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Um die genaueren Reaktionsbedingungen der
photochemischen Halogenierung zu untersuchen, werden folgende Versuche
unternommen:
Versuch 1:
Ein trockener 100-ml-Erlenmeyerkolben wird mit ca. 30 ml n-Heptan*
gefüllt und mit 5-6 Tr. Brom* versetzt. Die Lösung wird nach
dem Durchmischen in zwei kleinere Kolben oder Schnappdeckelgläser
geteilt. Beide Kolben bzw. Gläser werden mit einem Uhrglas
abgedeckt und auf dem OHP durch eine rote (A) bzw. blaue
Glasscheibe (B) oder Kunststofffolie bestrahlt. Nach dem Versuch
wird die Gasphase mit angefeuchtetem Indikatorpapier bzw. einem
Tr. konz. Ammoniak-Lösung getestet.
Versuch 2:
Versuch 1 wird in der Weise wiederholt, dass nach der Aufteilung
in den Kolben B ein Iodkristall gegeben wird. Nach dessen
Auflösung (Farbe?) werden beide Kolben mit dem Uhrglas abgedeckt und
zeitgleich mit dem weißem Licht des OHPs bestrahlt. Nachdem sich
die Lösung in einem der beiden Kolben entfärbt hat, wird wie in
Versuch 1 mit feuchtem Indikatorpapier und konz. Ammoniak-Lösung
getestet. |
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Arbeitsaufträge
(schriftlich zu bearbeiten!)
| 1. |
Beobachte genau den Versuchsverlauf in beiden
Versuchen, besonders die zeitlichen Unterschiede in der
Entfärbung und notiere genau die Beobachtungen. |
| 2. |
Welche Lichtfarbe ist für die Bromierung notwendig?
Begründe anhand der Versuchsergebnisse und der beiden Tabellen.
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| 3. |
Zeichne ein einfaches Energiediagramm der Reaktion
und erweitere es um Interdukt und Tradukt! |
| 4. |
Erkläre die V-Ergebnisse aus V2 mit diesem
Reaktionsmodell. |
| 5. |
Formuliere den beschriebenen Reaktionsverlauf in Form von
Reaktionsgleichungen! Teile die Gesamtreaktion in Phasen ein! |
Wie die Versuchsergebnisse zeigen, läuft ohne Licht nichts bei der
Reaktion zwischen Brom und dem Alkan. Offensichtlich übernimmt das Licht
die Aufgabe, der Reaktion die notwendige Aktivierungsenergie zu
liefern. Die Reaktion durchläuft also von einem energetisch relativ
hohen Niveau aus einen „Energieberg", um dann in ein tieferes
„Energietal" zu fallen.
Was passiert nun auf dem „Energieberg"?
Eine chemische Reaktion befindet sich auf der Spitze ihrer energetischen
Gesamtsituation, wenn Bindungsbruch- und neubildung der
reagierenden Spezies gleichzeitig stattfinden. Dann entspricht der
Energieberg einem Übergangszustand oder Tradukt, dessen
Lebensdauer der Dauer des Bindungsbruchs und -neubildung entspricht.
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Farbe |
Wellenlänge [nm] |
Energiebereich [kJ/mol] |
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violett |
400-435 |
298-274 |
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blau |
435-480 |
274-248 |
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grünblau |
480-490 |
248-243 |
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blaugrün |
490-500 |
243-239 |
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grün |
500-560 |
239-213 |
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gelb |
580-595 |
206-200 |
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orange |
595-605 |
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rot |
605-750 |
197-159 |
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| Es ist aber auch denkbar, dass für kurze Zeit intermediär neue
Teilchen entstehen, die als „reaktive Zwischenstufe" oder
„Interdukt" bezeichnet werden. Da diese Teilchen eine reale
Lebenszeit haben, also auch nachweisbar sind, liegen sie energetisch in
einem „Zwischental". Da die Bromierung von Heptan mit
Blaulicht schneller verläuft als mit Rotlicht, kann vermutet werden,
dass in einem ersten Schritt Brom-Moleküle durch Lichtquanten des blauen
Lichts in Bromatome getrennt werden (homolytische
Bindungstrennung). Die energiereichen Brom-Atome =Brom-Radikale
sind als reaktive Zwischenstufen nachweisbar, sie reagieren mit
den C-H-Bindungen unter Bildung von Bromwasserstoffgas HBr und
Heptyl-Radikalen. Die Heptyl-Radikale reagieren nun wiederum mit
Brom-Molekülen unter Bildung von Brom-Alkanen und Brom-Radikalen. Der 2.
Schritt dieser Reaktion ist der Beginn des 1. Schritts, beide bilden
zusammen eine „Kettenreaktion", die nur einmal durch die Spaltung
des Brom-Moleküls ausgelöst sein muss. Treffen jedoch Radikale
verschiedener Art aufeinander, bilden sie in Abbruchreaktionen
wieder Moleküle mit kovalenten Bindungen. |
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Bindungsenergien einiger Bindungen [kJ/mol[ |
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Br-Br |
193 |
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Cl-Cl |
243 |
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C-C |
348 |
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C-H |
435 |
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