Inorganic Chemistry laboratory - Exam

Aufgabe 1)

Die Synthese anorganischer Verbindungen ist ein wesentlicher Bestandteil der anorganischen Chemie. In dieser Aufgabe betrachten wir verschiedene Methoden zur Herstellung und Charakterisierung anorganischer Verbindungen. Eine spezifische Verbindung, die hergestellt werden soll, ist Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) durch unterschiedliche Synthesemethoden, wie hydrothermale Synthese, Festphasensynthese, und Flüssigphasensynthese. Nehmen wir an, wir haben Cobalt(II)-oxalat (CoC₂O₄) und Salzsäure (HCl) als Ausgangsstoffe zur Verfügung.

a)

Hydrothermale Synthese: Beschreibe den Prozess der hydrothermalen Synthese von Cobalt(II)-chlorid ausgehend von Cobalt(II)-oxalat und Salzsäure. Gehe auf die Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Druck und mögliche Autoklaven-Materialien ein. Welche Vorteile bietet diese Methode gegenüber anderen Synthesemethoden?

Lösung:

Hydrothermale Synthese von Cobalt(II)-chlorid:

Hydrothermale Synthese ist eine Methode, bei der chemische Reaktionen in einer Wasserlösung unter hohen Temperaturen und Drücken durchgeführt werden. Bei der Synthese von Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) aus Cobalt(II)-oxalat (CoC₂O₄) und Salzsäure (HCl) läuft der Prozess wie folgt ab:

• Reaktanten: Cobalt(II)-oxalat (CoC₂O₄) und Salzsäure (HCl)
• Reaktionsgleichung:

  \(\text{CoC}_2\text{O}_4 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CoCl}_2 + 2\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)  (Cobalt(II)-oxalat) + (Salzsäure) \rightarrow (Cobalt(II)-chlorid) + (Kohlendioxid) + (Wasser) (s) + (aq) \rightarrow (aq) + (g) + (l)

• Temperatur: Die Reaktion wird in einem Temperaturbereich von 150°C bis 200°C durchgeführt.
• Druck: Es wird ein autogener Druck verwendet, der durch das Aufheizen der Lösung in einem geschlossenen System (Autoklav) entsteht. Der Druck kann bis zu 15-20 MPa (ca. 150-200 atm) betragen.
• Autoklaven-Materialien: Autoklaven bestehen häufig aus rostfreiem Stahl (z.B. Hastelloy oder Inconel), die beständig gegen chemische Korrosion sind und hohen Drücken standhalten können.

Vorteile der hydrothermalen Synthese:

• Die hydrothermale Methode ermöglicht die Herstellung von Cobalt(II)-chlorid in hoher Reinheit und Ausbeute.
• Die Reaktion kann unter moderaten Temperaturen durchgeführt werden, was zu einer besseren Kontrolle der Kristallstruktur und Morphologie führen kann.
• Der Prozess kann in einer wässrigen Lösung erfolgen, wodurch die Handhabung einfacher und sicherer wird.
• Durch das geschlossene System des Autoklaven wird die Möglichkeit von Kontaminationen und Verlust von Reaktanten oder Produkten minimiert.
• Die Reaktion kann unter hohem Druck stattfinden, was zu einer schnelleren und effizienteren Synthese führt.

b)

Festphasensynthese: Stelle die Festphasensynthese von Cobalt(II)-chlorid dar. Berechne die theoretische Masse an Cobalt(II)-chlorid, die aus 5,00 g Cobalt(II)-oxalat gewonnen werden kann. Die molare Masse von Cobalt(II)-oxalat beträgt 183.94 g/mol und die von Cobalt(II)-chlorid 129.84 g/mol. Beachte dabei, dass die Reaktion gemäß folgender Gleichung abläuft:

CoC₂O₄ (s) + 2 HCl (aq) → CoCl₂ (aq) + CO₂ (g) + H₂O (l)

Lösung:

Festphasensynthese von Cobalt(II)-chlorid:

Die Festphasensynthese von Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) aus Cobalt(II)-oxalat (CoC₂O₄) und Salzsäure (HCl) verläuft gemäß folgender Gleichung:

CoC₂O₄ (s) + 2 HCl (aq) → CoCl₂ (aq) + CO₂ (g) + H₂O (l)

Um die theoretische Masse an Cobalt(II)-chlorid zu berechnen, die aus 5,00 g Cobalt(II)-oxalat gewonnen werden kann, gehen wir folgendermaßen vor:

• Zunächst berechnen wir die Stoffmenge (n) von Cobalt(II)-oxalat:

Die molare Masse von Cobalt(II)-oxalat beträgt 183,94 g/mol.

• Stoffmenge (n) = Masse (m) / molare Masse (M)

n(CoC₂O₄) = 5,00 g / 183,94 g/mol

n(CoC₂O₄) ≈ 0,0272 mol

• Gemäß der Reaktionsgleichung reagiert 1 Mol CoC₂O₄ mit 2 Mol HCl zu 1 Mol CoCl₂. Daher entsteht aus 0,0272 mol CoC₂O₄ auch 0,0272 mol CoCl₂.

