Chemiepraktikum für Mediziner Teil 4

4. Praktikumstag

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Zustandsformen der Materie, Gleichgewichte in Mehrphasensystemen

Gegenstandskatalog (4. Aufl. 2001): 1.1 (Makroskopische Erscheinungsformen der Materie), 3.2 (Heterogene Gleichgewichtsreaktionen)
Lehrbuch: Kapitel 3 und 8

Aufgaben: 4-1 bis 4-9

Fragenkatalog 4 (4. Praktikumstag)

1. Was verstehen Sie unter "homogenen" und unter "heterogenen Mischungen"? Nennen Sie Beispiele.

2. Erklären Sie kurz die Phänomene "Schmelzpunktserniedrigung" und "Siedepunktserhöhung".

3. Erläutern Sie den Begriff "Heterogenes Gleichgewicht".

4. Erläutern Sie kurz die Aussagen der folgenden Gesetze bzw. Begriffe mit eigenen Worten und nennen Sie Anwendungsbeispiele (möglichst aus medizinrelevanten Bereichen):
a) Henry-Daltonsches Gesetz
b) Nernstsches Verteilungsgesetz
c) Diffusion, Dialyse
d) Osmose, Osmol

5. Erläutern Sie das Prinzip des Ionenaustauschers.

Colloquiumsfragen

1. Geben Sie ein Beispiel für die Reaktion eines Metalls mit einer sauerstofffreien Mineralsäure (Reaktionsgleichung, Reaktionstyp).

2. a) Wie ist das Normalpotential E⁰ der Nernstschen Gleichung definiert?
b) Wie kann man das Redoxpotential (E) der nachfolgenden korrespondierenden Redoxpaare erhöhen?

Fe³⁺/Fe²⁺
Cl₂/Cl^-
H₃O⁺/H₂
MnO₄^-/Mn²⁺ (saures Milieu)

c) Führen Sie eine Berechnung unter Verwendung der Nernstschen Gleichung an einem selbstgewählten Beispiel durch.

3. Stellen Sie die Gleichung auf für die Reaktion von Permanganat mit Iodid in saurer Lösung.

4. Wie reagiert H₂O₂ als Oxidationsmittel und wie als Reduktionsmittel (Oxidationsstufen des Sauerstoffes, Gleichungen für die entsprechenden korrespondierenden Redoxpaare)?

5. Die Elemente Mg, H, Cu, Hg stehen in der genannten Reihenfolge in der elektrochemischen Spannungsreihe. Wie kann man experimentell die Richtigkeit dieser Reihenfolge nachweisen (mit Gleichungen)?

6. Die beiden folgenden korrespondierenden Redoxpaare (Konzentration jeweils 1 mol/l) werden kombiniert:

Fe³⁺/Fe²⁺: E⁰ = 0,75 V
Cl₂/Cl^- : E⁰ = 1,36 V

In welcher Richtung verläuft die Reaktion? Wann ist das Gleichgewicht erreicht (nur im Prinzip erläutern)?

7. In Organismen liegt der Stickstoff in der Regel in der gleichen Oxidationsstufe wie im Ammoniak vor. Den Pflanzen wird er oft in Form von Nitrat (NO₃^-) zugeführt. Formulieren Sie die Teilgleichung für das Redoxpaar NO₃^-/NH₃.

Aufgaben (4. Praktikumstag)

Aufgabe 4-1 Das System Eis / Wasser

Begriffe/Sachverhalte: homogenes/heterogenes System, Schmelzpunkt, Schmelzwärme, Gitterenergie, Phasenumwandlung, Siedepunkt, chemische Bindung

Teil a
In ein 250 ml-Becherglas werden ca. 50 ml Leitungswasser gefüllt und die Temperatur T₁ gemessen.

T₁ =      °C

Welche Temperatur würde die Flüssigkeit etwa haben, nachdem man ca. 50 ml Wasser von 0 °C zugemischt hätte?

T(geschätzt) =      °C

Teil b
Dann wird ein ungefähr gleiches Volumen an Eis hinzugefügt und ca. 1 min gerührt.
Handelt es sich um ein homogenes oder heterogenes System?


Nun wird die Temperatur T₂ gemessen.

