Heptan og Brom | Rapport i Kemi

Side 1

1

Rapport 4

Substitutionsreaktion mellem heptan og brom

Formål:

Formålet med denne rapport er at undersøge den fotokemiske substitution mellem heptan og brom, idet vi foretager en kvantitativ analyse af reaktionsforholdene. Endvidere skal vi med vandfasen

                               -
foretage en kvalitativ påvisning af Br

, idet vi med heptanfasen foretager en nukleofil substitution,

                        -
hvor så til sidst at eftervise Br

eksistens i den da dannede vandfase.

Teori:

Et stof kan enten være polært eller upolært. Hvis et stof er polært menes der, at elektronfordelingen er forskudt til den ene side, hvorved der opstår en ladningsforskydning. Vand for eksempel er et meget polært molekyle, da den intermolekylære kræfter består af hydrogenbindinger.

Hydrogenbindinger er de stærkeste bindinger, idet H er det mindst elektronegative atom, mens O er lige det modsatte. Endvidere er det små atomer, som giver en utrolig ladningstæthed. Et upolært molekyler har derimod en lige elektronfordeling, så der ikke findes en ladningsforskel rundt om

atomet. For eksempel er heptan HC_{167} et glimrende eksempel, da carbonhydrider er upolære og

kun holdes sammen af londonkræfter. Londonkræfter er den svageste intermolekylære kræft, der findes, fordi ingen ladning kan holde molekylerne sammen, kun deres egen kontaktflade med hinanden. På denne baggrund er det forståeligt nok, at kun polære molekyler kan opløses i hinanden, mens kun upolære molekyler lader sig opløse sammen.

En substitution er som ordet siger en ”udskiftning”. I kemien menes der dog, at et atom eller atomgruppe bliver substitueret af et andet atom eller atomgruppe. Der findes forskellige substitutionsreaktioner, men jeg vil koncentrere mig om fotokemisk substitution og nukleofil substitution. Ved en fotokemisk substitution forstås der en reaktion, hvor lys kan sætte substitutionen i gang. Jeg tager udgangspunkt i denne øvelses fotokemiske substitution, som foregår

mellem B og HC_{167}. Reaktionen starter med kraftig belysning af brom molekylet, hvorved det

2

                                 lys
spaltes til 2 reaktive brom atomer:    +⎯→⎯ BrBrB
                              2

Brom’s atomer substituerer nu med et hydrogenatom fra heptanen:             HBrHCHCBr +→+ .
                                                                      157167

Det reaktive hydrogenatom reagerer så med et brom molekyle:       BrHBrBrH +→+ .
                                                         2

Side 2

2

Som det kan ses, er der nu startet en kædereaktion, som først stopper når alle brom molekylerne er

opbrugt, hvor bruttoreaktionen er: HBrBrHCHCBr +→+.

1571672

Den anden substitution som jeg vil beskæftige mig med er nukleofil substitution. Nukleofil betyder faktisk ”kerneelskende”, hvorfra det kan forstås, at et ”kerneelskende” reagens gerne vil skifte

                                                                          -
plads, så det får tilfredsstillet sit ”behov”. I dette forsøg er det nukleofile reagens OH , mens

                                                                             −−
substitutionen skal foregå med brom atomet fra BrHC :                    +→+ BrOHHCOHBrHC .
                                          157

157157

                                                                 -
I begge substitutionsreaktioner bliver dannet polære molekyler/ioner. HBr og Br er polære, hvorpå

de er uopløselige i bromheptanen. De vil da ”søge” ned mod den polære vandfase, hvor de kan

opløses. Det er derfor at HBr skal titreres i vandfasen, mens Br^{-} påvisning ligelides skal foregå i

vandfasen.

Materialer:

Apparatur: Koniske 100mL kolber med propper, 50mL måleglas, overheadprojektor, skilletragt, burette, magnetomrører med magnet, reagensglas, pH-indikatorsticks.

Kemikalier: Heptan, brom, 0,100M NaOH, 0,01M NaOH, phenolpthalein, 2M_{aq}_{)(} NHO_{3}, 0,1M

aq)(

AgNO_{3}.

Forsøgsbeskrivelse:

I en 100mL konisk kolbe tilførte vi 30,0mL heptan og 20,0mL demineraliseret vand, hvorpå vi forsynede kolben med en prop, og vejede kolben med indholdet. Derefter noterede vi hvilken fase, der lå øverst, hvorefter læreren i et stinkskab til satte 150

L µ ren brom. Kolben blev nu vejet igen, mens vi observerede, i hvilken fase brom hovedsageligt blev opløst. Blandingen blev da placeret over en overheadprojekter, idet vi jævnligt rystede kolben, indtil blandingen igen var næsten farveløs (det tog ca. 10 minutter). Med en skilletragt blev hver fase tappet i en konisk kolbe og forsynet med et mærkat. For heptanfasens vedkommende blev den også forsynet med en prop. Ved vandfasen målte vi pH’en med indikatorsticks, hvorpå vi tilførte et par dråber phenolpthalein, idet vi derefter titrerede vandfasen med 0,100 M NaOH. Efter titreringen tilsatte vi vandfaseblandingen

5mL 2M salpetersyre ( NHO   ) og 5mL 0,1M sølvnitrat ( AgNO ), hvorefter der kom et
                        3                                3
                                                          aq

aq)()( bundfald.

