Kinetik Alte Hüte im neuen Gewand Peter Heinzerling Albert-Einstein-Schule Laatzen 19. September...
-
Upload
ima-geschke -
Category
Documents
-
view
219 -
download
5
Transcript of Kinetik Alte Hüte im neuen Gewand Peter Heinzerling Albert-Einstein-Schule Laatzen 19. September...
KinetikAlte Hüte im neuen Gewand
Peter HeinzerlingAlbert-Einstein-Schule Laatzen
19. September 200809:00 – 10:00 Uhr
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 2
Kinetik - Alte Hüte im neuen Gewand
Die alten Hüte:
• Mutarotation von Glucose
• Rohrzuckerinversion
• SN2-Reaktionen
• Zeitreaktionen
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 3
Kinetik - Alte Hüte im neuen Gewand
Grundprobleme bei der Erarbeitung:
• Unzuverlässige Experimente
• Großer Aufwand für exakte Ergebnisse
• Mathematisches Gerüst
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 4
Kinetik - Alte Hüte im neuen Gewand
Auswege:
• Weglassen
• Papierchemie
• EXCEL-Chemie
• Neue alte Experimente
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 5
Mutarotation von Glucose
Mechanismus: Animation aus chemgapedia
Ergänzung: 3D-Reaktionsanimation: Mutarotation der D-Glucose im sauren wässrigen Milieu
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 6
Mutarotation von Glucose
Mechanismus:
α-D-Glucopyranose D-Glucose D-Glucose D-Glucose β-D-Glucopyranose 36% offen offen offen 64%
gestreckt 0,0026 %
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 7
Mutarotation von Glucose
Experimentelle Erarbeitung:
• Alter Hut: Polarimetrie
Teuer und selten wirklich exakt
• Das neue Gewand:Messung der Gesamt-Glucose mit Blutzucker-MesssystemAKKU-CHEK® Aviva von ROCHE Diagnostics
• Kosten: Gerät ca. 10 €Teststäbchen: 26,50
€/50 Stück
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 8
Mutarotation von Glucose
Experimentelle Erarbeitung:
• Käufliche Glucose liegt wegen der schlechterenLöslichkeit zu > 95% in α-Form vor
• Beim Auflösen in Wasser erfolgt Mutarotation
• Beschleunigung durch Säuren
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 9
Mutarotation von Glucose
Experimentelle Erarbeitung:
• Versuchsdauer bei Zimmertemperatur max. 3 h
• Erhebliche Verkürzung bei Temperierung auf 40° C
• Messung:
einfach und schnell (mit Probenahme ca. 15 s)
Teststäbchen enthält Puffer Probenahme von 4 μL erfolgt automatisch über Membran
Messgerät speichert bis zu 500 Proben
Datenübertragung möglich
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 10
Mutarotation von Glucose
Auswertung:
• Enzym GDH ist Substrat spezifisch auf β-D-Glucose
• Gerät rechnet auf Gesamt-Glucose hoch
• Rückrechnung über Gleichgewichtskonstante • Mithilfe von EXCEL sehr einfach • Gleichgewichtseinstellung über Massenbilanz
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 11
Mutarotation von Glucose
Ergebnis:
Mutarotation von D-Glucose:Messung D-Glucose mit AKKU-CHEK Aviva
0
20
40
60
80
100
120
140
0 50 100 150 200 250
t in min
c in
g/L
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 12
Mutarotation von Glucose
Fazit:
• Eine verblüffend einfache Analytik zum günstigen Preis
Der Haken:
• Das Gerät liefert zu hohe absolute Werte
• Ursache: Gerät zieht 4μL-Probe auf die Viskosität von Blut geeicht
Lösung:
• Einmal Eichen und dann Umrechnen
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 13
Mutarotation von Glucose
Ergebnis:Mutarotation von Glucose:
Einstellung des Gleichgewichts
020406080
100120140
0 100 200 300
t in min
c in
g/L
α-D-Glucose
β-D-Glucose
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 14
Mutarotation von GlucoseAuswertung ist (nicht) gaaanz einfach …Ansatz:
Integral:
Lösung:
)( coscos0coscoscoscos
eGluDeGluDrückeGluDhineGluDrückeGluDhineGluD
rückhin cckckckckdt
dcvvv
tc
oceGluDrückeGluDrückhin
eGluD dtckckk
dc
0cos0cos
cos
**)(
tkkcc
ccrückhin
eGluDeGluD
eGluDeGluD *)(lncoscos
coscos0
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 15
Mutarotation von GlucoseAuswertung ist nicht ganz einfach …
Mit CAS-Rechner heute ohne Anstrengung möglich !
