Kookpuntbepaling

[G.Patton]

Inleiding

In dit onderwerp vind je de methode om het kookpunt te bepalen, die kan worden gebruikt om vloeibare reagentia te beoordelen. Als je een vreemd vloeibaar reagens krijgt, kun je het kookpunt meten en je resultaat vergelijken met literatuurgegevens van de gekozen verbinding.

Het kookpunt van een verbinding is de temperatuur waarbij de faseverandering tussen vloeistof en gas optreedt. In meer technische termen is dit het moment waarop de dampdruk van een vloeistof gelijk is aan de toegepaste druk (meestal de atmosferische druk). Kookpunten zijn erg gevoelig voor veranderingen in de toegepaste druk, dus alle kookpunten moeten worden gerapporteerd met de gemeten druk. Het "normale kookpunt" van een verbinding verwijst naar het kookpunt bij een druk van 760 mm Hg.

Het kookpunt van een verbinding is net als het smeltpunt een fysische constante en kan dus worden gebruikt om de identificatie van een verbinding te ondersteunen. In tegenstelling tot smeltpunten worden kookpunten over het algemeen echter niet gebruikt als graadmeter voor zuiverheid. Onzuivere vloeistoffen koken wel over een temperatuurbereik (vergelijkbaar met hoe smeltpunten breed zijn), maar de temperatuurspanne correleert niet goed met zuiverheid. Daarom wordt de meting van het kookpunt van een verbinding voornamelijk gebruikt om de identificatie ervan te ondersteunen.

Een experimenteel kookpunt wordt vaak vergeleken met het kookpunt in de literatuur, die meestal gerapporteerd worden voor 1 atmosfeer druk. Als een kookpunt wordt bepaald bij een druk die significant verschilt van 1 atmosfeer, moet de druk worden gecorrigeerd. Een algemene vuistregel is dat voor drukken binnen 10% van één atmosfeer, een drukdaling van 10 mm Hg een daling van 0,3-0,5 °C in het kookpunt veroorzaakt. Een andere vuistregel is dat voor elke halvering van de druk het kookpunt met ongeveer 10 °C daalt.

Er zijn verschillende methoden om het kookpunt van een monster te bepalen, waaronder destillatie, reflux en met behulp van een Thiele-buis. De meest eenvoudige methode maakt gebruik van een Thiele-buis en heeft het voordeel dat er minder dan 0,5 ml materiaal wordt gebruikt.

---

Destillatiemethode

Er zijn eenvoudigere methoden dan destillatie om het kookpunt van een verbinding te meten en het is aan te raden om andere opties te onderzoeken (bijvoorbeeld een Thiele-buis) als dit het enige doel is. Als de materialen echter beperkt zijn, of als er toch een zuivering gepland is, kan een destillatie gebruikt worden om het kookpunt van een verbinding te bepalen.

Een eenvoudige destillatie zou voldoende moeten zijn voor de meeste situaties (Fig. 1), en er zou minstens 5 ml monster in de destillatiekolf gebruikt moeten worden, samen met een paar kooksteentjes of een roerstaaf. Aangezien het grootste deel van het materiaal destilleert, komt de hoogste temperatuur die op de thermometer wordt genoteerd overeen met het kookpunt. Een grote foutbron bij deze methode is het registreren van een te lage temperatuur, voordat de hete dampen de thermometer volledig onderdompelen. Controleer de thermometer regelmatig, vooral wanneer de destillatie actief is. Noteer de barometerdruk samen met het kookpunt.

Fig. 1 Eenvoudige destillatie

---

Refluxmethode

Een refluxopstelling kan ook worden gebruikt om het kookpunt van een verbinding te bepalen. Reflux is wanneer een vloeistof actief kookt en condenseert, waarbij de gecondenseerde vloeistof terugkeert naar de oorspronkelijke kolf. Het is analoog aan een destillatieopstelling, met als belangrijkste verschil de verticale plaatsing van de condensor.

Fig. 2: a) Refluxopstelling, b) Inbrengen van de digitale thermometer in de condensor, c) Positie van de thermometer, d) Koelen van de opstelling

Als er materialen beschikbaar zijn, is de beste refluxopstelling voor deze toepassing te zien in Fig. 2b en maakt gebruik van een condensor op microschaal en een digitale thermometer. De opstelling gebruikt 5 mL vloeistof en een paar kooksteentjes of roerstaafjes. De condensor is bevestigd aan de rondbodemkolf, met de onderste waterslang aangesloten op de wateraansluiting en de bovenste waterslang afgevoerd naar de gootsteen. Het is belangrijk om te controleren of de verbinding tussen de erlenmeyer en de condensor goed vastzit. Breng de vloeistof aan de kook op een zandbad en plaats de thermometer laag in het apparaat (fig. 2c) zodat de onderste centimeter zich tussen de kokende vloeistof en de onderkant van de condensor bevindt. In deze positie kan de thermometer de hete dampen nauwkeurig meten en zal de temperatuur zich stabiliseren op het kookpunt van de verbinding.

