Fremstilling af Ester - Rapport i Kemi

Side 1

[navn fjernet]

Side 1 af 10

Kemirapport om estersyntese

Formål

Formålet med øvelsen er at fremstille ester ud fra en carboxylsyre, ethansyre (eddikesyre) og en alkohol (ethanol) med svovlsyre som katalysator. Esteren bliver i så fald ethylethanoat også kaldet ethansyreethylester. Derudover bestræbes der på at opklare, hvorfor en eventuel afvigelse fra de forventede resultater forekommer, mens inddragelser af reaktionsskemaer, beregningsskemaer og ligevægtsudregninger ligeledes forventes at indgå i rapporten.

Teori

En ester dannes ved kondensation, som er en sammenblanding af to organiske molekyler under fraspaltning af et mindre molekyle, som oftest er vand; esterdannelse ser generelt således ud:

Som det kan ses, er der en dobbeltbinding mellem carboxylsyrens og dermed også esterens carbonatom og det ene oxygenatom; grundstoffet carbon har fire frie elektroner, som den kan bruge til at binde med, så derfor passer det med, at den bruger én fri elektron på radikalet og endnu én fri elektron på et oxygenatom, som igen bruger den resterende af de to frie elektroner til at binde sig til et hydrogenatom i carboxylsyren og alkoholens radikal i esteren. Carbonatomet har derefter to frie elektroner, som den bruger til at lave en dobbeltbinding med oxygenatomet.

I praksis udføres den pågældende ligevægtsreaktion på følgende måde:

3 3 2 3 2 3 2

( ) ( ) ( ) ( )CH COOH l CH CH OH l CH COOCH CH l H O l++

For at kunne sætte det i direkte relation med den generelle esterdannelse kan det nævnes, at R er

CH, og at R^{1} er CH CH.

3 3 2

Side 2

[navn fjernet]

Side 2 af 10

Som forbehandling udregnedes det teoretiske udbytte under forudsætning af en fuldstændig reaktion, og dette gjordes ved et ganske almindeligt beregningsskema med masse, molarmasse og stofmængde som enheder.

CH CH OH CH COOH CH COOCH CH

3 2 3 3 2 3

m 20 g 20 g 29,08m M n g= ⋅ =
M 46,07 g/mol 60,05 g/mol 88,11 g/mol

n mg 20 mg 20 0,33 mol

n mol = = = 0,43 n mol = = = 0,33

46,07 60,05 g g

M M mol mol

Stofmængden for ethylethanoat eller ethansyreethylester, om man vil, er 0,33 mol, fordi stofferne reagerer 1:1, idet der ikke er anvendt forskellige koefficienter, og derfor er stofmængden som sagt

0,33 mol, fordi det er den begrænsede mængde. I selve beregningsskemaet kan vi se, at vi for ethanol og ethansyre allerede kender massen og molarmassen, som aflæses i det periodiske system, og derfor kan stofmængden udregnes ved at sige massen divideret med molarmassen. På samme måde kan formlen ændres, således at massen isoleres, og det kan gøres ved at multiplicere med molarmassen på begge sider af lighedstegnet, hvorefter formlen for massen naturligvis ser således

ud: m M n=⋅. På denne måde er det blevet beregnet, at det teoretiske udbytte af den dannede ester

er 29,08 g, hvis der sker en fuldstændig reaktion, hvilket dog ikke er tilfældet, men det vender jeg tilbage til senere.

Apparaturer og kemikalier

• Glasapparatur med slib.

• Rundbundet kolbe 250 mL.

• Destillationshoved.

• Termometer.

• Liebigsvaler med køleslanger.

• Bægerglas vil vandbad.

• Magnetomrører med varmeplade.

• Måleglas.

Side 3

[navn fjernet]

Side 3 af 10

• Skilletragt.

• Erlenmeyermålekolbe

• Vægt.

• Beskyttelsesbriller og handsker.

• Slibklemmer og diverse stativmateriale.

• 96 % ethanol.

• 98 % svovlsyre.

• Iseddike.

• Mættet calciumchloridopløsning (74 g CaCl *6H O pr. 100 g vand).

2 2

• CaCl (s).

2

• Indikatorpapir.