Test auf 1. Ordnung:
Auswertung mit CAS oder EXCEL
tkkcc
ccrückhin
eGluDeGluD
eGluDeGluD *)(lncoscos
coscos0
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 16
Mutarotation von GlucoseAuswertung ist nicht ganz einfach …
Mutarotation D-Glucose:Test auf 1.Ordnung reversibel
-0,50,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,0
0 50 100 150 200 250
t in min
ln(c
0-ce)/
(c-c
e)
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 17
Rohrzuckerinversion
Saure Hydrolyse von Saccharose:
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 18
Rohrzuckerinversion
Lösungen: Saccharose w = 20%Salzsäure c = 2 mol/L
Versuch: 25 mL Saccharose-Lösung + 25 mL HCl(aq)
Messung: Polarimetrie
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 19
Rohrzuckerinversion
Ergebnis:
Inversion von Rohrzucker
-10,0
-5,0
0,0
5,0
10,0
15,0
0 10 20 30 40 50
Zeit in min
Dreh
win
kel i
n °
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 20
Rohrzuckerinversion
Auswertung:Test auf 1.Ordnung t
cc
~lnln0
000
Inversion von Rohrzucker
0,00,20,40,60,81,01,21,4
0 5 10 15 20 25 30 35
t in min
ln c
°/c
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 21
Rohrzuckerinversion
Alternative:• Enzymatische Reaktion
mit Invertase
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 22
Rohrzuckerinversion
Alternative:
• Enzymatische Reaktion mit Invertase
• Anschaffung des reinen Enzyms kostspielig (65 € netto/5 g)InvertinMERCK® bei backfun.de 40 €/L
• Wenn cS>>cE: Kinetik nach MICHAELIS-MENTEN
• Ansonsten: Milde ReaktionsbedingungenpH-Optimum 4,5Temperaturoptimum 55°C
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 23
Rohrzuckerinversion
Low-Cost-Variante:
• Enzym aus Hefe isolieren• Reinigung nicht erforderlich• Fächer übergreifendes Projekt
No-Cost-Variante:
• Invertase wird als Lebensmitttelzusatzstoff verwendet(Zuckerfüllungen, Marzipan etc.)
• Firmen bzw. Produkte herausfinden (Lindt-Sprüngli, After Eight) und Lieferanten anbetteln
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 24
Rohrzuckerinversion
Ergebnis:
Rohrzuckerinversion mit Invertase:Molenbruch Rohrzucker
00,20,40,60,8
1
0 20 40 60 80
t in min
x =
c/c
o
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 25
Rohrzuckerinversion
Auswertung:
Rohrzuckerinversion mit InvertaseTest 1. Ordnung
-4
-3
-2
-1
00 10 20 30 40 50 60 70
t in min
ln x
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 26
SN2-Reaktionen
Nicht schon wieder Verseifungen !!!
Historische Alternative – kaum in Schulbüchern:
FINKELSTEIN-Reaktion:
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 27
SN2-Reaktionen
FINKELSTEIN-Reaktion:
NaI ist ein Aceton löslich, NaBr und NaI dagegen nicht
Leitfähigkeit in nicht-wässriger Lösung lässt sich gut messenR. David Pace und Yagya Regmi, J.Chem.Ed. 83(9), 1344 (2006)
Starke Elektrolyte
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 28
SN2-Reaktionen
FINKELSTEIN-Reaktion:
• Für konzentrierte Lösungen starker Elektrolyte gelten für die Leitfähigkeit andere Gesetze (Theorie von Debye, Hückel, Falkenstein)
Kohlrausch-Gesetz (1900):
Vereinfacht: Quadratwurzelgesetz
c 0
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 29
SN2-Reaktionen
Versuchsdurchführung denkbar einfach:
• Reaktion von 1-Chlorbutan mit Natriumiodid in Aceton
• Messwerterfassung über Standardprogramm (z.B. Kappenberg)
• Reaktion nach 30 min abbrechen, da Rückreaktion möglich
• Test auf 2. Ordnung: 1/λ² gegen t
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 30
SN2-Reaktionen
Energetische Darstellungen:
chemgapedia.de: FINKELSTEIN-Reaktionl
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 31
SN2-Reaktionen
Finkelstein-Reaktion:Test auf SN2
0,2400,2500,2600,2700,2800,2900,300
0 1000 2000
t in s
1/LF
² Messung16.06.08Linear (Messung16.06.08)