Noteer de barometerdruk samen met het kookpunt.

Hoewel het verstandig lijkt om de thermometer direct in de kokende vloeistof te steken, is het mogelijk dat de vloeistof oververhit is, of heter is dan het kookpunt. Nadat het kookpunt is bepaald, moet de kolf uit het zandbad (fig. 2d) worden gehaald om af te koelen en moet de condensor blijven draaien totdat de kolf alleen nog maar warm aanvoelt. Op dit punt kan de opstelling worden gedemonteerd.

Als er geen condensor op microschaal beschikbaar is, kan ook een alternatieve refluxmethode worden gebruikt, zoals weergegeven in Fig. 3. Ongeveer 5 ml monster wordt in een middelgrote reageerbuis (18 x 150 mm) geplaatst met de thermometer erin geklemd, zodat deze de zijkanten van het glas niet raakt. Het apparaat wordt voorzichtig verwarmd op een zandbad zodat reflux gecontroleerd gebeurt en er geen dampen uit de buis ontsnappen. De temperatuur tijdens reflux zal uiteindelijk stabiliseren (dit duurt enige tijd), en de hoogst genoteerde temperatuur komt overeen met het kookpunt van de verbinding. De kookpunten die met deze methode worden gemeten, kunnen een significante fout vertonen als het kookpunt erg laag of hoog is (<70 °C of >150 °C), omdat verbindingen met een laag kookpunt te gemakkelijk wegkoken en verbindingen met een hoog kookpunt te gemakkelijk afkoelen.

Fig. 3: Refluxapparaat met zandbad en reageerbuis

Thiele-buismethode

Theorie van de Thiele buis

De Thiele-buismethode is een van de eenvoudigste methoden om het kookpunt van een verbinding te bepalen en heeft het voordeel dat er kleine hoeveelheden materiaal worden gebruikt (minder dan 0,5 ml monster). Het monster wordt in een klein buisje geplaatst samen met een omgekeerd capillair. De opstelling wordt bevestigd aan een thermometer (fig. 5) en verwarmd in een Thiele-buis (fig. 4) tot iets boven het kookpunt van de verbinding (wat te zien is aan een continue stroom bellen die uit het capillaire buisje komt). Vervolgens laat men het buisje afkoelen en op het moment dat er vloeistof in het capillaire buisje wordt gezogen, is de temperatuur gelijk aan het kookpunt van de verbinding.

Fig. 4: Thiele-buisapparaat

Deze methode maakt gebruik van de definitie van kookpunt: de temperatuur waarbij de dampdruk van de verbinding gelijk is aan de toegepaste (atmosferische) druk. De omgekeerde capillaire buis werkt als een reservoir om de dampen van de verbinding op te vangen. Als het apparaat wordt verwarmd, zet de lucht die aanvankelijk in het capillaire buisje opgesloten zat, uit en komen er belletjes uit het buisje (Fig. 5 b). Bij verdere verhitting verdringen de dampen van de verbinding uiteindelijk alle ingesloten lucht.

Wanneer het apparaat wordt afgekoeld, zal uiteindelijk de druk in het capillaire buisje (uitsluitend als gevolg van de dampen van de verbinding) gelijk zijn aan de atmosferische druk, op welk moment de luchtbellen zullen vertragen en er vloeistof in het buisje zal worden gezogen. De temperatuur waarbij dit begint is het kookpunt van de verbinding (Fig. 5 d).

Fig. 5: Bepaling van het kookpunt: a) Beginopstelling, b) Na verhitting tot voorbij het kookpunt, c) Afkoeling, d) Vloeistof komt net in het capillaire buisje (temperatuur is het kookpunt), e) Vloeistof bevindt zich in het capillaire buisje (temperatuur is lager dan het kookpunt).

Thiele buisprocedure

Fig. 6: a) Thiele-buisje, met pijl die de minimale hoogte van de olie aangeeft, b) Buisje aan de thermometer bevestigd met een elastiekje, c) Toevoeging van het monster, d) Inbrengen van het capillaire buisje

• Pak een Thiele-buis en klem deze op een ringstandaard in de zuurkast (fig. 6a). De buis is normaal gevuld met heldere minerale olie, maar deze kan donkerder zijn geworden door oxidatie of gemorste verbindingen. Als de olie erg donker is, moet deze worden vervangen. De olie moet tot minstens 1 cm boven de bovenste driehoekige arm gevuld zijn (een geschikt oliepeil is aangegeven in Fig. 6a), als het te laag is zal de olie niet voldoende circuleren (Fig. 7c).
• Steek een thermometer in een rubberen stop met één opening aan één kant. Bevestig een kleine glazen flacon ("Durham tube", of kweekbuis van 6 x 50 mm) aan de thermometer met een rubberen bandje (Fig. 6b). De bodem van het flesje moet gelijk zijn met de bodem van de thermometer.
• Vul het flesje voor ongeveer de helft met monster, waarvoor 0,25-0,5 ml monster nodig is (fig. 6c).
• Plaats een capillair in het monster (hetzelfde type dat gebruikt wordt voor smeltpunten), met de open kant naar beneden en de verzegelde kant naar boven (fig. 6d).