Praktisk udførelse af forsøget

Bægerglasset fyldes ¾ med vand og sættes på en tændt kogeplade. 25 mL (20 g) ethanol og 19 mL

(20 g) iseddike fyldes i den rundbundede kolbe; omrøringen startes, og 5 mL koncentreret svovlsyre tilsættes forsigtigt. Kolben anbringes på vandbadet med svaler.

Reaktionsblandingen skal opvarmes med tilbagesvaling i mindst 30 minutter. Efter kogningen ombygges opstillingen til destillation. Destillatet under 100 °C opsamles i en erlenmeyerkolbe; det indeholder nogle urenheder som ethanol, eddikesyre, diethylether, acetaldehyd og måske lidt svovldioxid. Disse urenheder fjernes ved udvaskning i en skilletragt. Først vaskes med ca. 20 mL sodaopløsning, hvilket betyder, at der frigøres carbondioxid.

Efter omrystning og udluftning stilles tragten, så indholdet skiller i to faser; det er den organiske del, der er brugbar for forsøget. Herefter vaskes med vand på tilsvarende måde, og endelig med calciumchloridopløsning, der gør, at ethanol fjernes. Til slut tilsættes et par gram fast calciumchlorid, som fjerner vand. Til slut vejes produktet, som i vores tilfælde blev 16,32 g.

Urenheder

Som nævnt ovenfor indeholder destillatet nogle urenheder i form af ethanol, eddikesyre, diethylether, acetaldehyd og svovldioxid, og spørgsmålet er så, hvordan og hvorfor disse urenheder

Side 4

[navn fjernet]

Side 4 af 10 er at finde i destillatet.

Da der som sagt er tale om en ligevægtsreaktion og altså ikke en fuldstændig reaktion, og derfor er det også underforstået, at det ikke er 100 % af reaktanterne, der omdannes til produkterne, idet processen kan gå begge veje; det, der kan få processen til at gå den modsatte vej, er, når der er opnået en vis koncentration. Så kan esteren og vand begynde at indgå i en modsatrettet reaktion.

Hvis man vil forhindre det, skal man med den ester, man har dannet, kunne tage den fra løbende; nogle gange har man reaktioner, hvor det kan lade sig gøre, idet produkterne er på gasform, mens reaktanterne er flydende, og så er det let, men det kan man ikke her. Dermed er det blevet bevist, at ethanolen og eddikesyren kommer fra reaktanterne i reaktionen.

Dannelse af biprodukter

Urenheden diethylether fremstilles ved opvarmning af ethanol og koncentreret svovlsyre, som jo var vores katalysator, til 140 °C. Ved fraspaltning af et vandmolekyle fra to alkoholmolekyler fremkommer en ether gennem den førnævnte kondensation, og i dette tilfælde er der tale om to ethanolmolekyler på følgende måde:

2CH CH OH 🡪 CH CH OCH CH + H O

3 2 3 2 2 3 2

Som det kan ses, sammenbindes de to ethanolmolekyler og fraspalter et mindre molekyle, som er vand. Dermed er diethyletheren CH CH OCH CH fremstillet!

3 2 2 3

Acetaldehyd og svovldioxid fremstilles gennem en redoxreaktion mellem svovlsyre og ethanol, og det ikke-afstemte reaktionsskema ser således ud:

H SO + CH CH OH 🡪 CH CHO + SO + H O

2 4 3 2 3 2 2

De to stoffer, der gennem redoxreaktionen ændrer oxidationstal, er svovl og det ene caronbatom, så derfor findes deres oxidationstal både før og efter reaktionen.

I svovlsyren har hydrogenatomerne hver et oxidationstal på +1, da det er det mindst elektronegative

stof, og eftersom oxygenatomerne hver har et oxidationstal på -2, idet de er bundet til mindre

elektronegative grundstoffer, må S-atomet have et oxidationstal på +6, fordi den samlede ladning er

Side 5

[navn fjernet]

Side 5 af 10

0. I ethanol ses der bort fra radikalet methyl, idet det alligevel ikke ændrer sig gennem

redoxreaktionen, og derfor må C’s oxidationstal være -1, da H er +1 som følge af den mindste

elektronegativitet som i svovlsyren, og da oxygen også her har et oxidationstal på -2, mens den samlede ladning ligeledes er 0, må C’s oxidationstal altså være -1.

Efter reaktionen er sket, dannes der som sagt aldehyden acetaldehyd og svovlsyre, og det kan ses, at methylgruppen som nævnt er uændret, så derfor findes carbonatomets oxidationstal endnu engang.

