Durchführung von Reaktionen unterhalb der Raumtemperatur
Quelle: Labor von Dr. Dana Lashley - College of William and Mary
Demonstration von: Matt Smith
Wenn neue Anleihen im Verlauf einer chemischen Reaktion…
Kühlende Bad Einrichtung
Bereiten Sie für eine allgemeine Konfiguration kühlende Bad Wahl vor, wie unten beschrieben und Tauchen Sie den Reaktionskolben in die Wanne (Abbildung 1). Füllen Sie nicht ganz Bad Behälter, aber lassen Sie genügend Platz zum Eintauchen der Reaktionskolben zu ermöglichen.
Hinweis: Wenn Feuchtigkeit empfindlich reagiert, seien Sie vorsichtig, wenn Sie die Flasche oder einem anderen Teil des Geräts (z. B. einen Tropftrichter) Reagenzien hinzufügen. Wenn eine Öffnung entsteht, während die Glaswaren in kühlendes Bad eingetaucht ist, dann Zimmertemperatur Luft schnell fließt innen und führt Feuchtigkeit in.
Abbildung 1. Beispiel für eine kühlende Bad Set-up in einem drei-Hals Rundboden Kolben mit Tropftrichter, Thermometer unter inerter Atmosphäre.
1. machen ein Eis-Wasserbad
- Für ein Eis-Wasserbad mit einem Zusatz wiegen und Bad Gefäß der Wahl die entsprechende Menge an Eis hinzufügen. Ein Dewar ist hilfreich aber nicht notwendig. Das Schiff kann werden Kunststoff-, Gummi-(z.B. einen Eimer) oder Glas (z.B. ein großes Kristallisation Gericht). Fügen Sie 500 g Eis für dieses Experiment ein 1 L Gefäß hinzu.
- Wiegen Sie die entsprechende Menge an Additiv Beratung ein Eisbad (Tabelle 1), und das Eis fügen Sie das Additiv hinzu. Für dieses Experiment wiegen und der Bad-Behälter 165 g (= 5 x 33 g) NaCl hinzufügen.
- Das Bad-Schiff eine kleine Menge entionisiertem Wasser hinzu und rühren Sie gründlich mit einem rühren Stab. Fügen Sie gerade genug Wasser hinzu, bis das Eis bedeckt ist.
- Erkundigen Sie sich bei einem Thermometer um sicherzustellen, dass die gewünschte Temperatur erreicht ist. Nachstellen Sie die Menge des Zusatzstoffs ggf.. Das Bad wird nicht seine Temperatur sehr lange beibehalten und Anpassungen in kurzen Abständen von ca. alle 20-30 min gemacht werden müssen. Dafür ist es möglicherweise erforderlich, pipette etwas von dem Wasser in der Badewanne und mehr Eis und Additiv.
| Substanz | G/100 g H2O | Endtemperatur (° C) |
| Na2CO3 | 20 | -2,0 |
| NH4Nr.3 | 106 | -4,0 |
| NaC2H3O2 | 85 | -4,7 |
| NH4Cl | 30 | -5,1 |
| NaNO3 | 75 | -5,3 |
| Na2S2O3 ● 5 H2O | 110 | -8.0 |
| CaCl2 ● 6 H2O | 41 | -9.0 |
| KCl | 30 | -10.9 |
| KI | 140 | -11.7 |
| NH4Nr.3 | 60 | -13.6 |
| NH4Cl | 25 | -15.4 |
| NH4Nr.3 | 45 | -16.8 |
| NH4SCN | 133 | -18.0 |
| NaCl | 33 | -21,3 |
| CaCl2 ● 6 H2O | 81 | -21.5 |
| H2SO4 (66,2 %) | 23 | -25 |
| NaBr | 66 | -28 |
| H2SO4 (66,2 %) | 40 | -30 |
| C2H5OH (4°) | 105 | -30 |
| MgCl2 | 85 | -34 |
| H2SO4 (66,2 %) | 91 | -37 |
| CaCl2 ● 6 H2O | 123 | -40.3 |
| CaCl2 ● 6 H2O | 143 | -55 |
Tabelle 1. Salz/Eis kühlende Mischungen, die durch das Mischen der Salze mit Wasser oder Eis bei den angegebenen Temperaturen und in den angegebenen Mengen gewonnen werden. 1
(2) macht ein Trockeneis Bad
- Kryogene Schutzhandschuhe und Schutzbrille aufsetzen. Üben Sie dies immer im Umgang mit Trockeneis und nie mit bloßen Händen berühren Sie, denn es kann schnell die Haut verbrennen und Erfrierungen verursachen.
