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Refraktometrische Bestimmung von Alkohol und Zucker mit dem Jelly-Refraktometer

Facharbeit (Schule) 1999 15 Seiten

Chemie - Allgemeines

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Über die Bestimmung von Alkoholen und Zuckern
1.1 Das Jelly-Refraktometer
1.2 Das Arbeiten mit dem Refraktometer
1.3 Darstellung des Meßprinzips
1.4 Die Molrefraktion
1.5 Auswahl der untersuchten Stoffe
1.6 Die Herstellung der einzelnen Lösungen

2. Die Ergebnisse der Zucker- und Alkohol-Lösungen
2.1 Saccharose
2.2 D-Glucose (Traubenzucker)
2.3 D-Fructose (Fruchtzucker)
2.4 Ethanol

3. Auswertung der Ergebnisse
3.1 Auswertung von Zucker- und Alkohol-Lösung
3.2 Fehlerberechnung

4. Anhang
4.1 Verzeichnis der verwendeten Literatur
4.2 Erklärung

Refraktometrische Bestimmung von Alkohol und Zucker mit dem Jelly-Refraktometer

Versuchsreihen mit Zucker- und Alkohollösungen verschiedener Konzentrationen. Darstellung des Meßprinzips. Beschreibung möglicher Erweiterungen, etwa durch Bestimmung von Mol-Refraktionen.

Verfasser: Eike Hylla

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Über die Bestimmung von Alkoholen und Zuckern

1.1 Das Jelly-Refraktometer

Abb. 1

Diese Abbildung zeigt das Hand-Refraktometer, welches mir von der Schule zur Verfügung gestellt wurde. Es trägt die Bezeichnung N1 und wurde hergestellt von der Firma ATAGO. Es folgen die Benennungen der numerierten Geräteteile:

1. Das Meßprisma
2. Prismaklappe mit eingebautem (hier nicht sichtbarem) Thermometer
3. Justierschraube
4. Okular
5. Einstell-Ring des Okulars (zum Anpassen an das Auge)

1.2 Das Arbeiten mit dem Refraktometer

a) Zur Meßgenauigkeit

Ich hatte das Glück, da das Refraktometer ein sehr kleines Meßinstrument ist, es mit nach Hause nehmen zu können. Die Zucker- und Alkohol-Lösungen habe ich in der Schule angefertigt und dann mitgenommen.

Zu Hause konnte ich die eigentlichen Versuchsreihen in Ruhe durchführen und mich darauf konzentrieren, dass die Umstände, die die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen, möglichst gering blieben Ein sehr wichtiger Faktor ist hierbei die Temperatur, bei der die Messungen durchgeführt werden. Hierfür ist extra ein Thermometer in die Prismaklappe (siehe 1.1 Das Jelly- Refraktometer) eingelassen. Beträgt die Umgebungstemperatur 20°C, können die abgelesenen Werte so übernommen werden. Ist die Temperatur deutlich über 20°C, so muß auf den abgelesenen Wert ein bestimmter Betrag addiert werden, um das wirkliche Ergebnis zu erhalten. Ist die Temperatur unter 20°C, ist es genau umgekehrt. Um möglichst genaue Resultate zu bekommen, habe ich versucht eine konstante Umgebungstemperatur von 20°C in meinem Zimmer zu halten. Nach ca. zwei bis drei untersuchten Einzelproben, war die Temperatur des Refraktometers jedoch schon wieder angestiegen, was an der Wärme meiner Hand lag. Um Abhilfe zu schaffen kühlte ich das Refraktometer mit Eis immer wieder ab. Außerdem darf sich kein Schmutz oder gar Reste letzter Messungen auf dem Prisma des Refraktometers befinden.