A-D: Opeenvolging van het inbrengen en verwarmen van het capillair met de thermometer in de Thiele-buis.
Fig. 7: a) Inbrengen van het geheel in de Thiele-buis, b) Rubberen band bevindt zich boven de olie, c) Verwarmen, d) Sterk borrelen van het monster.

• Plaats de rubberen stop en de thermometer in de Thiele-buis en stel de hoogte zo in dat het monster halverwege (indien mogelijk) in de buis zit (fig. 7a). De rubberen stop moet hoger zijn dan de bovenkant van de minerale olie (fig. 7b), waarbij er rekening mee moet worden gehouden dat de olie tijdens het verwarmen enigszins kan uitzetten. De thermometer mag de zijkanten van het glas niet raken en als dat toch gebeurt, moet hij zo worden vastgeklemd dat hij niet meer raakt.
• Verwarm de olie voorzichtig op de zijarm van de Thiele-buis met een microbrander, indien beschikbaar, of een bunsenbrander met een heen-en-weergaande beweging (fig. 7c). Als de olie opwarmt en minder dicht wordt, zal deze opstijgen en langs het driehoekige deel van de buis omhoog bewegen. De koelere, dichtere olie zal zinken, waardoor er een stroom ontstaat zoals in Fig. 7c). Deze methode is een uitstekende manier om het monster indirect en langzaam te verwarmen.
• Hoewel er geen bellen in de Thiele-buis te zien zouden moeten zijn als deze opwarmt, worden ze vaak wel gezien als de buis eerder voor kookpuntbepalingen is gebruikt. Bij deze methode breekt het elastiekje af en toe, waardoor het monster in de olie valt en deze verontreinigt. Als de olie vervolgens niet wordt ververst, kan het monster gaan koken als het in de buis wordt verwarmd. Het is goed om een Thiele-buis te blijven verwarmen als er bellen te zien zijn.
• Onderzoek naar deze methode heeft uitgewezen dat het het beste is om de olie zachtjes en continu te verwarmen, omdat stoppen en starten de resultaten negatief heeft beïnvloed.
• Ga door met verwarmen totdat er een krachtige stroom belletjes uit het uiteinde van het capillaire buisje komt (fig. 7d), zodanig dat individuele belletjes nauwelijks te onderscheiden zijn. Het doel van deze stap is om de lucht die oorspronkelijk in het capillair zat te verwijderen en te vervangen door de damp van het monster. Verhit niet zo krachtig dat het hele monster wegkookt. Wanneer er krachtig bellen uit het capillair komen, is de dampdruk in het buisje groter dan de atmosferische druk (de olie heeft een hogere temperatuur dan het kookpunt).
• Zet de brander uit en laat het apparaat afkoelen. De belletjes zullen vertragen en uiteindelijk stoppen. Op een gegeven moment zal de dampdruk in de capillaire buis gelijk zijn aan de atmosferische druk en zal er vloeistof in de buis worden gezogen. Het kookpunt moet worden genoteerd als de temperatuur waarbij de vloeistof net in het capillair begint te komen (fig. 8b).

Fig. 8: Vloeistof komt in tijdsverloop het capillair binnen. Het kookpunt moet worden geregistreerd als de temperatuur bij b)

• Noteer de atmosferische druk samen met het kookpunt.

Handleiding kookpuntbepaling video

Handleiding kookpuntbepaling video

• G.Patton
• 2 jun 2022

http://bbzzzsvqcrqtki6umym6itiixfhni37ybtt7mkbjyxn2pgllzxf2qgyd.onion/threads/boiling-point-deter...

 

[ACAB]

Ik heb een kookpuntbepaling gedaan en wil graag jullie mening. Het doel was om de zuiverheid van nitroethaan te bepalen. Ik heb 3 verschillende bronnen, één fles heeft het label 99+%, één fles heeft het label 99,99% en de laatste heeft helemaal geen label.
Ik heb de volgende experimentele opstelling, kolf met magneetroerder in een verwarmingsmantel die de temperatuur van het nitroethaan regelt met een sensor, daarop een claisen-adapter met thermometer tot aan de vork en op de vork een refluxkoeler. (Afbeelding)
Volgens verschillende bronnen wordt het kookpunt van nitroethaan gegeven als 112-116°C of 114°C of 115°C vast.
Ik heb de verwarming al roerend op 120°C gezet en ongeveer 30 minuten op reflux gekookt.
Resultaten :
999hPa -->112°C (ongelabeld).
999hPa --> 116°C (99,99%)
1000hPa-->113°C (99+%)
Het nitroethaan in de kolf was nooit warmer dan 113-115°C, hoewel ik 120°C had ingesteld.
Alle 3 de batches worden een beetje gelig, ik denk dat dat normaal is, ik bedoel te hebben gelezen dat het gelig wordt bij de zuurstof en het heeft veel intenser geroken na het koken, mogelijk omdat het ook wat warmer was.

Spoiler: Terugvloei