- Für einen Bad-Behälter mit einem Volumen von ca. 1 L ca. 1/3 aus einem Block von Trockeneis (in der Regel in ~ 2 lb Blöcke verfügbar) zu nehmen und in ein paar kleinere Stücke brechen.
- Fügen Sie die Stücke von Trockeneis der Bad-Behälter.
- Fügen Sie langsam das organische Lösungsmittel (z.B. Aceton hinzu), das Trockeneis unter ständigem Rühren mit einem Glasstab. Gibt es eine kräftige zischt durch CO2 -Gas-Entwicklung.
- Weiterhin langsam Lösungsmittel hinzufügen und rühren, bis eine homogene Gülle-Formen und die meisten von Trockeneis löst. Dies soll sicherstellen, dass die Wärmeübertragung auf den Reaktionskolben möglichst einheitlich ist.
- Legen Sie einen kalten Temperatur Thermometer in die Wanne um sicherzustellen, dass die gewünschte Temperatur erreicht ist.
- Auf dem trocken-Eis-Bad in regelmäßigen Abständen zu überprüfen Sie, und fügen Sie weitere Stücke von Trockeneis bei einem Anstieg der Temperatur fällt. Die Intervallzeit hängt vom Grad der Isolierung, aber ist in der Regel um alle 45 – 60 Minuten.
(3) macht ein Bad von flüssigem Stickstoff
- Kryogene Schutzhandschuhe und Schutzbrille aufsetzen. Immer üben Sie dies im Umgang mit flüssigen Stickstoff wie es schnell Hautgewebe und Auge Flüssigkeiten, Erfrierungen oder bleibende Augenschäden verursachen brennen kann.
- Für ein Bad ohne Zusatzstoffe die entsprechende Menge an N2 Hinzufügen eines Dewar zu einer Temperatur von-196 ° C. Fahren Sie mit Schritt 3.3, wenn dies die gewünschte Temperatur ist.
- Für ein Bad mit Zusätzen zuerst die Dewar ein organisches Lösungsmittel der Wahl (siehe Tabelle 3 , das richtige Lösungsmittel für die richtige Temperatur zu finden) hinzufügen, und dann langsam das Lösungsmittel Flüssigkeit N2 hinzufügen.
- Legen Sie einen kalten Temperatur Thermometer in die Wanne um sicherzustellen, dass die gewünschte Temperatur erreicht ist. Im Gegensatz zu den anderen Bädern hält N2 Flüssigkeitsbad innerhalb eines Dewar seine Temperatur für Stunden zu einer Zeit.
- Aktivieren Sie das Bad in angemessenen Abständen (wenige Stunden) um festzustellen, ob weitere N2 benötigt wird.
Bestimmte chemische Reaktionen müssen aus Sicherheitsgründen oder zur Herstellung des gewünschten Produkts unter Raumtemperatur durchgeführt werden.
Ein Kühlbad ermöglicht es, ein System für die Dauer der Reaktion in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten. Dies wird erreicht, indem der Reaktionskolben in das Bad gestellt und die Reaktion abgekühlt wird, ohne jemals direkten Kontakt mit den Reagenzien zu haben.
Das Bad ist in der Regel ein gut isoliertes Gefäß, wie z. B. ein Dewargefäß, das die kryogenen Komponenten enthält, die zum Erreichen der gewünschten Temperatur erforderlich sind. Bei einfachen Setups wie dieser ist die Temperatur nicht stabil, und das Bad muss während des gesamten Eingriffs überwacht und angepasst werden.
In diesem Video werden die verschiedenen Kühlbäder untersucht, die regelmäßig verwendet werden, um Reaktionen unterhalb der Raumtemperatur durchzuführen.