• Nun berechnen wir die theoretische Masse an CoCl₂:

Molare Masse von CoCl₂ = 129,84 g/mol

• Masse (m) = Stoffmenge (n) × molare Masse (M)

m(CoCl₂) = 0,0272 mol × 129,84 g/mol

m(CoCl₂) ≈ 3,53 g

Daher kann theoretisch eine Masse von ungefähr 3,53 g Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) aus 5,00 g Cobalt(II)-oxalat (CoC₂O₄) gewonnen werden.

c)

Solvothermale Synthese: Diskutiere die Unterschiede zwischen hydrothermaler und solvothermaler Synthese. Wie würde die Synthese von Cobalt(II)-chlorid in einem organischen Lösungsmittel (statt Wasser) ablaufen? Welche Eigenschaften müssen die Lösungsmittel dabei aufweisen und warum?

Lösung:

Solvothermale Synthese:

Die solvothermale Synthese ist eine Methode, bei der chemische Reaktionen in organischen Lösungsmitteln unter hohen Temperaturen und Drücken durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu verwendet die hydrothermale Synthese Wasser als Lösungsmittel. Beide Methoden ähneln sich in ihrem grundlegenden Prinzip, aber es gibt einige wesentliche Unterschiede:

• Lösungsmittel: Bei der hydrothermalen Synthese wird Wasser verwendet, bei der solvothermalen Synthese werden organische Lösungsmittel verwendet.
• Temperatur und Druck: Beide Methoden arbeiten unter hohen Temperaturen und Drücken, die durch das geschlossene System eines Autoklaven erzeugt werden. Jedoch können die spezifischen Bedingungen je nach verwendetem Lösungsmittel variieren.
• Löslichkeit: Die Wahl des Lösungsmittels beeinflusst die Löslichkeit der Reaktanten und Produkte, was die Reaktionskinetik und die Morphologie der entstandenen Kristalle beeinflussen kann.

Um die Synthese von Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) in einem organischen Lösungsmittel (statt Wasser) durchzuführen, würden wir folgendermaßen vorgehen:

• Reaktanten: Cobalt(II)-oxalat (CoC₂O₄) und Salzsäure (HCl) als Ausgangsstoffe.
• Organisches Lösungsmittel: Wählen wir ein geeignetes organisches Lösungsmittel wie Ethanol, Methanol oder Dimethylformamid (DMF). Diese Lösungsmittel müssen folgende Eigenschaften aufweisen:
• Hohe Löslichkeit: Das Lösungsmittel sollte in der Lage sein, sowohl die Reaktanten als auch die Produkte in ausreichender Menge zu lösen.
• Hoher Siedepunkt: Ein höherer Siedepunkt ermöglicht die Durchführung der Reaktion bei hohen Temperaturen, ohne dass das Lösungsmittel verdampft. Dies ist wichtig, um unter Druck arbeiten zu können.
• Stabilität: Das Lösungsmittel sollte unter den Reaktionsbedingungen chemisch stabil bleiben und nicht mit den Reaktanten oder Produkten reagieren.
• Reaktionsbedingungen: Die Reaktion würde in einem Autoklaven bei Temperaturen zwischen 150°C und 200°C und bei einem entsprechenden Druck durchgeführt werden, der vom Lösungsmittel abhängt.
• Reaktionsgleichung: Die Reaktionsgleichung bleibt dieselbe, aber anstelle von Wasser wird das gewählte organische Lösungsmittel verwendet:

\[\text{CoC}_2\text{O}_4 (s) + 2\text{HCl} (aq) → \text{CoCl}_2 (solv) + 2\text{CO}_2 (g) + \text{H}_2\text{O} (l)\]

Hierbei steht \(solv\) für die Verwendung des organischen Lösungsmittels.

Zusammenfassend bietet die solvothermale Synthese die Möglichkeit, Reaktionen in Lösungsmitteln durchzuführen, die spezifische Eigenschaften aufweisen, was die Kontrolle über die Morphologie der erzeugten Verbindungen verbessern kann. Die Wahl des organischen Lösungsmittels ist dabei entscheidend, um optimale Bedingungen für die Reaktion zu schaffen.

d)

Charakterisierung: Nachdem Cobalt(II)-chlorid synthetisiert wurde, beschreibe die möglichen Methoden zur Charakterisierung der erhaltenen Verbindung. Gehe dabei auf Röntgenkristallographie, Infrarotspektroskopie (IR), und thermogravimetrische Analyse (TGA) ein. Erläutere, welche spezifischen Informationen jede dieser Methoden liefert.

Lösung:

Charakterisierung:

Nachdem Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) synthetisiert wurde, kann die Verbindung durch verschiedene analytische Methoden charakterisiert werden. Hier sind einige der wichtigsten Methoden und die spezifischen Informationen, die sie liefern:

• Röntgenkristallographie (XRD): Die Röntgenkristallographie ist eine Technik zur Bestimmung der atomaren und molekularen Struktur eines Kristalls. Bei der Analyse wird ein Kristall mit Röntgenstrahlen bestrahlt, und die durch die Kristallstruktur verursachte Beugung der Strahlen wird gemessen. Die gewonnenen Beugungsmuster werden analysiert, um die dreidimensionale Anordnung der Atome im Kristall zu bestimmen.
  • Spezifische Informationen:
    • Kristallstruktur: Bestimmt die Gitterparameter und die dreidimensionale Anordnung der Atome.
    • Phasenreinheit: Erkennt die Anwesenheit von Verunreinigungen oder Nebenprodukten.
    • Symmetrie: Informationen über die Symmetrie des Kristallsystems.
• Infrarotspektroskopie (IR): Die IR-Spektroskopie untersucht die Absorption von Infrarotstrahlung durch die Moleküle einer Verbindung. Bei der Analyse wird die Probe mit Infrarotstrahlung bestrahlt, und die abgestrahlte Energie, die von den Molekülen absorbiert wird, wird gemessen. Dies liefert ein Spektrum, das die charakteristischen Schwingungen und Vibrationsmoden der chemischen Bindungen im Molekül zeigt.
  • Spezifische Informationen:
    • Funktionelle Gruppen: Identifiziert charakteristische Schwingungen für verschiedene funktionelle Gruppen (z.B. Co–Cl-Bindungen).
    • Bindungsart: Erkennt die Art der Bindungen (z.B. kovalent oder ionisch).
    • Molekulare Struktur: Gibt Hinweise auf die Struktur des Moleküls und die Anordnung der Atome.
• Thermogravimetrische Analyse (TGA): Die TGA misst die Masse einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur oder Zeit unter kontrollierten atmosphärischen Bedingungen. Die Probe wird erhitzt, und die Masseänderungen werden aufgezeichnet, was Aufschluss über die thermische Stabilität und die Zersetzungsprozesse der Verbindung gibt.
  • Spezifische Informationen:
    • Thermische Stabilität: Zeigt an, bei welchen Temperaturen die Verbindung stabil bleibt und wann sie zersetzt wird.
    • Massenschwund: Ermittelt den Gewichtsverlust, der durch Zersetzung oder Verdampfung verursacht wird.
    • Zersetzungsprodukte: Identifiziert mögliche Zersetzungsprodukte (z.B. HCl-Abspaltung).

Durch die Kombination dieser Methoden kann eine umfassende Charakterisierung der synthetisierten Cobalt(II)-chlorid-Verbindung erreicht werden, die sowohl die strukturellen als auch die physikalischen Eigenschaften der Substanz umfasst.

Aufgabe 2)

Kristallstrukturbestimmung Kristallstrukturbestimmung ist die Analyse der dreidimensionalen Anordnung von Atomen in einem Kristall durch Methoden wie Röntgenbeugung.

• Erforderliche Daten: Röntgendiffraktogramm
• Bragg-Gleichung: \[ n\lambda = 2d \sin(\theta) \]
• Interpretation der Reflexe: gibt Informationen über Netzebenenabstände und Symmetrien
• Nutzung von Software zur Strukturverfeinerung (z.B. SHELX, CRYSTALS)
• Wichtige Parameter: Zellparameter (a, b, c, α, β, γ), Raumgruppe
• Ergebnisse: Atompositionen, Bindungslängen, Bindungswinkel

a)

Teilaufgabe 1:Ein Kristall hat bei Röntgenbeugungsmessungen Reflexe bei folgenden 2θ-Winkeln gezeigt: 20°, 30°, 40°. Die verwendete Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge von 1.54 Å. Berechne die Netzebenenabstände (d) für die ersten beiden Reflexe unter Anwendung der Bragg-Gleichung \[ n\lambda = 2d \sin(\theta) \].

Lösung:

Teilaufgabe 1:Um die Netzebenenabstände mit der Bragg-Gleichung zu berechnen, folgen wir diesen Schritten:n\lambda = 2d \sin(\theta)

• Gegeben sind die 2θ-Winkel: 20°, 30° und 40°
• Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung beträgt 1.54 Å
Da es sich bei 2θ um den doppelten Winkel handelt, müssen wir θ berechnen:
• Für 20°: θ = 20°/2 = 10°
• Für 30°: θ = 30°/2 = 15°
Wir nehmen n = 1 (erste Ordnung der Beugung). Dann setzen wir die Werte in die Bragg-Gleichung ein:
• Für den ersten Reflex (20°):n\lambda = 2d \sin(10°)Umgestellt nach d:d = \frac{n\lambda}{2 \sin(\theta)}Einsetzen der Werte:d = \frac{1 \times 1.54 Å}{2 \times \sin(10°)} = \frac{1.54 Å}{2 \times 0.1736} ≈ 4.43 Å
• Für den zweiten Reflex (30°):n\lambda = 2d \sin(15°)Umgestellt nach d:d = \frac{n\lambda}{2 \sin(\theta)}Einsetzen der Werte:d = \frac{1 \times 1.54 Å}{2 \times \sin(15°)} = \frac{1.54 Å}{2 \times 0.2588} ≈ 2.98 Å
Ergebnisse:
• Der Netzebenenabstand für den Reflex bei 20° beträgt etwa 4.43 Å.
• Der Netzebenenabstand für den Reflex bei 30° beträgt etwa 2.98 Å.

b)

Teilaufgabe 2:Du erhältst die Zellparameter eines monoklinen Kristalls als a = 5 Å, b = 8 Å, und c = 10 Å mit den Winkeln α = 90°, β = 112°, und γ = 90°. Berechne das Volumen der Einheitszelle unter Anwendung der folgenden Formel: \[ V = abc \sqrt{1 - \cos^2(\beta)} \]

Lösung:

Teilaufgabe 2:Um das Volumen der Einheitszelle eines monoklinen Kristalls zu berechnen, verwenden wir die gegebene Formel:V = abc \sqrt{1 - \cos^2(\beta)}Die gegebenen Zellparameter und Winkel sind:

• a = 5 Å
• b = 8 Å
• c = 10 Å
• α = 90°
• β = 112°
• γ = 90°
Schritte zur Berechnung des Volumens:1. Berechne den Kosinus des Winkels β:\cos(112°)2. Setze den Wert von \(\cos(β)\) in die Volumenformel ein:
• \(\beta = 112°\)
• \(\cos(112°) ≈ -0.3746\)
• \(\cos^2(112°) = (-0.3746)^2 ≈ 0.1403\)
3. Subtrahiere \(\cos^2(β)\) von 1:
• \(1 - \cos^2(112°) = 1 - 0.1403 = 0.8597\)
4. Berechne die Quadratwurzel der Differenz:
• \(\sqrt{0.8597} ≈ 0.9272\)
5. Setze die Zellparameter und den berechneten Wert in die Volumenformel ein:
• \(V = abc \sqrt{1 - \cos^2(\beta)}\)
• \(V = 5 Å \times 8 Å \times 10 Å \times 0.9272\)
6. Führe die Multiplikation durch:
• \(V ≈ 5 \times 8 \times 10 \times 0.9272 ≈ 370.88 \text{Å}^3\)
Ergebnis:
• Das Volumen der Einheitszelle des monoklinen Kristalls beträgt etwa 370.88 Å^3.

c)

Teilaufgabe 3:Um die Atomanordnungen in einer Einheitszelle zu präzisieren, kann Software zur Strukturverfeinerung verwendet werden. Nenne zwei solche Softwaretools und erkläre kurz ihre Funktionsweise bzw. Anwendungsbereiche.

Lösung:

Teilaufgabe 3:Zur Strukturverfeinerung von Kristallen gibt es verschiedene Softwaretools, die in der Kristallographie verwendet werden. Zwei wichtige Beispiele sind SHELX und CRYSTALS.SHELX:

• Funktionsweise: SHELX ist ein weit verbreitetes Programmpaket zur Lösung und Verfeinerung von Kristallstrukturen. Es besteht aus mehreren Modulen, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen, wie z.B. die Lösung der Phase (SHELXS) und die Verfeinerung der Struktur (SHELXL).
• Anwendungsbereiche: SHELX wird hauptsächlich für die Strukturaufklärung von organischen, anorganischen und metallorganischen Verbindungen verwendet. Es eignet sich sowohl für die Analyse von Einkristalldaten als auch für Pulverdaten.
CRYSTALS:
• Funktionsweise: CRYSTALS ist ein weiteres leistungsfähiges Softwaretool zur Verfeinerung von Kristallstrukturen. Es bietet eine interaktive Benutzeroberfläche und unterstützt die Analyse von Einkristalldaten. Das Programm ermöglicht es den Anwendern, Modelle zu erstellen und zu verfeinern sowie die Ergebnisse zu visualisieren.
• Anwendungsbereiche: CRYSTALS wird in der akademischen Forschung ebenso wie in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt. Es unterstützt die Analyse komplexer Molekülstrukturen und bietet erweiterte Optionen für die Verfeinerung von Kristallstrukturen.
Zusammenfassung:
• SHELX und CRYSTALS sind zwei wichtige Softwaretools zur Strukturverfeinerung in der Kristallographie.
• SHELX wird häufig zur Lösung und Verfeinerung von Kristallstrukturen verwendet, insbesondere für organische und anorganische Verbindungen.
• CRYSTALS bietet eine interaktive Benutzeroberfläche und unterstützt detaillierte Modellierungen und Verfeinerungen von Kristallstrukturen, speziell in Forschung und Industrie.

d)

Teilaufgabe 4:Angenommen, Du hast die Raumgruppe sowie alle Zellparameter eines unbekannten Kristalls entspannen können. Welche weiteren Schritte sind erforderlich, um die Kristallstruktur endgültig zu bestimmen, und welche Art von Informationen benötigst bzw. erhältst Du dabei?

Lösung:

Teilaufgabe 4:Nachdem Du die Raumgruppe und die Zellparameter eines unbekannten Kristalls bestimmt hast, sind noch weitere Schritte notwendig, um die Kristallstruktur endgültig zu bestimmen. Hier sind die Schritte im Detail:

• Sammeln und Vorverarbeiten der Beugungsdaten:Vor der Strukturverfeinerung müssen hochqualitative Röntgendaten gesammelt werden. Dies umfasst die Aufnahme eines vollständigen Satzes von Beugungsbildern und die Reduktion der Rohdaten in Beugungsintensitäten.
• Strukturlösung:Dies ist der Prozess, bei dem ein anfängliches Strukturmodell aus den Beugungsdaten erstellt wird. Häufig verwendete Methoden sind:
  • Direktmethoden: Diese Verfahren nutzen mathematische Ansätze, um die Phase der Reflexe zu bestimmen und ein erstes Elektronendichte-Modell zu erstellen.
  • Patterson-Methode: Diese Methode basiert auf der Analyse der Interatomar-Vektoren und kann besonders nützlich sein für Strukturen mit schweren Atomen.
• Strukturverfeinerung:Das anfängliche Modell wird durch die Anpassung an die gemessenen Beugungsdaten verfeinert. Dies geschieht iterativ durch die Minimierung des Unterschieds zwischen den berechneten und den experimentellen Daten, oft unter Verwendung von Software wie SHELX oder CRYSTALS.
• Bestimmung der Atompositionen:Durch die Verfeinerung der Struktur erhältst Du genaue Positionen der Atome in der Einheitszelle.
• Analyse der Bindungslängen und -winkel:Die Verfeinerung liefert detaillierte Informationen über die Bindungslängen und -winkel im Kristall, was Aufschluss über die chemische Struktur und die Bindungskräfte gibt.
• Stereochemische und Symmetrie-Überprüfung:Überprüfe das verfeinerte Modell auf stereochemisch sinnvolle Strukturen und die Einhaltung von Symmetrieelementen der Raumgruppe.
• Validierung und Publikation:Zum Abschluss des Strukturaufklärungsprozesses wird die verfeinerte Struktur validiert – hierzu gehören statistische Parameter wie R-Faktor und Goodness-of-fit. Nach erfolgreicher Überprüfung kann die Struktur veröffentlicht werden.
Ergebnisse und Informationen:Nachdem alle Schritte abgeschlossen sind, erhältst Du:
• Atompositionen: Die genauen Koordinaten der Atome innerhalb der Einheitszelle.
• Bindungslängen und -winkel: Detaillierte Informationen über die chemischen Bindungen im Kristall.
• Symmetrie und Raumgruppe: Bestätigung der Symmetrie und Zuordnung zur korrekten Raumgruppe.
• Kristallstruktur: Ein vollständiges dreidimensionales Strukturmodell des Kristalls.

