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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!