T₂ =      °C

Wie ist das Auftreten von T₂ zu erklären?
Der Schmelzpunkt von Eis (= Gefrierpunkt von Wasser) beträgt also:      °C





Teil c
Das Becherglas mit dem Eis/Wasser-Gemisch wird nun unter ständigem Rühren auf dem Drahtnetz mit kleiner Flamme erhitzt. Wenn das Eis fast verschwunden ist, wird das Becherglas vom Drahtnetz der Flamme genommen und nach einigem Rühren die Temperatur T₃ gemessen.

T₃ =      °C

Erklärung:




Teil d
Das Gemisch wird bei kräftiger Flamme weiter erhitzt. Sobald alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur rasch an. Es wird bis zum Sieden erhitzt und die Temperatur T₄ des siedenden Wassers gemessen.

T₄ =      °C

Begründen Sie die unterschiedlichen Siedepunkte von Wasser und H₂S (-60 °C).

Aufgabe 4-2 Das System CaCl₂ / Wasser / Eis

Begriffe/Sachverhalte: Schmelzwärme, Gefrierpunktserniedrigung, Siedepunktserhöhung, Hydratationsenergie, Gitterenergie, Lösungswärme, homogenes/heterogenes System

Teil a
Ein Reagenzglas wird ca. 2 cm hoch mit wasserfreiem, festem Calciumchlorid (CaCl₂) gefüllt. Dann wird bis zu einer Höhe von ca. 10 cm mit Wasser aufgefüllt, mittels eines Thermometers gut durchgemischt (Vorsicht, das Thermometer ist zerbrechlich!) und die Temperatur T₁ abgelesen.

T₁ =      °C

Erklärung:




Handelt es sich bei der Lösung von CaCl₂ in Wasser um ein homogenes oder heterogenes Gemisch?


Teil b
In einem 250 ml-Becherglas wird der Boden gut mit wasserfreiem, festem CaCl₂ bedeckt und das ca. 5-fache Volumen an Eis hinzugefügt. Dann wird mit dem Thermometer so lange vorsichtig umgerührt (ca. 2 min) bis sich in dem entstehenden Gemisch eine konstante Temperatur (T₂) eingestellt hat.

Beobachtung:

T₂ =      °C

Vergleichen Sie mit Teil a) und erklären Sie den unterschiedlichen Befund:





Wie ist es zu erklären, daß bei der Temperatur T₂ eine flüssige Phase existiert, obwohl Wasser doch bei 0 °C gefriert?

Teil c
Ein 250 ml-Becherglas wird zu 1/4 mit Wasser gefüllt und das Wasser auf ca. 50 °C erwärmt. Dann wird das gleiche Volumen an wasserfreiem, festem CaCl₂ hinzugefügt, gut umgerührt und die Temperatur T₃ gemessen.

T₃ =      °C

Es wird wie unter 4-1 d die Siedetemperatur T₄ der Lösung bestimmt (die Skala des Thermometers muß mindestens bis 120 °C reichen!).

T₄ =      °C

Vergleichen Sie mit dem Befund der Aufgabe 4-1 d:

Aufgabe 4-3 Lösungen und disperse Systeme

Begriffe/Sachverhalte: Mehrphasensystem, Dispersionsmittel, Emulsion, homogen, heterogen, Lösungsmittel, Löslichkeit, Gefrierpunktserniedrigung, Hydrophobie, Hydrophilie, hydrophobe Wechselwirkung, Bindungspolarität, Wasserstoffbrückenbindung

Teil a (Abzug!)
Schütteln Sie in einem Reagenzglas ca. 1 ml Isooctan mit ca. 1 ml Wasser.

Beobachtung:

Beschreibung:	Das Gemisch ist also	( ) homogen	( ) heterogen.
	Isooctan ist also	( ) hydrophob	( ) hydrophil.

Erklärung:

Teil b (Abzug!)
Wiederholen Sie den Versuch a) mit Ethanol (C₂H₅-OH) anstelle von Isooctan.

Beobachtung:

Beschreibung:	Das Gemisch ist	( ) homogen	( ) heterogen.
	Ethanol ist hydrophil aufgrund	der OH-Gruppe	der C2H5-Gruppe.

