Verfahren zur Ermittlung der Partialdampfdrücke von Wasser und Linalylacetat

 

Problemstellung: Wie viel Gramm Linalylacetat werden zusammen mit 10 mL Wasser bei der Wasserdampfdestillation überdestilliert?

allgemein: Wie viel Gramm werden von Komponente A mit wie viel Gramm Wasser (KomponenteB) überdestilliert? Da es sich um eine Wasserdampfdestillation handelt, ist eine Komponente immer Wasser!

Oder anders: Wie groß ist die Stoffmenge m(A), die mit der Stoffmenge m(H2O) überdestilliert wird?

Folgende Fakten werden als bekannt vorausgesetzt bzw. müssen experimentell bestimmt werden:
1. Siedepunkt des Gemisches aus Wasser und Linalylacetat: 99,6 ̊C
2. Siedepunkt von Linalylacetat: 220 ̊C
3. Siedepunkt von Wasser: 100 ̊C

allgemein:
1. Wie hoch ist der Siedepunkt des Gemisches aus A und B bei welchem Druck?
2. Wie hoch ist der Siedepunkt der höher siedenden Komponente?
3. Wie hoch ist der Siedepunkt der tiefer siedenden Komponente?
4. Wie groß ist die Molare Masse der Komponente A, M(A)?
4. Wie groß ist die Molare Masse der Komponente B, M(B)?

Bedenke: Nicht immer ist Wasser die niedriger siedende Komponente!

Berechnet werden:
1. Molare Masse von Wasser: M(H2O) = 18 g/mol
2. Molare Masse von Linalylacetat: M(Linalylacetat) = 196 g/mol

Verfahren:
1. Dampfdruckkurve von Linalylacetat erstellen: Im Diagramm wird parallel zur Nitrobenzol-Kurve (Nr. 4) eine Kurve gezeichnet, die bei einem Druck von 760 Torr die Siedepunktsordinate bei 220 ̊C schneidet.

allgemein: Dampfdruckkurve erstellen, falls nicht im Dampfdruckdiagramm vorhanden: parallel zu einer vorhandenen bekannten Dampfdruckkurve wird die Kurve des gesuchten Stoffes eingezeichnet. Die Dampfdruckkurve schneidet die 760-Torr-Linie (Abszisse, horizontale Achse) am Siedepunkt des eingezeichneten oder gesuchten Stoffes. Wird der Siedepunkt nicht bei 760 Torr = 1013 hPa angegeben, muss eine Parallele zur 760-Torr-Abszisse eingezeichnet werden mit dem entsprechenden Schnittpunkt auf der Druck-Ordinate (Ordinate=vertikale Achse).

2. Siedepunktsordinate des Gemisches: Das Gemisch Wasser-Linylacetat siedet bei 99,6 ̊C. Der Siedepunkt wird experimentell ermittelt. Die Siedepunktsordinate verläuft also parallel zur Siedepunktsordinate von Wasser bei 100 ̊C.

3. Schnittpunkt: Die Siedepunktsordinate des Gemisches schneidet die Dampfdruckkurve von Linalylacetat bei 16 Torr.

allgemein: Das Gemisch siedet i.d.R. unter dem Siedepunkt der niedriger siedenden Komponente. Parallel zur 100°C-Ordinate wird im Diagramm die Siedepunktsordinate des Gemisches eingezeichnet. Schnittpunkt ist der Siedepunkt des Gemisches mit der 760-Torr-Abszisse.

Die Siedepunktsordinate des Gemisches schneidet die Dampfdruckkurve der höher siedenden Komponente bei einem Druck im unteren Teil des Diagramms, der wegen der logarithmischen Darstellung genauer abzulesen ist. Damit hat man den Partialdruck der höher siedenden Komponente.

