højde, således at den temperatur som termometeret måler et den temperatur som prøven er udsat for. Man tager da at fæstner sit reagensglas til et reagensglasstativ med en reagensglasholdearm. Så tænder man op for en bunsenbrænder. Man skal nu være i grupper af to mand. En person holder øje med prøven, når den går fra at være hvid og fast til at være klar og flydende i det lille rør så siges der til. Den anden person noterer straks temperaturen når der siges til. Årsagen til at der anendes olie, og ikke vand, er at kogepunktet for olie er meget højere. Notér dig desuden, om det hele smelter samtidig? Fortag evt. flere målinger for at bekræfte at du står med en homogen blanding uden urenheder.

Måledata

Praktisk udbytte Teoretisk udbytte Udbytte i %

Smeltepunkt τ_{s}

Side 5

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

5

9,947g 5,214g 18,16 % 121 °C

Efterbehandling

1. Acetophenon har densiteten 1,026 g/mL. Beregn,hvor stor en stofmængde acetophenon, der er anvendt.

m ( C_{6} H_{5} COCH_{3}) = ρ ( C_{6} H_{5} COCH_{3}) ∙ V_{(}_{C_{6}}_{H_{5}} = 1,026 g mL ⁄ ∙ 5,0mL = 5,13g
COCH_{3})

n ( C_{6} H_{5} COCH_{3}) = = = 0,0427mol

m ( C_{6} H_{5} COCH_{3}) 5,13g
M ( C_{6} H_{5} COCH_{3})

120,144 ⁄ g mol

2. Vi anvendte 200mL Klorin. Massen heraf kan medrimelig nøjagtighed sættes til 200 g. Klorin angives at indeholde 4,5 % "aktivt chlor". Det svarer til 9,0 g (0,127 mol) C12 i 200 g.

Reaktionsskemaet for fremstillingen af Klorinviser, at 1 mol C12 bliver til 1 mol C1O-.

"Chlorindholdet" i Klorin kan nok variere noget, men vi vil tillade os at regne med, at vi har anvendt 0,127 mol C1O-. Er der i så faldanvendt ækvivalente mængder af hypochloritioner og acetophenon?

n ( ClO^{−}) = n ( Cl_{2}) = 0,127mol
3 mol ClO^{-} ækvivalerer med 1 mol C_{6} H_{5} COOH_{3}, jævnfør reaktionsskemaet for den fuldstændige reaktion. Der

undersøges:

n ( ClO^{−}) 0,127mol
n ( C_{6} H_{5} COCH_{3}) 0,0427mol

= = 2,97 ≈ 3

Altså ser vi at der er anvendt ækvivalente mængder.

3. Beregn det teoretiske udbytte af benzoesyre. Det teoretiske udbytte angives i gram. Beregn det opnåde udbytte i % af det teoretiske udbytte. Angiv nogle grunde til, at det opnåde udbytte er mindre end 100 %.

n ( C_{6} H_{5} COCH_{3}) = n ( C_{6} H_{5} COO^{−}) = n ( C_{6} H_{5} COOH) = 0,0427mol

m ( C_{6} H_{5} COOH) = n(C_{6} H_{5} COOH) ∙ M ( C_{6} H_{5} COOH) = 0,0427mol ∙ 122,118 ⁄ = 5,214g

g mol

Udtrykt i masse procent:

m% = = ∙ 100 % = 18,16 %

m_{prak} 0,947g
m_{theo} 4,214g

For fejlkilder, se punktet med fejlkilder efter konklusionen.

4. Find benzoesyres smeltepunkt ved opslag i en databog. Sammenlign det målte smeltepunkt med tabelværdien.

Vores forsøg viste at benzoesyrens smeltepunkt er 121 °C. En tabelværdi vises os at smeltepunktet faktisk er 122,4 °C, hvilket jo er ret godt ramt.

Dette er en renhedsanalyse, idet vi kan sige at vi kan udtale os om at stoffet, og alt stoffet, smelter ved 121 °C. Derfor er det nærtliggende at antage at stoffet er benzoesyre. En anden måde er undersøge om stoffer var benzoesyre er at lave en IR-spektroskopisk analyse af sin prøve og så sammenligne det med et spektrum fra en database. Strengt taget kunne vi jo være uheldig at stå med et stof som slet ikke er benzoesyre, men bare tilfældigvis har samme smeltepunkt. Dette kommer man ud over ved en IR analyse.

Side 6

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

6

Konklusion

Det lykkedes at fremstille en beskeden mængde benzoesyre med en beskeden udbytteprocent på bare 18,16 %. Der er blevet stiftet bekendtskab om haloformreaktionen og dens reaktionsmekanisme til fulde (se kiler og kommentarer).

Benzoesyrens renhed er bekræftet ved en smeltepunktsanalyse. Desuden er der med succes blevet anvendt en ny metode til at øge produktets renhed, nemlig sugefiltrering.

Fejlkilder

Der er en række fejlkilder som man skal være opmærksom på i forsøget, som er med til at sænke udbytte procenten drastisk.

• Hypochloritioner i klorin

                                                                        -
Når man udregner det procentvise udbytte så sker det under antagelse af at der er 0,127mol ClO i klorinflasken.