Erklärung:

Teil c Demonstrationsversuch des Assistenten

Achtung: Phenol ist ätzend. Nicht an die Haut bringen!

Der Assistent gibt zu 2 - 3 g festem Phenol (C₆H₅-OH) wenige (6 - 10) Tropfen H₂O.

Beobachtung:

Beschreibung: Das Gemisch ist    ( ) homogen    ( ) heterogen.
         Aufgrund der Mengenverhältnisse würde man hier als Lösungsmittel bezeichnen:    ( ) Phenol    ( ) Wasser.
         Erklären Sie, wieso festes Phenol sich bei Zusatz von Wasser verflüssigt.

Nun werden weitere 0,5 ml H₂O zugegeben und umgeschüttelt.

Beobachtung:

Beschreibung: Das Gemisch ist    ( ) homogen    ( ) heterogen.
         Es handelt sich um eine    ( ) Emulsion    ( ) Suspension.
         Dispersionsmittel ist hier (mit H₂O gesättigtes) Phenol, disperse Phase ist (mit Phenol gesättigtes) H₂O.

Nun werden weitere 4 ml H₂O zugegeben und umgeschüttelt.

Beobachtung:

Beschreibung (ähnlich wie bei vorstehend beschriebenem Experiment):

Dann wird das Gemisch auf > 65 °C erhitzt.

Beobachtung:

Beschreibung (ähnlich wie bei vorstehend beschriebenen Experimenten):

Nun wird das Gemisch unter fließendem Wasser rasch abgekühlt.

Beobachtung:

Beschreibung (ähnlich wie bei vorstehend beschriebenen Experimenten):

Vergleichen Sie das Verhalten von Phenol mit dem von Isooctan und Ethanol und begründen Sie die Unterschiede.

Aufgabe 4-4 Löslichkeit von Stickstoff im Blut

Begriffe/Sachverhalte: Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten

Beim Tauchen erhöht sich der Umgebungsdruck pro 10 m Wassertiefe um etwa 1 bar (1000 hPa). Daher ist z. B. ein Taucher in 30 m Wassertiefe einem Überdruck von 3 bar (3000 hPa) ausgesetzt. Der Druck der Atemluft muß dementsprechend erhöht werden, da sonst die Atmung unmöglich ist. Bei Druckluftbeatmung reichert sich unpolarer gasförmiger Stickstoff (N₂) in der unpolaren lipophilen Substanz des Gehirns an. Es kommt zu ausgeprägter Euphorie bzw. N₂-Narkose. Tiefenrausch tritt nach Cousteau ab etwa 60 m Tiefe ein (Beeinflussung des Tauchers je nach Kondition und Erfahrung unterschiedlich).

Welche zwei bekannten Gesetzmäßigkeiten werden wirksam?

Erläutern Sie die Zusammenhänge:

Aufgabe 4-5 Nernstsches Verteilungsgesetz

Begriffe/Sachverhalte: Verteilung von löslichen Stoffen zwischen zwei flüssigen Phasen, Verteilungskoeffizient, Extrahieren

Cyclohexan (C₆H₁₂) bildet mit Wasser ein Zweiphasensystem. Wasser ist die spezifisch schwerere Komponente und befindet sich daher unten. Ein dritter Stoff, der in beiden Lösungsmitteln löslich ist, z.B. Iod (I₂), verteilt sich zwischen beiden Phasen gemäß dem gültigen Verteilungskoeffizienten.

Teil a (Abzug!)
Füllen Sie mittels einer Meßpipette in 2 Reagenzgläser (A, B) je 1 ml I₂-Lösung (0,5 % I₂ in Wasser, 5%ig an KI zur Verbesserung der Löslichkeit von I₂ in Wasser durch Bildung von I₃^--Ionen!).

A: 1 ml I₂-Lösung (wäßrig, KI-haltig) + 1 ml C₆H₁₂

B: 1 ml I₂-Lösung (wäßrig, KI-haltig) + 2 ml C₆H₁₂
Ziehen Sie Latex-Handschuhe an. Die Reagenzgläser werden mit dem Daumen fest verschlossen und ca. 2 - 3 sec kräftig geschüttelt. Dann wird der Daumen vorsichtig angehoben, um evt. Überdruck auszugleichen. Das kurze, kräftige Schütteln - mit jeweiligem Druckausgleich dazwischen - wird einigemal wiederholt. Dann werden die Reagenzgläser ca. 1 min im Reagenzglasständer abgestellt (vgl. Aufg. 3-5, Teil a).