4. Partialdruck des Wassers: Da die Summe beider Dampfdrücke p(Wasser) + p(Linalylacetat) = g(gesamt) = 760 Torr ergibt, berechnet sich daraus der Partialdruck des Wassers zu 744 Torr. Aufgrund der logarithmischen Skalierung der Dampfdruckordinate lässt sich der Partialdruck von Linalylacetat genauer ablesen als der von Wasser.

allgemein: Den Partialdruck der tiefer siedenden Komponente bekommt man durch Differenz

Partialdruck tiefer siedende Komponente = Gesamtdruck (760 Torr) - Partialdruck höher siedenden Komponente

 

5. Berechnung allgemein:  
   
   
   
     
allgemein: Die Grundgleichung wird nach n(gesuchter Stoff) aufgelöst und n =  m/M nach m = n*M.

6. Probleme: Aufgrund der logarithmischen Skalen ist die genaue Eintragung der Siedepunktsordinate des Gemisches schwierig: je nachdem liegt der Schnittpunkt mit der Siedepunktskurve von Linalylacetat zwischen 15 und 18 Torr. Durch Differenzbildung zum Gesamtdruck des Gemisches ergibt sich der Dampfdruck des reinen Wassers, ihn genau von der Skala abzulesen ist m.E. unmöglich. 

allgemein: Hauptproblem ist also die Bestimmung der Partialdrücke aus der Graphik, ihr Verhältnis bestimmt das Molverhältnis der Komponenten.

Letzter Schritt: Die Umrechnung von Torr nach hPa: 760 Torr = 1013 hPa.

Arbeitsaufträge:
1. Bestimme den Anteil von Anilin (in Gramm) bei der Wasserdampfdestillation. Das Gemisch siedet bei 98,5 °C
2. Wie hoch ist der Anteil an Chlorbenzol in Wasser? Siedepunkt des Gemisches liegt bei 92 °C bei 1030 hPa.

Lösungen

Anilin (Kp. 184,4 °C) und Wasser (Kp 100 °C) sieden gemeinsam bei 98,5 °C mit den Dampfdrücken p(H2O) + p(Anilin) = 956 mbar + 57 mbar = 1013 mbar {98,5 °C}

Für die Zusammensetzung des Dampfes und damit des Destillats ergibt sich theoretisch nach obiger Gleichung

n(Anilin) / n(Wasser) = p(Anilin) / p(Wasser) = 57/956 = 0,06

D.h. mit 1 mol H2O = 18 g gehen 0,06 mol Anilin über = 5,59 g

Wasser und Chlorbenzol bilden ein Zweiphasensystem, da sich beide Flüssigkeiten nicht mischen. Erhitzt man dieses System bei einem Druck von 1030 hPa, dann siedet es bei ca. 92 °C. Eine milchig trübe Flüssigkeit kondensiert, die aus Wasser und Chlorbenzol besteht. Das bei 1030 hPa erst bei 132 °C siedende Chlorbenzol ist also schon weit unterhalb seines Siedepunktes in den Vorlagekolben übergegangen. Man nutzt bei diesem Versuch die Addition der Dampfdrücke der Komponenten nicht mischbarer Flüssigkeiten zum Gesamtdampfdruck aus.

Aufgrund seines Dampfdruckes ist Chlorbenzol zu einem bestimmten Prozentsatz in der Gasphase vertreten. Da der Dampfdruck von Chlorbenzol kleiner als der von Wasser ist, ist sein Beitrag zum Gesamtdampfdruck geringer, so dass der Siedepunkt des Gemisches in der Nähe des Siedepunktes von reinem Wasser liegt.

p(H2O) = 751 mbar und p(Chlorbenzol) = 279 mbar

n(Wasser) / n(Chlorbenzol) = p(Wasser) / p(Chlorbenzol) = 751/279 = 2,69/1

d.h. zu 2,69 mol Wasser wird 1 mol Chlorbenzol mitgeschleppt.

 

update: 20.10.2017                                                                                                                                                                                zurück        zur Hauptseite