Während einer chemischen Reaktion müssen die beteiligten Spezies kollidieren, damit sich neue Bindungen bilden. Eine Erhöhung der Temperatur erhöht die innere Energie des Systems und führt dazu, dass sich diese Spezies schneller bewegen, was bedeutet, dass sie häufiger kollidieren. Das hat zur Folge, dass Reaktionen bei höheren Temperaturen schneller ablaufen.
In einigen Fällen ist es jedoch wünschenswert, Reaktionen trotz der Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen durchzuführen. Zum Beispiel sind einige Reaktionen zu heftig und müssen gekühlt werden, um ein Verschütten und Druckaufbau zu verhindern. Hochexotherme Reaktionen können auch schnell überkochen und herausspritzen, wenn sie nicht gekühlt werden, was ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Die Kühlung kann genutzt werden, um einen wirtschaftlichen Nutzen zu erzielen. So spart beispielsweise das Abkochen eines Lösungsmittels oder die Zersetzung eines Reagenzes Zeit und Ressourcen.
Die Kühlung wird auch häufig verwendet, um zu kontrollieren, welches Produkt durch eine Reaktion mit konkurrierenden Wegen gewonnen wird. Bei diesen Reaktionen wird der Weg mit der niedrigeren Aktivierungsenergie bei niedrigeren Temperaturen erzeugt, während der Weg mit der höheren Aktivierungsenergie bei höheren Temperaturen bevorzugt wird.
Nachdem Sie nun verstanden haben, wie wichtig es ist, Reaktionen unter Raumtemperatur abzulaufen, werfen wir einen Blick darauf, wie Sie verschiedene Arten von Kühlbädern vorbereiten.
Eiswasserbäder sind einfach einzurichten und stehen in jedem Chemie-Lehrlabor zur Verfügung. Während Eiswasser selbst eine Temperatur von 0 ? C kann eine Schmelzpunktsvertiefung durch die Zugabe bestimmter Salze erreicht werden.
Dadurch können Eiswasserbäder eine Temperatur von -40 °C erreichen. Die Endtemperatur kann durch Erhöhen oder Verringern der Konzentration des Salzzusatzes eingestellt werden.
Um ein Eiswasserbad einzurichten, beginnen Sie mit dem Wiegen der entsprechenden Mengen an Eis und Salzzusatz, wie in der Eisbadtabelle im Textprotokoll beschrieben.
Als nächstes gibst du das Salz zum Eis. Gießen Sie eine kleine Menge deionisiertes Wasser in den Behälter. Mischen Sie das Bad mit einem Rührstab gründlich durch.
Nachdem das Bad eingerichtet wurde, überprüfen Sie mit einem Thermometer, ob die gewünschte Temperatur erreicht wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, fügen Sie bei Bedarf mehr Salz hinzu. Wenn die richtige Temperatur erreicht ist, stellen Sie das Reaktionsgefäß in das Eisbad.
Eiswasserbäder halten ihre Temperatur nicht lange und müssen alle 20-30 Minuten nachgestellt werden. Um die Zieltemperatur zu halten, kann es notwendig sein, das flüssige Wasser zu entfernen und mehr Eis und Salz hinzuzufügen.
Für Temperaturen bis zu -78 Grad ? C werden Trockeneisbäder verwendet. Trockeneis ist festes Kohlendioxid, daher ist für eine effiziente Wärmeübertragung von ihm zu einem Reaktionsgefäß ein Lösungsmittel erforderlich. Denn Trockeneis sublimiert bei -78 ? C, ein Lösungsmittel mit einem Gefrierpunkt darunter, das verwendet werden muss, wenn diese Temperatur erreicht werden soll. Lösungsmittel mit höheren Gefrierpunkten können verwendet werden, um wärmere Trockeneisbäder zu erzeugen. Um ein Trockeneisbad vorzubereiten, ziehen Sie zunächst kryogene Schutzhandschuhe und eine Schutzbrille an. Lassen Sie Trockeneis niemals die nackte Haut berühren.
Für eine 1? L-Bad, nehmen Sie etwa 1/3 eines Blocks Trockeneis und brechen Sie es in kleinere Stücke in den Behälter.