Strengt taget er det ikke noget som vi kan udtale os om med så stor sikkerhed uden at have undersøgt det. Desuden er 200mL klorin svært at hælde præcist op i et måleglas, derfor er det også usikkert om man kan tillade sig at angive stofmængden af hypochloritionerne med tre betydende cifre.

Det skal dog lige nævnes at forsøgets fokus ikke ligger ved en præcis udbytte procent. Det er mere at fremstille produktet der er i fokus. Dog ændrer det ikke på at det kan være med til at forskubbe det procentvise udbytte både en bedre og værre retning, det afhænger af om der er flere eller færre hypochloritioner en antaget.

• Skilletragt

Når man skal skille chloroform fase fra den polære fase tages der med vilje en lille portion af den polære fase med for at sikre at man har fået overført alt den chloroform som der er i skilletragten. Dette påvirker det procentvise udbytte således at det synes mindre.

• Ved forsuring

Når man tilsætter svovlsyren for at tvinge benzoationen på syreform, benzoesyre, så afhænger ligevægten af opløsningens pH værdi. Hvis man ser et bjerrumdiagram for sit indre øje er det let at forstå. for benzoesyre er pK s

4,20 altså er bjerrumdiagrammet indrettet således at halvdelen af stoffet er på base form og halvdelen er på syre

form. Når vi stopper allerede ved pH=2 med at tilsætte syre, så er det tænkeligt at der stadig findes lidt af stoffet på

baseform. Dvs. at noget af det stof som vi ønsker at fremstille bliver filtreret fra fordi vi ikke har forsuret opløsningen nok, hvilket da egentligt er ærgerligt! Dette påvirker altså vores procentvise udbytte således at det kommer til at fremstå mindre.

• Udfældning

Hvis man sænkede temperaturen yderligere er det tænkeligt at man kunne udfælde mere benzoesyre da man satte kolben i koldt vand efter tilsætning af syre. Dette påvirker altså vores procentvise udbytte således at det kommer til at fremstå mindre.

• Sugefiltrering

Ved sugefiltrering er det uundgåeligt at noget af benzoesyren indgår i en ligevægt med vand, og vil findes på baseform, og derfor bliver filtreret fra. Dog har vi prøvet at minimere dette ved at bruge koldt vand, men det kan tænkes at vandet er blevet opvarmet under sugefiltreringen. Dette påvirker altså vores procentvise udbytte således at det kommer til at fremstå mindre.

• Varmefiltrering

Ved filtreringen af den varme opløsning af benzoesyre kan der komme til at sidde noget af benzoesyren fast i filterpapiret. For det første kan det udfældes fordi den varme væske nu pludselig har direkte kontakt til den kolde luft, for det andet fordi det ikke kan undgås at filterpapiret vil være væddet af hele opløsningen, det inkluderer altså også benzoesyren. Dette påvirker altså vores procentvise udbytte således at det kommer til at fremstå mindre.

• Ekstraktion

Når man skal ekstrahere sin benzoesyre fra sugefiltreret er det umuligt at få det hele med. Der sidder benzoesyre overalt i de små kroge og på den porøse overflade af den ”svamp” hvorigennem at vandet bliver suget ud. Et slag på tasken vil jeg tro at der var omkring et halvt til et kvart gram tilbage efter at vi havde skrabet det hele ud. Dette er

Side 7

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

7 nok det led i processen som påvirker vores procentvise udbytte i kraftigst grad således at udbytter synes mindre end det teoretiske.

• Smeltepunkt

Når man måler smeltepunktet for benzoesyre sker det under antagelse af at termometerets temperatur er den samme som smeltepunktsrørets temperatur. Desuden tager det lidt til for den kinetiske energi (altså sammenstød imellem molekylerne) at forplante sig op igennem termometeret da der ingen omrøring kan finde sted. Derfor kan temperaturen reelt godt være lidt højere end den man kan aflæse.

Desuden er en smeltepunktsanalyse kun et udtryk for at man står med et stof som smelter ved en vis temperatur.

Det er ikke til at sige noget om at det er benzoesyre hvis man skal være meget striks.

Kilder

http://en.wikipedia.org/wiki/Haloform_reaction (24/11-09)

Denne kilde danner grundlag for teoriafsnittet med haloformreaktionen

http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch18/ch18-3-2b.html (24/11-09)

Denne kilde er brugt ved ”step 5” og ”step 6” i teoriafsnittet om haloformreaktionen.

Dog synes jeg det er underligt, at denne reaktionsmekanisme faktisk er anderledes frem til punkt 5 og 6! I denne kilde fraspaltes vand når en hydroxidion reagerer med methylgruppen på acetophenon. Derefter spaltes dichlor, altså ikke et om hypochloritioner, til to chloridioner hvor den ene danner en kovalent binding med den frie elektron ord på metylen gruppen. Ellers fortsætter reaktionsmekanismen på samme måde. Desuden er produktet ikke hydroxidioner, men vand og chloridioner.

Jeg har altså valgt den fra wikipedia fordi den er i overensstemmelse med reaktionsligningen, og det at der understreges at der anvendes hypochloritioner i vores forsøg.

http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/haloform-reaction.shtm (24/11-09)

Denne viser nøjagtigt det samme som den overstående kilde.

Programmer

Tegninger af molekyler og forsøgsopstilling er udført i ChemSketch.