Aufgabe 3)

In einer typischen Experimentierreihe im Bereich der thermischen Analyse werden verschiedene Methoden verwendet, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines neuen Materials, das als thermisch stabil angenommen wird, zu bestimmen. Dabei kommen die Thermogravimetrische Analyse (TG), die Differenz-Thermoanalyse (DTA) und die Differenzscanningkalorimetrie (DSC) zum Einsatz. Während der Untersuchung sind einige grundlegende Parameter wie Start- und Endtemperaturen, Heizrate und Probenmasse entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse. Bestimmen lassen sich exemplarisch die Phasenübergänge sowie der Zersetzungspunkt des Materials.

a)

Beschreibe in Deinen eigenen Worten die Funktionsweise der drei Haupttechniken der thermischen Analyse: Thermogravimetrische Analyse (TG), Differenz-Thermoanalyse (DTA) und Differenzscanningkalorimetrie (DSC). Gehe insbesondere auf die spezifischen Messgrößen ein, die bei jeder Methode ermittelt werden.

Lösung:

Haupttechniken der thermischen Analyse

• Thermogravimetrische Analyse (TG):

Bei der Thermogravimetrischen Analyse (TG) wird die Masse einer Probe überwacht, während sie erhitzt wird. Ziel dieser Methode ist es, Veränderungen in der Masse der Probe aufgrund von Prozessen wie Zersetzung, Oxidation oder Verdampfung zu messen. Die spezifische Messgröße dieser Methode ist die Änderung der Probenmasse in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zeit. Diese Daten helfen, Zersetzungspunkte, Oxidationsverhalten und andere thermisch bedingte Massenänderungen zu identifizieren.

• Differenz-Thermoanalyse (DTA):

Die Differenz-Thermoanalyse (DTA) misst die Temperaturänderung einer Probe im Vergleich zu einer Referenz, während beide mit derselben Rate erhitzt oder gekühlt werden. Der Unterschied in der Temperatur (Differenztemperatur) wird aufgezeichnet und gibt Hinweise auf endotherme und exotherme Prozesse, die in der Probe auftreten. Dabei sind die spezifischen Messgrößen die Temperaturdifferenzen zwischen Probe und Referenz. Diese Messungen ermöglichen die Identifizierung von Phasenübergängen wie Schmelzen, Kristallisation oder chemischen Reaktionen.

• Differenzscanningkalorimetrie (DSC):

Die Differenzscanningkalorimetrie (DSC) ist der DTA ähnlich, misst aber zusätzlich die Wärmemenge, die zugeführt oder abgeführt wird, um die Probe und die Referenz auf gleicher Temperatur zu halten. Die spezifischen Messgrößen sind hier die Energiemengen, die bei Phasenübergängen oder chemischen Reaktionen beteiligt sind. Diese Methode liefert quantitative Informationen über Enthalpien (Wärmemengen) von Prozessen wie Schmelzen, Glasübergängen oder Reaktionen und ermöglicht die Untersuchung von Materialeigenschaften wie spezifischer Wärme und Stabilität.

b)

Ein Experimentator hat eine Probe analysiert und dabei eine Anfangsmasse von 5.00 g und eine Endmasse von 3.75 g gemessen. Berechne den prozentualen Gewichtsverlust der Probe und erkläre, was dieser Wert über das Material aussagt.

Lösung:

Berechnung des prozentualen Gewichtsverlusts

• Gegeben:
• Anfangsmasse (\textit{m}_{start}): 5.00 g
• Endmasse (\textit{m}_{end}): 3.75 g

Der prozentuale Gewichtsverlust (\textit{W}_{verlust}) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

\[ \textit{W}_{verlust} = \frac{(\textit{m}_{start} - \textit{m}_{end})}{\textit{m}_{start}} \times 100\text{\text{%}} \]

Setzen wir die gegebenen Werte in die Formel ein:

\[ \textit{W}_{verlust} = \frac{(5.00 \, \text{g} - 3.75 \, \text{g})}{5.00 \, \text{g}} \times 100\text{\text{%}} \]

\[ \textit{W}_{verlust} = \frac{1.25 \, \text{g}}{5.00 \, \text{g}} \times 100\text{\text{%}} \]

\[ \textit{W}_{verlust} = 0.25 \times 100\text{\text{%}} = 25\text{\text{% }} \]