Beobachtung:


Teil b
Nehmen wir an, wir hätten die beiden Phasen aus Reagenzglas B separiert und den Gehalt an I₂ wie folgt ermittelt:

Die wäßrige Phase enthielt :          0,5 mg I₂/ml

Die Cyclohexan-Phase enthielt:          5 mg I₂/ml

Wie groß wäre dann der Verteilungskoeffizient K (I₂ in C₆H₁₂: I₂ in H₂O)?

K =

Teil c

Geben Sie den Lösungsweg für folgende alte Klausurfrage an.

Sie machen mit der wäßrigen Lösung einer Substanz A mit c(A) = 1 mol/l (Ausgangslösung) 2 verschiedene Ausschüttelversuche mit Chloroform (Verteilungskoeffizient = 1)

1. Versuch: Sie schütteln 1 l Ausgangslösung zweimal mit je 1 l Chloroform aus.

2. Versuch: Sie schütteln 1 l Ausgangslösung einmal mit 3 l Chloroform aus.

Welche der folgenden Aussagen trifft zu?

    (1) Bei Versuch 2 ist die wäßrige Phase 0,25 molar an A.
    (2) In beiden Chloroformphasen des Versuchs 1 ist zusammen
    genausoviel A wie in der Chloroformphase des Versuchs 2.
    (3) Bei Versuch 1 ist die wäßrige Phase 0,25 molar an A.

(A) nur 3      (B) nur 1 und 3      (C) 1-3 = alle      (D) nur 1 und 2      (E) nur 2 und 3

Aufgabe 4-6 Dünnschicht-Chromatographie (DC) eines Farbstoffgemisches

Begriffe/Sachverhalte: stationäre/mobile Phase, Eluens, Chromatogramm, R_F-Wert, Chromatographie als analytische Methode

Teil a
Ermitteln Sie mittels Dünnschicht-Chromatographie, wieviele Farbstoffkomponenten die Farbe eines schwarzen Filzschreibers (wasserlöslich) enthält.

Teil b
Man bestimme die R_F-Werte der einzelnen Komponenten.

Durchführung (Abzug!):
Auf einen DC-Streifen von 4 cm x 15 cm Größe (Aluminiumfolie mit einer dünnen Schicht stationärer Phase) wird ein dünner Bleistiftstrich aufgebracht und so die Lage der Startlinie markiert. Auf diese Startlinie bringt man im Abstand von ca. 15 mm zwei Flecke mit Filzschreiber auf.



Fleck 1: Filzschreiber kurz auftupfen.
Fleck 2: Etwas Filzschreiberfarbe in Isooctan lösen (kleines Reagenzglas, Isooctanmenge < 1 ml), Kapillare (beiderseits offenes Glasröhrchen) eintauchen und dieses Ende kurz auf die Startlinie aufsetzen - am besten mehrmals nebeneinander, so daß eine 5-10 mm breite Zone entsteht.


Nachdem beide Flecke an der Luft getrocknet sind, wird der DC-Streifen in einen 300 ml Titrierkolben mit Laufmittel Isooctan/Ethanol = 1 : 1 vorsichtig hineingestellt (Füllhöhe des Laufmittels etwa 0,5 cm). Nach einer Laufzeit von etwa 2 Std. (bevor die Lösungsmittelfront die Oberkante des DC-Streifens erreicht hat!) wird der DC-Streifen herausgenommen und die Lösungsmittelfront sofort mit Bleistift markiert. Lassen Sie den DC-Streifen unter dem Abzug trocknen.

Die einzelnen Komponenten werden durch die R_F-Werte charakterisiert.