Side 3

3

T on

12.345 g

Blandingens masse før Lys tilføres den 2 fasedelte og efter tilsætning af blanding.

brom

Skilletragten skiller faserne.

Vand -og heptanfase i hver sin kolbe.

on

25 mL pH 1-10

Titrering af vandfasen.

pH - indikatorsticks

Par dråber phenolpthalein

For at undersøge om al HBr var blevet overført til vandfasen, tog vi 10mL af heptanfasen og blandede med 10mL demineraliseret vand. Da rystede vi blanding, så eventuelle HBr molekyler ville blive overført til vandfasen. Med en skilletragt hældte vi vandfasen op i en ny konisk kolbe, hvorpå

vi målte pH’en. Blandingen blev så tilført 5mL 0,1M_{aq}_{)(} AgNO_{3} for at se, om der blev dannet

bundfald – det gjorde der ikke. De resterende 20mL heptanfase målte vi pH’en på, hvorpå vi tilsatte

20mL 0,01M NaOH Så rystede vi kolben grundigt, hvorefter vi skilte heptan –og vandfasen fra

(aq).

hinanden ved brug af skilletragt. Til sidst målte vi vandfasens pH, hvorpå vi tilsatte 5mL

2M NHO_{3} og 5mL 0,1M AgNO_{3}, så der blev dannet lidt bundfald.

aq)( aq)(

Opstillinger:

Fotokemisk substitution med brom

Bestemmelse af dannet HBr ved titrering

Side 4

4

AgNO AgNO

3

0,0 5 M 0,0 5 M

HNO^{3}_{3}

Vandfasen med bundfald

AgNO

3

0,0 5 M pH 1-10

10mL heptan fase og

10mL vandfase skilles.

Vandfasen tilsættes AgNO_{3}

-

Intet bundfald pH 1-10

Heptanfasens pH

AgNO
NaOH 3
 0,05 M

Heptanfasen og 20mL

NaOH blandes

Blandingens faser adskilles.

AgNO AgNO

3

0,0 5 M 0,0 5 M

HNO^{3}_{3}

Vandfasen med bundfald pH 1-10

Påvisning af Br^{-}

Kvalitativ undersøgelse af heptanfasen

Nucleofil substitution med OH^{-}

Side 5

5

Måleresultater, iagttagelser og databehandling:

Kvantitativ analyse af reaktionsforholdene

For at udregne forholdet mellem Br

2 2 og HBr, udregner jeg først Br stofmængde.

Kolbens vægt med 30mL heptan og 20mL demineraliseret vand er 105,24g.

Ved tilsættelse af brom blev kolbens vægt derimod 105,31g

Broms vægt er:                        07,024,10531,105 =−= gggm
               brom

                               g
Idet broms (Br ) molar masse er 8,159 , er stofmængden:
                                mol

2

                                     − 3
n                        ==       10*438,0 mol
 brom

mol g

m_{brom} 07,0 g
M_{brom}

8,159

Nu vil jeg udregne HBr’s stofmængde, idet vi titrerede vandfasen med NaOH:

Reaktionen mellem HBr og NaOH ser sådan her ud:                   )(0 NaBrlHNaOHHBr +→+ .
                                                                          aqaqaq )(2)()(

Her ses at den stærke syre HBr reagerer 1:1 med NaOH, hvorfor jeg kan konkludere, at brugt stofmængde natriumhydroxid er lig med brugt stofmængde HBr. Så finder jeg NaOH stofmængde, da jeg ved titreringen brugte 6,5mL 0,100M NaOH før omslagspunktet:

          − 3
==      10*65,0 molnn

= 100,0*0065,0 MLn

= * cVn

= nn_{NaOHHBr}

HBrNaOH

NaOH

NaOH

Forholdet mellem dibrom og HBr kan bestemmes ud fra kommende reaktionsskema:

HBrBrHCHCBr +→+
      )()(157

l)( l)(

2 aql 167

Her ses at for hver Br

2 molekyle dannes der en HBr, hvorpå forholdet ved en fuldstændig

                                n
                                 Br
                                  2
substitutionsreaktion vil være 1:1, dvs. = 1 .
                                n
                                 HBr

Det aktuelle forhold mellem dibrom og HBr er derimod:

= 67,0

   − 3
10*65,0 mol

  − 3
10*438,0 mol

n_{Br_{2}}
= forhold
n_{HBr}

          −
Afvigelse:          =   %33100*
            1

67,01

Side 6

6

Umiddelbart er en afvigelse på 33 % en meget stor afvigelse, men i dette forsøg kan der være mange gode begrundelser for denne afvigelse. For eksempel kan koncentrationen af NaOH ikke være helt præcis 0,100M, eller vi kan have foretaget en aflæsningsfejl, eller der kan være urenheder i buretten, som påvirker det endelige resultat.