O er -2, og H er +1, så fordi den samlede ladning er 0, er C’s oxidationstal +1. På samme måde

findes S’s oxidationstal i svovl; de to O-atomer giver til sammen et oxidationstal på -4, og da den

samlede ladning endnu engang er 0, er svovlens oxidationstal +4.

Samlet set kan vi altså fastslå, at svovl falder to, mens carbon stiger to; det betyder samtidig, at der ikke er nogen grund til at ændre stoffernes koefficienter, for at få afstemt reaktionen, da de to stoffer falder og stiger med det samme antal, så derfor tjekkes der nu blot, om der er lige mange hydrogenatomer på begge sider af reaktionspilen. Endnu engang er der ingen grund til at give radikalet methyl opmærksomhed, idet der som sagt ikke sker nogen ændring. På venstre side er der otte hydrogenatomer, mens der på højre side er seks hydrogenatomer, hvilket betyder, at der skal være to vandmolekyler på højre side, således at det afstemte reaktionsskema ser ud på følgende måde:

H SO + CH CH OH 🡪 CH CHO + SO + 2H O.

2 4 3 2 3 2 2

For at være sikker tjekkes antallet af oxygenatomer også igennem, og da der er fem på begge sider, passer det, og reaktionsskemaet kan nu endegyldigt karakteriseres som værende afstemt efter redoxreaktionens afstemningsregler.

Udvaskning med soda

Den første udvaskning, der udførtes, var udvaskningen med soda, og det gjorde vi, fordi soda eller natriumcarbonat, som er det systematiske navn, er en base, og dermed kunne vi eliminere syren:

CO^{2-} (aq) + H O(l) 🡪 HCO^{-} (aq) + OH^{-} (aq)

3 2 3

Basen reagerer med noget surt, og den kan reagere med små mængder eddikesyre, fordi eddikesyren har et højt kogepunkt 119 °C; dog var vores fraktion kun opvarmet til omkring 77 °C.

Side 6

[navn fjernet]

Side 6 af 10

Natriumethanoaten kunne være en sæbe, idet reaktionen foregår på samme måde som en sæbedannelse, men det vil man normalt ikke kalde den, fordi der så skal være en længere radikalkæde.

Der kan derudover berettes om en mellemreaktion mellem svovldioxid og vand, der gennem en ligevægtsreaktion bliver svovlsyrling, som er en middelstærk syre:

2 2 2 3

( ) ( ) ( )SO g H O l H SO aq+

Hvis der tages udgangspunkt i, at svovlsyrling er en syre, vil den naturligvis kunne reagere med natriumcarbonat, som er en base, men først skal der endnu en mellemreaktion på bordet; hvis vi

lader carbonationen optage to H^{+} -ioner, vil det blive således:
CO^{2-} + 2H^{+} 🡪 H CO + H O.

3 2 3 2

H CO er kulsyre, som bliver til kuldioxid og vand. Grunden til, at denne ekstrareaktion skal med,

2 3 er, at der er en bonusoplysning i forhold til udvaskningen. Der dannes nemlig carbondioxid indeni, og derfor skal man ryste tragten for at udligne trykket, så proppen ikke springer op.

Den omtalte reaktion mellem svovlsyrling og natriumcarbonat danner natriumsulfit, Na SO:

2 3

Na CO (aq) + H SO (aq) 🡪 H CO (aq) + Na SO (aq)

2 3 2 3 2 3 2 3

Udvaskning med vand

Da elektronegativitetsforskellen mellem hydrogen og oxygen i et vandmolekyle er tilpas stor til, at vand kan defineres som værende et polært stof, er der ikke de store betænkeligheder ved at fortælle, at der vaskes med vand for at fjerne de polære stoffer, idet polære stoffer opløses i polære stoffer, mens upolære stoffer opløses i upolære stoffer! Det kunne være sket i sodaudvaskningen, men vandudvaskningen er til for at give en ekstra chancer til de polære stoffer for at diffundere fra den upolære ester til det polære vand.

Udvaskning med calciumchlorid

Som opløsningsmiddel har ethanol den egenskab, at den er polær, men alligevel indgår den i den upolære ester. I alkohol er en del polær, og en del er upolær; det er således, at CH-gruppen er

Side 7

[navn fjernet]

Side 7 af 10 upolær, mens OH-gruppen er polær, fordi elektronegativitetsforskellen mellem O og H er tilstrækkelig stor, hvilket bevirker, at de fælles elektroner vil kredse mere om O end H, hvorfor O bliver ladet.