Geben Sie dann langsam das gewählte organische Lösungsmittel unter Rühren mit einem Glasstab zum Trockeneis. Es wird ein kräftiges Zischen geben, wenn sich Kohlendioxidgas entwickelt.
Fügen Sie langsam Lösungsmittel hinzu und rühren Sie, bis sich der größte Teil des Trockeneises aufgelöst hat und eine homogene Aufschlämmung entsteht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Wärmeübertragung auf den Reaktionskolben so gleichmäßig wie möglich ist.
Stellen Sie mit einem Kältethermometer oder Thermoelement sicher, dass das Bad die gewünschte Temperatur erreicht hat, und stellen Sie dann das Reaktionsgefäß in das Bad.
Überwachen Sie das Bad in regelmäßigen Abständen und fügen Sie Trockeneisbrocken hinzu, wenn ein Anstieg der Badtemperatur festgestellt wird.
Wenn die gewünschte Badtemperatur unter dem liegt, was Trockeneis liefern kann, wird flüssiger Stickstoff verwendet. Flüssiger Stickstoff hat einen Schmelzpunkt von -196 ? C und Lösungsmittel werden nur bei der Herstellung wärmerer Bäder benötigt.
Aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff ist ein Dewar das einzig akzeptable Gefäß.
Um ein Kühlbad mit flüssigem Stickstoff vorzubereiten, setzen Sie zunächst eine Schutzbrille und kryogene Schutzhandschuhe auf. Seien Sie vorsichtig beim Umgang mit flüssigem Stickstoff, da er Erfrierungen und dauerhafte Augenschäden verursachen kann.
Bestimmen Sie für ein Bad mit Additiven das geeignete organische Lösungsmittel für die gewünschte Temperatur, wie in der Tabelle mit flüssigem Stickstoff im Text gezeigt. Geben Sie das Lösungsmittel in den Dewar, dann fügen Sie langsam den flüssigen Stickstoff hinzu.
Setzen Sie ein Kältethermometer oder Thermoelement in das Bad ein, um sicherzustellen, dass die gewünschte Temperatur erreicht wurde. Stellen Sie dann das Reaktionsgefäß in das Bad.
Für ein Bad ohne Zusatzstoffe fügen Sie dem Dewar einfach die entsprechende Menge Stickstoff hinzu, um eine Temperatur von bis zu -196?? C.
Überwachen Sie das Bad in regelmäßigen Abständen, um festzustellen, ob zusätzlicher Stickstoff benötigt wird.
Viele verschiedene Arten von Reaktionen - bei verschiedenen wissenschaftlichen Jüngern - verwenden Kühlbäder, um unter Raumtemperatur zu arbeiten.
Mechanische Laborprozesse können, ähnlich wie sehr exotherme Reaktionen, auch unerwünschte Wärme erzeugen.
In diesem Beispiel wurde Barium-Kupfer-Tetrasilikat sowohl durch Festkörper- als auch durch Schmelzflusssynthese hergestellt. Anschließend wurden diese Schichtmaterialien mit Hilfe von Ultraschalltechniken exfoliert.
Bei der Beschallung werden Schallwellen verwendet, um Partikel aufzuwirbeln. Da es sich jedoch um einen hochenergetischen Prozess handelt, kann er in einer Probe überschüssige Wärme erzeugen.
Daher wurde ein Eiswasserbad verwendet, um die Probe während des einstündigen Beschallungsprozesses zu kühlen. Die Vermeidung dieser übermäßigen Erwärmung gewährleistete die Integrität und Konsistenz der Produktausbeute.
In diesem Beispiel wurde ein Trockeneisbad verwendet, um sicherzustellen, dass Dijodmethyllithium durch Deprotonierung von Diiodmethan synthetisiert wurde.
Die Reagenzien wurden in einen Kolben mit rundem Boden gegeben, der einen Rührstab enthielt. Dann wurde der Kolben mit rundem Boden in einen Dewar gelegt. Dem Dewar wurden Trockeneis und Aceton zugesetzt, und die gesamte Apparatur wurde abgedeckt, um die Lichteinwirkung zu minimieren. Die Aufrechterhaltung einer niedrigen Systemenergie war für die Stabilität des Produkts von entscheidender Bedeutung.