Fasedeling og reaktioner ved fotokemisk substitution

Inden tilførsel af brom:

Øverst ligger heptanfasen ( ) HC_{167}, da dens densitet kun er 0,684^{g}_{mL},

hvorimod vands som bekendt er 1^{g}_{mL}. De to stoffer blandes ikke da vand er

meget polær, mens heptanen er upolær.

Ved tilførsel af brom:

Heptanfasen bliver rød, hvorimod vandfasen kun blev meget lidt orange. Dette lader sig gøre, da Br

2 2 er upolær ligesom heptan, hvorfor Br opløses. Brom reagerer stort set ikke med vand. Dog sker der en lille reaktion mellem dibrom og vand, hvor faserne støder sammen (den orange farve).

Efter 10 min under overheadprojektoren:

Blandingen bliver da farveløs igen, da                   HBrBrHCHCBr +→+
                                 2 aql   167                   )()(157
                                  l )(     l )(

(nærmere redegørelse ses i afsnittet ”Teori”). Dibrom molekylerne spaltes af lyset (energi), hvorefter de substitueres med heptan, som danner reaktions-produktet HBr. HBr er en stærk syre, der er polær, hvorpå molekylerne ekstraheres til vandfasen. Dette stemmer jo også fint overens med vandfasens pH, som vi målte til 0.

                                                           -
Denne reaktion leder mig til at snakke om den kvalitative påvisning af Br ionerne i vandfasen.

Vi titrerede, som fortalt ovenover ved beregning af HBr’s stofmængde, vandfasen med HBr

molekyler, så der blev dannet_{)(aq} NaBr. For påvisning af Br^{-} tilførte vi blandingen_{aq} NHO_{3},

)( hvorved vandfasen igen blev sur. Herved sikrede vi os, at bromid ionerne ville reagere med sølv

Side 7

7

ionerne, som kom fra AgNO_{3}. Ved tilførsel af sølvnitrat skete følgende stofreaktionen:

aq)(

NaNOAgBrAgNONaBr +→+ , dog er det kun ionreaktion, der er vigtig for
     3)(
      aq )(

aq)( aq 3)( s

              -
påvisningen af Br :              AgBrAgBr →+ . Det er dette faste stof, der bundfælles og iagttages
                                     s )(

)()(

+−
   aqaq

som et hvidt/lidt gult bundfald. Herudfra kan man konkludere, at vandfasen indeholdt bromid ioner.

(Læs under afsnittet ”fasedeling og reaktioner for nucleofil substitution”, hvad der vil ske, hvis vandfasen ikke indeholder brom)

Fasedeling og reaktioner for nucleofil substitution

20mL 0,01M NaOH tilsættes heptanfasen:

Øverst ligger heptanfasen, da heptanens densitet kun er 0,684^{g}_{mL}, mens

natriumhydroxidens massefylde næsten er lig vands, fordi koncentrationen er svag. NaOH er selvfølgelig polær, idet den er i en aqualiseret tilstand, hvorfor

BrHC og NaOH ikke blandes.

157

Blandingen rystes grundigt:

Blandingen vil stadigvæk være fasedelt, men under rystningen er der sket en

                                              −−
substitution:                             +→+ BrOHHCOHBrHC . Det nukleofile
                           aq )(               aq )(

l)(157 l)(157

reagens, OH^{-}, har foretaget en substitution af brom, hvorpå de polære bromid

ioner er overført til vandfasen, og stoffet heptanol er blevet dannet.

Dette leder mig til at snakke om den kvalitative påvisning af heptanfasens reaktionsprodukter.

Først sikrede vi, at vi havde fået alle HBr molekylerne overført fra heptanfasen til vandfasen ved den fotokemiske substitution (læs evt. afsnittet ”forsøgsbeskrivelse”). Denne gang var vandfasens pH kun på 5, hvorfra det meget vel kunne tyde på, at den stærke syre HBr var ekstraheret. For at være helt sikker på at alle HBr molekylerne var overført til den første vandfase, tilførte vi den nye

vandfase AgNO_{3}. Hvis der havde været HBr forekomster, ville der blive dannet AgBr_{)( s}, som

aq)(

bundfælles, da                          HNOAgBrAgNOHBr +→+ . Der skete dog intet, hvorved der kan
                 aq                         3)(
                                              aq )(

Aq)(

3)( s konkluderes, at heptanfasen var helt fri for HBr molekyler.