• Erklärung des Ergebnisses:

Der prozentuale Gewichtsverlust der Probe beträgt 25%, was bedeutet, dass ein Viertel der ursprünglichen Probe während der thermischen Analyse verloren gegangen ist. Dies kann verschiedene Ursachen haben, wie zum Beispiel:

• Verdampfung eines flüchtigen Bestandteils
• Zersetzung des Materials
• Austreiben von Feuchtigkeit oder anderen niedrigmolekularen Komponenten

Der Gewichtsverlust gibt Hinweise auf die thermische Stabilität und die Zusammensetzung des Materials. Ein Material mit einem hohen Gewichtsverlust könnte beispielsweise viele flüchtige oder instabile Bestandteile enthalten, während ein thermisch stabiles Material bei der gleichen Analyse nur minimale Gewichtsverluste zeigen würde.

c)

Bei der DSC-Messung wird ein endothermer Peak beobachtet, der bei 200°C liegt. Interpretiere diesen Befund und diskutiere mögliche Ursachen für diesen Peak. Welche weiteren Informationen könnten hierdurch über das Material gewonnen werden?

Lösung:

Interpretation eines endothermen Peaks bei einer DSC-Messung

• Beobachtung:

Ein endothermer Peak wurde bei einer DSC-Messung bei 200°C beobachtet.

• Interpretation des Befunds:

Ein endothermer Peak in einer DSC-Messung zeigt an, dass das Material bei dieser Temperatur Energie aus seiner Umgebung aufnimmt. Dies deutet in der Regel auf einen physikalischen oder chemischen Prozess hin, der endotherm ist, also Wärme verbraucht. Ein solcher Prozess kann mehrere Ursachen haben, einschließlich:

• Schmelzen des Materials: Einer der häufigsten endothermen Prozesse, bei dem feste Substanzen in einen flüssigen Zustand übergehen. Das Schmelzen erfordert die Aufnahme von Energie.
• Entladung von gebundenem Wasser oder Lösungsmittel: Wenn das Material Wasser oder andere flüchtige Komponenten enthält, kann die Energieaufnahme zum Verlassen dieser Komponenten führen.
• Phasenübergänge (z.B. von einer Kristallphase in eine andere): Einige Feststoffe können in verschiedene kristalline Strukturen umgewandelt werden, was ebenfalls Energie erforderlich machen kann.
• Zersetzungsreaktionen: Bei einer Zersetzungsreaktion kann das Material Energie aufnehmen, um chemische Bindungen zu brechen.
• Mögliche Ursachen für den Peak:
• Der Peak könnte durch das Schmelzen eines Bestandteils der Probe erklärt werden. Dies könnte auf das Vorhandensein einer reinen Substanz oder einer einfachen Mischung hindeuten.
• Der Peak könnte auch durch die Freisetzung von gebundenem Wasser (z.B. bei der Dehydratisierung eines Hydrats) verursacht werden.
• Ein Phasenübergang von einer kristallinen Form zu einer anderen könnte ebenfalls einen solchen endothermen Peak erzeugen.
• Gewonnene Informationen:

Durch den endothermen Peak bei 200°C können wir einige wichtige Informationen über das Material erfahren:

• Schmelztemperatur: Wenn der Peak durch das Schmelzen verursacht wird, haben wir die Schmelztemperatur des Materials bestimmt, die eine wichtige Eigenschaft ist.
• Thermische Stabilität: Wenn das Material bei dieser Temperatur zu schmelzen oder sich zu zersetzen beginnt, gibt uns dies Hinweise darauf, wie stabil das Material bei höheren Temperaturen ist.
• Vorhandensein von Hydraten oder anderen flüchtigen Komponenten: Ein Peak könnte auf das Vorhandensein von Wasser oder Lösungsmitteln in der Probe hinweisen, die für bestimmte Anwendungen wichtig sein könnten.

d)

Während eines DTA-Experiments wird festgestellt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Probe und der Referenz bei einer bestimmten Temperatur 2°C beträgt. Welche physikalischen oder chemischen Prozesse könnten hierfür verantwortlich sein? Diskutiere mögliche Szenarien unter Einbeziehung der Prinzipien der DTA.

Lösung:

Interpretation der Temperaturdifferenz in einer DTA-Messung

• Beobachtung:

Im Differenz-Thermoanalyse (DTA)-Experiment wurde festgestellt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Probe und der Referenz bei einer bestimmten Temperatur 2°C beträgt.

• Prinzipien der DTA:

In der DTA wird die Temperaturdifferenz zwischen einer Probe und einer inerten Referenz aufgezeichnet, während beide mit der gleichen Heiz- oder Kühlrate behandelt werden. Diese Temperaturdifferenz wird durch endotherme oder exotherme Prozesse in der Probe verursacht.