                             Entfernung: Startlinie - Fleckmittelpunkt

   RF = Retentionsfaktor   = ___________________________________________


                             Entfernung: Startlinie - Lösungsmittelfront

Aufgabe 4-7 Ionenaustausch-Chromatographie

Gruppenversuch für 4 Praktikanten

Begriffe/Sachverhalte: Ionenaustauscher, Austauschersäulen, Ionenaustausch/Säulenregenerierung

Mit Hilfe einer mit H₃O⁺-Ionen beladenen Kationen-Austauschersäule lassen sich Kationen einer Salzlösung quantitativ gegen H₃O⁺-Ionen austauschen. Zur Verfügung steht eine Lösung von Calciumchlorid (CaCl₂) in Wasser (c = 0,5 mol/l).

Teil a
Ca. 2 ml der CaCl₂-Lösung werden in ein Reagenzglas gegeben und der pH-Wert geprüft (Glasstab eintauchen und nach dem Herausziehen die feuchte Zone mit Universalindikatorpapier in Kontakt bringen).

pH =

Geben Sie nun ca. 2 ml Natriumsulfat-Lösung (Na₂SO₄, 30 %) hinzu. Warten Sie ca. 1 min.

Beobachtung:


Gleichung:



Teil b
Mit Hilfe einer Pipette werden 5 ml der CaCl₂-Lösung in den Raum oberhalb der stationären Phase der Austauschersäule gefüllt. Stellen Sie einen Erlenmeyer-Kolben zur Aufnahme des Eluats unter die Säule und öffnen Sie dann die Schlauchklemme so weit, daß 1-2 Tropfen pro Sekunde auslaufen. Ist der Flüssigkeits-Spiegel in der Säule bis fast zur Obergrenze der stationären Phase abgesunken, werden langsam und vorsichtig insgesamt 30 ml dest. Wasser nachgefüllt (die stationäre Phase muß ständig mit Flüssigkeit bedeckt sein).
Wenn danach der Flüssigkeitsspiegel erneut bis fast zur Obergrenze des Austauscherharzes gesunken ist, wird die Schlauchklemme am unteren Ende der Säule geschlossen.

Das Eluat wird nun analog Teil a geprüft.

pH =

Verhalten bei Zusatz von Na₂SO₄-Lösung (30 %)?

Wie sind die Versuchsergebnisse von Teil a und Teil b zu erklären?

Aufgabe 4-8 Osmose

Begriffe/Sachverhalte: Gleichgewichte an Membranen, osmotischer Druck, Einheit "osmol", Osmolarität, Osmolalität

Eine NaCl-Lösung liegt vor, bei der gilt:

Osmolarität = 0,1

Wie hoch ist ihre Konzentration (in mol/l)?

c(NaCl) =

Wie groß ist ihr osmotischer Druck (in bar)?

p(osmotisch) =

Aufgabe 4-9 Dissoziationsstufen der Phosphorsäure

Löslichkeit von Calciumphosphaten

Begriffe/Sachverhalte: Dissoziationsstufen der Phosphorsäure, Anionsäuren/Anionbasen und deren Protolysereaktionen, Calciumsalze der Phosphorsäure und ihre Löslichkeit

Die Löslichkeit der Ca-Phosphate nimmt stark ab in der Reihenfolge

Ca(H2PO4)2	> CaHPO4	> Ca3(PO4)2
Calciumdihydrogenphosphat	Calciumhydrogenphosphat	Calciumphosphat
primäres Calciumphosphat	sekundäres Calciumphosphat	tertiäres Calciumphophat

Teil a
In einem Erlenmeyerkolben wird eine Spatelspitze CaHPO₄ in 50 ml dest. Wasser suspendiert und tropfenweise mit HCl (c = 1 mol/l) versetzt. Es entsteht eine klare Lösung.

Ionengleichung:

Erklärung:




Teil b
Zur salzsauren Lösung werden einige Tropfen NaOH (c = 1 mol/l) gegeben.

Beobachtung:

Ionengleichungen:

Erklärung:




Teil c
Eine Spatelspitze CaHPO₄ wird in 10 ml Wasser suspendiert und ca. eine Min. vorsichtig gekocht. Man läßt die Suspension ca. eine halbe Stunde stehen, filtriert in ein trockenes Reagenzglas und versetzt dieses mit einem Tropfen NaOH (c = 1 mol/l). Es entsteht eine milchige Trübung (falls die Trübung ausbleibt, reiben Sie mit einem Glasstab an der Innenwand des Reagenzglases).

Ionengleichung:

Erklärung:

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