Side 8

8

Heptanfasen indeholdt ikke som i starten HC_{167}, men var under den fotokemiske substitution blevet

omdannet til bromheptan,   BrHC (læs i afsnittet ”Teori” om denne ændring). Heptanfasen blev så
                         157

blandet med 0,01M NaOH, der havde en pH = 8. Ved omrystningen skete der, som ovenover

                                                                   −−        -
omtalt, en nucleofil substitution, hvor                        +→+ BrOHHCOHBrHC . Da Br er
                                                                    aq
                                         l )(157

aq)()( l)(157

polær, vil den blive opløst i vandfasen(=NaOH-fasen), hvorved det også ses på pH’en. Efter

omrystningen var vandfasens pH ikke mere 8, men 7, hvorpå der allerede nu kan konkluderes, at en reaktion må have fundet sted. Da vi ud fra substitutionsreaktionen teoretisk kunne se, at pH-ændringen måtte komme fra bromid ionerne, efterviste vi det eksperimentelt ved tilførsel af sølvnitrat.

                                              −
                  −
Reaktionen forløb                       +→+ NOAgBrAgNOBr , kan vi konkludere, da vi observerede,
                                             3)(

aq)( aq)( aq)(

3 s at et hvidt bundfald blev dannet, som havde samme konsistens og farve som bundfaldet i den fotokemiske reaktion. Denne gang var bundfaldet dog ikke nær så kraftigt, men alligevel var det et

                                 -
sikkert tegn på, at vandfasen indeholdt Br ioner.

Måleusikkerhed:

Volumen af heptan: = %2,0%100*

0,30 mL

05,0 mL

                              05,0 mL
Volumen af demineraliseret vand:         =   %3,0%100*
                               0,20 mL

Volumen af rent brom: = %3,0%100*

  − 6
10*150 L

  − 6
10*5,0 L

                              005,0
Blandingens masse uden brom:              =     %005,0%100*
                                24,105

g g

                              005,0
Blandingens masse med brom:               =     %005,0%100*

31,105 g g

Volumen af brugt NaOH: = %8,0%100*

5,6 mL

05,0 mL

Volumen af sølvnitrat: = %10%100*

5 mL

5,0 mL

Volumen af salpetersyre: = %10%100*

5 mL

5,0 mL

Side 9

9

                              5,0 mL
Volumen af demineraliseret vand:         = %5%100*
                             10 mL

Volumen af heptanfasen: = %5%100*

10 mL

5,0 mL

                              5,0 mL
Volumen af natriumhydroxid:              = %3%100*
                             20 mL

Fejlkilder:

1. Aflæsningsfejl

2. Vægtfejl: Ikke nulstillet

Svingninger under målingen

3. Angivet koncentration af NaOH ikke korrekt

4. Ikke nulstillet burette

5. Urenheder i apparaturer og kemikalier

6. pH-bedømmelse med pH-indikatorsticks giver stor usikkerhed

7. Forkort tid til reaktioner under den fotokemiske og nucleofile substitution

Konklusion:

Efter forsøget og bearbejdelsen af dataene fik vi nogle værdier og observationer, som alle kunne accepteres. Reaktionsforholdet mellem brom og HBr blev dog kun på 0,67 med en afvigelse på hele

33 %. Men fejlkilder taget i betragtning synes jeg, at afvigelsen ca. var som forventet, idet en lille upræcis udførelse kan i udregningens sidste fase give alvorlige afvigelser.

Endvidere fik vi for den fotokemiske substitution eftervist, at HBr har en stærk indflydelse på

pH’en, da den er en meget stærk syre. Ydermere fik vi påvist, at Br^{-} indholdet var til stede i

vandfasen, idet der ved tilsætning af sølvnitrat bundfælles et stof, det efter reaktionsskemaet

indeholder Br^{-}, nemlig AgBr_{)( s}.

                                                                               -
Vedrørende den nucleofile substitution fik vi også eftervist, at brom bliver substitueret med OH ,

hvorved Br^{-} overføres til vandfasen, hvorfra man ved tilsætning af_{aq}_{)(} AgNO_{3}, danner bundfaldet

AgBr_{)( s}. Desuden fik vi også påvist, at Br^{-} påvirker pH’en, så en basisk svag opløsning bliver

neutral.

Alt i alt tør jeg godt at konstatere, at forsøget og databehandlingen er vellykket, hvorpå jeg slutter min konklusion.