På grund af den svage positive ladning på hydrogenatomet vil den blive tiltrukket af den negative ladning på chloridionen; det betyder, at ethanol diffunderer over i vandfasen fra esterfasen, og derfor kan det betale sig at vaske med både vand og calciumchlorid. Vi får altså fjernet ethanolen fra esteren, og den vil trække den upolære del med sig. Der er ingen problemer i at hive den upolære ethanoldel ned i vandet, for ethanol og vand er blandbare i alle forhold.

Vi slap som bekendt af med de sure stoffer ved den første udvaskning og ethanol i den mættede calciumopløsning, så der er nu kun ét problem tilbage. Selvom det er sagt, at esteren er relativt upolær, kan den opløses i vand, og derfor tyder det på, at der er noget polært, og det er CO, hvor der er en forskel i elektronegativitet på 1; det betyder, at oxygenatomet vil være svagt negativt ladet, mens carbonatomet vil være positivt ladet.

Calciumchloriden opsuger vandet og danner krystalvand:

CaCl (s) + 6H O(l) 🡪 CaCl + 6H O(s)

2 2 2 2

Det teoretiske esterudbytte under forudsætning af ligevægt

Det blev nævnt tidligere, at reaktionen, der danner ester, er en ligevægtsreaktion, så derfor kan man med retfærdighed forkaste den beregnede masse, der blev fundet tidligere, af den dannede ester, da det var under forudsætning af, at der skete en fuldstændig reaktion.

På forhånd er der givet den oplysning, at ligevægtskonstanten er 2,5, så derfor må reaktionsbrøken give 2,5. Generelt ser ligevægtsloven således ud for følgende generelle reaktionsskema:

... ...aA bB rR sS+ + + +

[ ] [ ] ... RS^{rs} ⋅⋅
[ ] [ ] ... AB^{ab} ⋅⋅

= K_{c} Ved ligevægt.

Denne lov kaldes ligevægtsloven. Brøken i ligevægtsloven kaldes reaktionsbrøken og opskrives på grundlag af reaktionsskemaet. Koncentrationerne fra reaktionsskemaets højre side skal altid

Side 8

[navn fjernet]

Side 8 af 10 anbringes i tælleren, mens reaktionsskemaet koefficienter indgår som eksponenter for koncentrationerne. Indeks c på K c hentyder til, at det er stoffernes koncentrationer, der indgår i brøken, og netop koncentrationen findes ved at dividere stofmængde med volumen, men eftersom vi ikke kender volumen, skulle man umiddelbart tro, at man ikke kan komme videre.

Koefficienterne er hele vejen igennem 1, så derfor ser ligevægtsloven på nuværende tidspunkt

således ud: = 2,5. Det smarte består nu i, at volumen helt kan ekskluderes fra formlen, så

nn

VV nn

VV

⋅

⋅

ligevægtsloven pludselig ser sådan er ud: = 2,5. For nemheds skyld benævnes stofmængden

nn ⋅ nn ⋅ nu x, og x betegner altså startstofmængden, som vi kender for reaktanterne, men ikke hos produkterne for de forskellige stoffer:

CH CH OH CH COOH CH COOCH CH H O

3 2 3 3 2 3 2 startstofmængde 0,43 mol 0,33 mol

ligevægtsstofmængde 0,43mol xmol− 0,33mol xmol− x x

Ligningen ser altså ud som følger: = 2,5, og det er vigtigt at bemærke, at der
(0,43 ) (0,33 ) − ⋅ − xx

xx ⋅

ikke er nogen enhed på ligevægtskonstanten, da tællerens enhed er M^{2}, hvilket også er nævnerens

enhed, og derfor går de ud mod hinanden.

Ved hjælp af CAS-værktøjet Mathcad løses den ovenstående ligning, således at der fremkommer to løsninger – nemlig 0,228 og 1,309. Stofmængden for esteren må dog være den første, 0,228, idet den begrænsede faktor som nævnt er 0,33 mol, og derfor kan man selvsagt ikke have en stofmængde, der er større!