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 32
Zeitreaktionen
Spezialfall der Differentialmethode:
Anfangsgeschwindigkeiten mit ∆c = konst. und sehr klein
Abfangreaktion: Sehr schnelle Reaktion für ∆c
Monitorreaktion: Farbumschlag zur Bestimmung von t
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 33
Zeitreaktionen
Spezialfall der Differentialmethode:
Weit verbreitet: Iod-Uhr
Prinzip: Oxidation von Iodid zu Iod
Beispiele: HARCOURT-ESSON (H2O2) A.G.V. Harcourt und W. Esson, Phil. Trans. Royal Soc. 157, 117 (1867)
PeroxodisulfatChlorat André P.Oliveira und Roberto B. Faria, J.Am.Chem.Soc. 127, 18023
(2005)
Eisen(III)-Ionen Jurica Bauer et al., J.Chem.Ed. 85(8), 1123 (2008)
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 34
HARCOURT-ESSON-Reaktion
Häufiger Lehrbuchfehler:
Reaktionsgeschwindigkeit hängt auch von Säure abH.A. Liebhafsky und A. Mohammad, J. Am. Chem. Soc. 55, 3977 (1933)
Säure unabhängige Reaktion:
H2O2 (aq) + I- (aq) H2O (l) + IO- (aq) langsamH+ (aq) + IO- (aq) HIO (aq) schnellHIO (aq) + H+ (aq) I2 (aq) + H2O (l) schnell
Säure abhängige Reaktion:H2O2 (aq) + H+(aq) + I- (aq) H2O (l) + HIO (aq) langsamHIO (aq) + H+ (aq) + I- (aq) I2 (aq) + H2O (l) schnell
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 35
HARCOURT-ESSON-Reaktion
Häufiger Lehrbuchfehler:
Reaktionsgeschwindigkeit hängt auch von der Säure ab
v0-c-Diagramm HARCOURT-ESSON-Reaktion
0
1
2
3
4
5
0 50 100 150
c0*103 (H+) in mol/L
v 0*1
06 in m
ol/L
*s
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 36
Ascorbinsäure-Variante
Spezialfall der Differentialmethode:
Weit verbreitet: Iod-Uhr
Abfangreaktion: Schnelle Reaktion von Iod mit S2O32- - Ionen
Vorsicht: S2O32- - Ionen reagieren mit Säure
Alternative: Ascorbinsäure
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 37
Orangensaft-Variante
Spezialfall der Differentialmethode:
Weit verbreitet: Iod-Uhr
Abfangreaktion: Schnelle Reaktion mit Vitamin C
Reaktion mit 60 mL Wasserstoffperoxid-Lösung (3%) starten
5 mL Iod-Tinktur (0,4 mmol) 270 mL O-Saft (1 mmol)2 mL flüssige Wäschestärke
} zusammen gießen
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 38
Geheimtinten-Variante:
Der Trick: Weißes Papier enthält StärkeStephen W. Wright, Marsha R. Folger und Matthew A. Rice, J.Chem.Ed. 83(10), 1473 (2006)
Stammlösungen: 500 mg Ascorbinsäure ad 600 mL H2OPovidon-Iod/Wasser: 1:2, 1:4 und 1:8 H2O2/Speiseessig: 1:1
Durchführung:Geheimtinte 10 mL Ascorbinsäure-Stammlösung
5 mL Povidon-Iod/Wasser
Entwickler H2O2/Speiseessig in Sprühflasche
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 39
Fluoreszenz-Variante
Spezialfall der Differentialmethode:
Weit verbreitet: Iod-Uhr
Abfangreaktion: Ascorbinsäure
Monitorreaktion: Fluoreszenz-Quenching
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 40
Fluoreszenz-Quenching:Richard B. Weinberg, JChemEd 84(5), 797 (2007)
Der Trick: Iod quencht Fluoreszenz von Stilbenen
I3- (aq) + hν + FWA (Stilben)· (aq) 3 I- (aq) + FWA (Stilben) (aq)
Fluoreszenz-Farbstoff: Stilbene in Sensitiv-Waschmitteln
Gele sofort gebrauchsfertig
Fluoreszenz-Variante
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 41
Fluoreszenz-Quenching:
Fluoreszenz-Variante
Ausgangslösungen: 4 mL H2O2 (w=3%)0,5 mL Sensitiv Gel2 mL Speiseessig 1 mL Iodtinktur1 mL Vitamin C-Lösung (500mg ad 15 mL)
Gemisch A: H2O2 (w=3%)IodtinkturSensitiv Gel
Gemisch B: Vitamin C-LösungSpeiseessig
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 42
Ich habe fertig …
Iod-Uhr-Experimente erscheinen in Heft 7 (2008):
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 43
Ich habe fertig …
Tipps, Tricks, Anregungen:[email protected]
Danksagung:
19. September 2008 6. Berliner MNU-Kongress 44
Vom Backpulver zur Götterbrause
• Wohl bekomm‘ s, Herr Ministerpräsident …