Trockeneis- und Flüssigstickstoffbäder werden häufig als Kühlfallen zur Kondensation von Proben eingesetzt. Insbesondere können diese Kühlfallen den sicheren Transport von luftempfindlichen Verbindungen unterstützen und gleichzeitig eine Kontamination der Ausrüstung verhindern. In diesem Beispiel wurde eine Flüssigstickstoff-Kühlfalle verwendet, um eine flüchtige und oxidationsempfindliche Probe für die spätere Vorbereitung für die massenspektrometrische Analyse zu kondensieren.
Das System wurde zunächst gereinigt und beheizt, um mögliche Verunreinigungen zu entfernen. Das verschließbare Reagenzglas wurde dann in flüssigen Stickstoff getaucht, um die Kondensation der Probe durch die Schlenk-Leitung zu ermöglichen. Die Probe wurde dann zur Analyse durch Massenspektrometrie entnommen.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Durchführung von Reaktionen unter Raumtemperatur gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie Kühlbäder aus Eiswasser, Trockeneis und flüssigem Stickstoff hergestellt werden und warum sie chemisch wichtig sind.
Danke fürs Zuschauen!
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Q1: Why do some chemical reactions need to be performed below room temperature?
Reactions are cooled for several reasons: to prevent vigorous or highly exothermic reactions from boiling over and creating safety hazards, to control which product forms when competing reaction pathways exist, and to preserve reagents or solvents from decomposition. Lower temperatures favor pathways with lower activation energy, allowing chemists to obtain desired products while maintaining safety.
Q2: How does temperature affect the rate of a chemical reaction?
Raising temperature increases molecular movement and collision frequency between reactant species, causing reactions to proceed faster. The rule of thumb states that increasing temperature by 10 K approximately doubles the reaction rate. However, despite this acceleration, chemists sometimes deliberately cool reactions to control selectivity, prevent decomposition, or manage exothermic heat release.
Q3: What is an ice-water bath and how is it prepared?
An ice-water bath is the simplest cooling method, reaching 0°C naturally or -40°C with salt additives that depress the freezing point. Prepare it by mixing weighed ice and salt with deionized water, then stir thoroughly. Check the temperature with a thermometer and adjust salt concentration as needed. These baths require monitoring every 20-30 minutes and must be refreshed with ice and salt to maintain temperature.
Q4: What are dry-ice baths used for and how do you set one up?
Dry-ice baths reach temperatures down to -78°C and are used when ice-water baths are insufficient. Prepare by wearing cryogenic protection gloves and safety goggles, then slowly add an organic solvent to dry-ice pieces while stirring with a glass rod. Continue until a homogenous slurry forms, ensuring uniform heat transfer. Monitor regularly and add dry-ice chunks when temperature rises.
Q5: When is liquid nitrogen used as a cooling bath and what precautions are necessary?
Liquid nitrogen cooling baths reach -196°C and are used when lower temperatures than dry-ice provides are required. A Dewar flask is the only acceptable vessel due to extreme cold. Wear safety goggles and cryogenic protection gloves at all times, as liquid nitrogen causes frostbite and permanent eye damage. Add solvent for warmer baths or use nitrogen alone for maximum cooling.
Q6: How do cooling baths prevent direct contact between reagents and cooling agents?
Cooling baths work by placing the reaction flask inside an insulated vessel such as a Dewar flask containing cryogenic components. The reagents never touch the cooling bath directly; instead, heat transfers through the flask walls. For effective temperature transfer, solvents are often mixed with cryogenic components, and additives like salts lower the freezing point of the mixture to achieve desired temperatures.
Q7: What are practical applications of cooling baths in laboratory chemistry?
Cooling baths are used in diverse applications including sonication processes that generate excess heat, synthesis of air-sensitive compounds requiring low system energy, and cold traps for condensing volatile samples. For example, ice-water baths cool samples during high-energy sonication, while dry-ice and liquid nitrogen baths condense oxidation-sensitive compounds for analysis via mass spectrometry or preparation for growing crystals for x-ray diffraction analysis.