• Mögliche Szenarien:
• Endotherme Prozesse:
• Schmelzen: Ein endothermer Prozess, bei dem die Probe Energie aus der Umgebung aufnimmt, um von festem in flüssigen Zustand überzugehen. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz, da die Probe Energie aufnimmt und ihre Temperatur langsamer steigt im Vergleich zur Referenz.
• Verdampfung oder Sublimation: Hierbei nimmt die Probe Energie auf, um von flüssigem oder festem Zustand in die Gasphase zu übergehen. Auch dies würde ebenfalls zu einer beobachtbaren Temperaturdifferenz führen.
• Phasenübergänge: Endotherme Phasenübergänge innerhalb des festen Zustands, wie z.B. der Übergang von einer Kristallstruktur zu einer anderen, können auftreten und erzeugen eine Temperaturdifferenz.
• Dehydratisierung: Das Freisetzen von gebundenem Wasser (z.B. bei der Trocknung eines Hydrats) ist ebenfalls ein endothermer Prozess.
• Exotherme Prozesse:
• Kristallisation: Ein exothermer Prozess, bei dem Energie frei wird, wenn ein Material von einem amorphen oder flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand übergeht. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung der Probe im Vergleich zur Referenz.
• Verbrennung oder Oxidation: Chemische Reaktionen, die exotherm sind, wie etwa die Verbrennung oder Oxidation eines Bestandteils der Probe, können eine Temperaturdifferenz bewirken.
• Phasenübergänge: Exotherme Phasenübergänge können ebenfalls eine positive Temperaturdifferenz verursachen.
• Zusammenfassung:

In einem DTA-Experiment deutet eine Temperaturdifferenz von 2°C zwischen der Probe und der Referenz auf einen physikalischen oder chemischen Prozess hin. Endotherme Prozesse, wie etwa das Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren oder Phasenübergänge, nehmen Energie auf, wodurch die Temperatur der Probe langsamer steigt. Exotherme Prozesse, wie Kristallisation oder chemische Reaktionen (z.B. Oxidation), setzen Energie frei, wodurch die Temperatur der Probe schneller steigt. Durch die genaue Analyse des Temperaturdifferenzverlaufs können Rückschlüsse auf die spezifischen Eigenschaften und Verhaltensweisen des Materials gezogen werden.

Aufgabe 4)

UV/Vis-SpektroskopieDie UV/Vis-Spektroskopie analysiert die Absorption von UV/Vis-Licht durch Analyten, um deren Konzentration zu bestimmen oder um strukturelle Informationen zu erhalten. Das Lambert-Beer'sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Absorption und der Konzentration eines Analyten:

• Lambert-Beer'sches Gesetz: \( A = \varepsilon \cdot c \cdot l \)
• Wellenlänge: 200-800 nm
• \( A: Absorption, \varepsilon: molarer Extinktionskoeffizient, c: Konzentration, l: Schichtdicke \)
• Direkter Zusammenhang zwischen Absorption und Konzentration
• Benutzt für die Quantifizierung von Metallkomplexen und organischen Verbindungen

a)

Ein UV/Vis-Spektrum wird bei 400 nm gemessen, und die Absorption eines Metallkomplexes beträgt 0,75. Der molare Extinktionskoeffizient (\( \varepsilon \)) beträgt 15000 L·mol^-1·cm^-1 und die Schichtdicke (l) beträgt 1 cm. Berechne die Konzentration (c) des Metallkomplexes in der Lösung.

Lösung:

UV/Vis-SpektroskopieDie UV/Vis-Spektroskopie analysiert die Absorption von UV/Vis-Licht durch Analyten, um deren Konzentration zu bestimmen oder um strukturelle Informationen zu erhalten. Das Lambert-Beer'sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Absorption und der Konzentration eines Analyten:

• Lambert-Beer'sches Gesetz: \( A = \varepsilon \cdot c \cdot l \)
• Wellenlänge: 200-800 nm
• \( A: Absorption, \varepsilon: molarer Extinktionskoeffizient, c: Konzentration, l: Schichtdicke \)
• Direkter Zusammenhang zwischen Absorption und Konzentration
• Benutzt für die Quantifizierung von Metallkomplexen und organischen Verbindungen
Löse die folgende Teilaufgabe:Ein UV/Vis-Spektrum wird bei 400 nm gemessen, und die Absorption eines Metallkomplexes beträgt 0,75. Der molare Extinktionskoeffizient (\( \varepsilon \)) beträgt 15000 L·mol^-1·cm^-1 und die Schichtdicke (l) beträgt 1 cm. Berechne die Konzentration (c) des Metallkomplexes in der Lösung.Schritt-für-Schritt-Lösung:
• Wir verwenden das Lambert-Beer'sche Gesetz: \( A = \varepsilon \cdot c \cdot l \)
• Setze die gegebenen Werte in die Formel ein:
• \( A = 0,75 \)
• \( \varepsilon = 15000 \, L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1} \)
• \( l = 1 \,cm \)
• Forme die Gleichung nach der Konzentration (c) um: \( c = \frac{A}{\varepsilon \cdot l} \)
• Setze die bekannten Werte ein: \( c = \frac{0,75}{15000 \cdot 1} \)
• Berechne die Konzentration: \( c \approx 5 \cdot 10^{-5} \, mol/L \)
Ergebnis: Die Konzentration (c) des Metallkomplexes in der Lösung beträgt \(5 \cdot 10^{-5} \, mol/L \).

b)

Erkläre, wie sich Veränderungen der elektronischen Struktur eines Moleküls auf seine UV/Vis-Absorptionsspektren auswirken können. Gib ein spezifisches Beispiel eines organischen Moleküls und beschreibe, wie eine Substituentenänderung die Absorption beeinflusst.