0,228 mol må altså være stofmængden, hvorved der er ligevægt, for esteren, og for at finde det

teoretiske udbytte af esteren multipliceres stofmængden med molarmassen, som er 88,11 g/mol:

m M n mol g = ⋅ = ⋅ = 88,11 0,228 20,089

g mol

Side 9

[navn fjernet]

Side 9 af 10

Det teoretiske udbytte af esteren er altså 20,089 g mod de 16,32, som var vores praktiske udbytte.

Det teoretiske udbytte, vi beregnede i starten, var på 29,08 g, og det er også teoretisk om end under andre forudsætninger.

Afvigelser

Den første afvigelse, der beregnes, er afvigelsen mellem det forventede resultat, hvis der var foregået en fuldstændig reaktion, og det målte resultat.

Teoretisk udbytte: 29,08 g

Praktisk udbytte: 16,32 g

Afvigelse: ⋅ = ⋅ = 100% 100% 43,879%

teoretisk værdi praktisk værdi g g _ _ 29,08 16,32 −− teoretisk værdi g _ 29,08

Afvigelsen er altså på hele 43,879 %!

Dernæst regnes afvigelsen mellem det teoretiske resultat, vi regnede os frem til som følge af ligevægtsloven, og det praktiske resultat.

Teoretisk udbytte: 20,089 g

Praktisk udbytte: 16,32 g

Afvigelse: ⋅ = ⋅ = 100% 100% 18,762%

teoretisk værdi praktisk værdi g g _ _ 20,089 16,32 −− teoretisk værdi g _ 20,089

Her er afvigelsen 18,762 %, hvilket må siges at være langt mindre end ved den foregående beregning.

Fejlkilder

Den forholdsvis store afvigelse kan skyldes måleunøjagtigheder, som kan være rester af biprodukter. Derudover kan det være, der er blevet fjernet for meget stof med skilletragten, mens der har været problemet med svalerøret, hvor noget kan være fordampet. Det vil i så fald være ethanol, og derfor har vi på forhånd garderet os ved at tage en større stofmængde ethanol i brug – nemlig 0,43 mol mod de 0,33 mol, som var den begrænsede faktor.

Derudover kan ethylethanoat opløses 9,7 g pr. 100 mL i udvaskningen, og da vi vaskede tre gange med 20 mL, kan der være mistet to gram per udvaskning og dermed helt op til seks gram samlet set.

Side 10

[navn fjernet]

Side 10 af 10

I forhold til den teoretiske værdi, der er udregnet med ligevægtsloven, er det faktisk muligt, at denne fejlkilde er den eneste, der har haft indvirkning på resultatet, selvom det dog er usandsynligt.

Netop udvaskningerne kan have gjort det, at hvis man ikke lukker hele den uorganiske fase ud, bliver massen for stor, men da det tydeligvis ikke er det, der er foregået her, kan en potentiel fejlkilde være, at vi er kommet til at lukke noget af den organiske del, som er produktet, ud, hvorved noget af massen er gået tabt, og det praktiske udbytte er blevet mindre end det teoretiske Konklusion

Først og fremmest benyttes lejligheden til at konkludere, at de to metoder til at beregne udbyttet langt fra er lige optimale i denne øvelse. Hvis tilfældet var, at der skete en fuldstændig reaktion, er der ingen tvivl om, at den første metode ville være mere end god, men eftersom faktum er, at det er en ligevægtsreaktion, vi har med at gøre, er der ingen tvivl om, at det er metode nummer to, der ikke blot er den bedste og mest effektive, men også den rigtige metode.

Derudover må konklusionen være, at selvom specielt udvaskningerne kan virke forvirrende, og selvom rapporten muligvis giver et fingerpeg om, at den røde tråd er ikke-eksisterende, mener jeg, at denne rapport er i stand til at redegøre, forklare og diskutere de forskellige aspekter omkring estersyntesen for selv en uvidende kemiker. Når jeg arbejder med rapporter og lignende bestræber jeg mig altid på at lade, som om læseren ikke kender noget til emnet, før vedkommende gennemlæser mit arbejde. På den måde viser jeg, at jeg forstår emnet, hvilket jeg lægger stor vægt på. Derfor håber jeg naturligvis, at du mener, denne rapport hører ind under samme kategori.

Til sidst synes jeg, at formålet med øvelsen er nået, idet det er lykkes at fremstille en ester af en carboxylsyre og en alkohol og forklare, hvorfor det teoretiske udbytte ikke stemmer overens med det praktiske udbytte.