Lösung:

UV/Vis-SpektroskopieDie UV/Vis-Spektroskopie analysiert die Absorption von UV/Vis-Licht durch Analyten, um deren Konzentration zu bestimmen oder um strukturelle Informationen zu erhalten. Das Lambert-Beer'sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Absorption und der Konzentration eines Analyten:

• Lambert-Beer'sches Gesetz: \( A = \varepsilon \cdot c \cdot l \)
• Wellenlänge: 200-800 nm
• \( A: Absorption, \varepsilon: molarer Extinktionskoeffizient, c: Konzentration, l: Schichtdicke \)
• Direkter Zusammenhang zwischen Absorption und Konzentration
• Benutzt für die Quantifizierung von Metallkomplexen und organischen Verbindungen

• Die elektronische Struktur eines Moleküls bestimmt seine UV/Vis-Absorptionseigenschaften.
• Elektronische Übergänge sind in UV/Vis-Bereichen sichtbar, besonders Übergänge zwischen den Elektronenniveaus (z. B. \(\pi \rightarrow \pi^* \) und \(n \rightarrow \pi^* \)).
• \(\pi \rightarrow \pi^* \) Übergänge treten oft in konjugierten Systemen wie Doppelbindungen oder aromatischen Ringen auf.

• Benzol hat ein konjugiertes \(\pi \)-Elektronensystem, das UV/Vis-Licht absorbieren kann, was zur \(\pi \rightarrow \pi^* \)-Übergängen führt.
• Benzol zeigt typischerweise Absorption bei etwa 254 nm.

• Der Einbau eines Substituenten kann die Absorption von Benzol verändern.
• Betrachten wir beispielsweise Toluol (Benzol mit einem Methylsubstituenten):
  • Das Methyl ist ein Elektronendonator, der das Elektronensystem erhöht.
  • Toluol zeigt eine Verschiebung der \(\pi \rightarrow \pi^* \)-Übergänge zu längeren Wellenlängen (Bathochrome Verschiebung oder rot Verschiebung).
  • Diese Änderung verschiebt das Absorptionsmaximum von Toluol zu einer höheren Wellenlänge als Benzol.

c)

Ein Experiment zur Quantifizierung einer organischen Verbindung nutzt das Lambert-Beer'sche Gesetz. Beschreibe den kompletten experimentellen Ablauf zur Bestimmung der Konzentration dieser Verbindung in einer unbekannten Probe. Führe alle notwendigen Schritte von der Vorbereitung der Standardlösungen bis zur Analyse der Proben auf.

Lösung:

UV/Vis-SpektroskopieDie UV/Vis-Spektroskopie analysiert die Absorption von UV/Vis-Licht durch Analyten, um deren Konzentration zu bestimmen oder um strukturelle Informationen zu erhalten. Das Lambert-Beer'sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Absorption und der Konzentration eines Analyten:

• Lambert-Beer'sches Gesetz: \( A = \varepsilon \cdot c \cdot l \)
• Wellenlänge: 200-800 nm
• \( A: Absorption, \varepsilon: molarer Extinktionskoeffizient, c: Konzentration, l: Schichtdicke \)
• Direkter Zusammenhang zwischen Absorption und Konzentration
• Benutzt für die Quantifizierung von Metallkomplexen und organischen Verbindungen

• Vorbereitung der Standardlösungen:
  • Bereite eine Reihe von Standardlösungen der organischen Verbindung bekannter Konzentration vor (z.B. 0,1 M, 0,2 M, 0,3 M, usw.).
  • Miss das Volumen der Stocklösung der Verbindung und verdünne diese mithilfe eines geeigneten Lösungsmittels, um die gewünschten Konzentrationen zu erhalten.
• Kalibrierungskurve erstellen:
  • Fülle die vorbereiteten Standardlösungen jeweils in Küvetten ab.
  • Miss die Absorption jeder Standardlösung bei der spezifischen Wellenlänge, bei der die Verbindung maximal absorbiert.
  • Trage die Absorptionen gegen die entsprechenden Konzentrationen in einem Diagramm auf, um eine Kalibrierungskurve zu erstellen.
  • Die Kalibrierungskurve sollte eine lineare Beziehung darstellen, die dem Lambert-Beer'schen Gesetz folgt.
• Probenvorbereitung:
  • Bereite die unbekannte Probe so vor, dass sie sich in demselben Lösungsmittel befindet wie die Standardlösungen.
  • Falls notwendig, verdünne die unbekannte Probe, um sicherzustellen, dass ihre Absorption innerhalb des Bereichs der Standardlösungen liegt.
• Messung der unbekannten Probe:
  • Fülle die verdünnte unbekannte Probe in eine Küvette.
  • Miss die Absorption der unbekannten Probe bei derselben Wellenlänge, wie bei den Standardlösungen.
• Analyse der Ergebnisse:
  • Verwende die Kalibrierungskurve, um die Konzentration der unbekannten Probe zu bestimmen, indem du die gemessene Absorption in die Kalibrierungskurve einträgst.
  • Lies die entsprechende Konzentration von der x-Achse der Kalibrierungskurve ab.
  • Falls die Probe verdünnt wurde, multipliziere die gemessene Konzentration mit dem Verdünnungsfaktor, um die ursprüngliche Konzentration der unbekannten Lösung zu erhalten.

• Stelle sicher, dass alle Glaswaren und Küvetten sauber und frei von Kontamination sind.
• Kalibrierung des UV/Vis-Spektrometers vor dem Experiment durchführen.
• Führe alle Messungen möglichst unter identischen Bedingungen durch (z.B. Temperatur, Lösungsmittel).