b) Die Eigentliche Messung

Abb. 2

Die Eigentliche Messung des Brechungsindexes mit dem Refraktometer ist relativ einfach: Man verteilt einen Tropfen Zucker-Lösung mit Hilfe einer Pipette auf dem Meßprisma. Nun schließt man die Prismaklappe langsam, so dass sich eine Luftblasen-freie Lösungsschicht zwischen der Prismaklappe und dem Prisma selbst befindet. Jetzt wartet man noch ca. 0,5 min., damit sich ein eventueller Temperaturunterschied ausgleicht. Als nächstes hält man sich das Okular des Refraktometers an das Auge und dreht so lang an dem Stellring, bis man die Skala in der Mitte genau sehen kann (dieser Vorgang braucht, solange keine anderen Personen durch das Refraktometer schauen wollen, nicht wiederholt werden, es dient lediglich zur Schärfe-Einstellung). Hält man das Instrument ins Licht und schaut hindurch, erhält man einen ähnlichen Anblick, wie hier (Abb. 2).[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Erst wenn sich eine Zucker- oder andere Lösung auf dem Prisma befindet, zeigt sich ein Bild wie hier, ansonsten ist die ganze Fläche blau gefärbt. Nun braucht nur noch der Wert auf der Skala an der Stelle abgelesen zu werden, wo sich der Übergang von weiß nach blau befindet.

Ich habe jede Lösung immer drei mal gemessen, und dann den durchschnittlichen Brechungsindex ermittelt.

1.3 Darstellung des Meßprinzips

Das Jelly-Refraktometer ist ein optisches Instrument, mit dem man den Brechungsindex (kurz:: Brix) des Lichtes bestimmen kann, wenn es von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium gelangt. Das optisch dünnere Medium ist hierbei die Luft, die nahezu den gleichen Brechungsindex besitzt, wie der luftleere Raum.

Ist _ der Einfallswinkel des Lichtes und _ der Brechungswinkel, um den das Licht abgelenkt wird, gilt folgende Gesetzmäßigkeit:

n = sin _ / sin _

n gibt dann den Brechungsindex an. Geht man bei dem Jelly-Refraktometer von einem LichtEinfallswinkel von 90° aus, vereinfacht sich der Term, denn es gilt: sin 90° = 1. Man erhält dann: n = 1 / sin _. Der Brechungsindex ist nun nur noch definiert als der Kehrwert des Sinus vom Brechungswinkel.

Der Brechungsindex steigt mit der Konzentration einer Flüssigkeit. Man kann also anhand des Brechungsindexes auf die Konzentration schließen.

1.4 Die Molrefraktion

Der Brechungsindex ist abhängig von dem Aggregatzustand eines Stoffes. Außerdem ändert sich der Brechungsindex, sind Temperatur oder Druck unterschiedlich. Selbiges gilt bekanntlich auch für die Dichte eines Stoffes. 1880 kamen Lorentz und Lorenz auf eine Formel, die die Beziehung zwischen Brechungsindex und Dichte in Unabhängigkeit von Aggregatzustand, Temperatur und Dichte beinhaltet. Sie lautet folgendermaßen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mr := Molrefraktion

n := experimentell bestimmter Brechungsindex

M := Molare Masse

d := Dichte

,,Die Molrefraktion gibt ungefähr den Raum in cm 3 an, den die Mol. von 1 Mol des betreffenden Stoffes tatsächlich ausfüllen. Dieser Betrag ist für einen gegebenen Stoff charakteristisch u. weitgehend unabhängig vom Aggregatzustand. [...]

Die Molrefraktion ist für Fl. eine wertvolle, charakterist. Kennziffer. Es hat sich auch gezeigt, da ß die Molrefraktion eine sog. additive Eig. darstellt; d.h. man braucht hier nur die für die Atome (Atomrefraktionen) u. Bindungen errechneten Refraktionswerte zu addieren, um die Molrefraktion zu erhalten."

Quelle: siehe 4.1 Anhang

1.5 Auswahl der untersuchten Stoffe

Das Jelly-Refraktometer wird hauptsächlich im Bereich des Weinanbaues benutzt. Hier wird anhand des Brechungsindexes auf den Zuckergehalt des Mostes geschlossen. Geht man von optimaler Gärung aus, kann der spätere Alkoholgehalt vorherbestimmt werden. Da die Trauben, aus denen der Most gewonnen wird, hauptsächlich die beiden Zuckersorten Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker) beinhalten, schien es interessant, gerade diese Sorten getrennt auf ihre Brechungsindizes zu untersuchen. Da der Alkohol, der durch den Gärungsprozess aus dem Most hervorgeht, Ethanol ist, schien dieser Alkohol ebenfalls wichtig, untersucht zu werden. Eventuell würde sich ein Zusammenhang zwischen den Meßergebnissen der Zucker und der Alkohole feststellen.

Der Haushaltszucker Saccharose wurde lediglich als zusätzlicher Vergleichsstoff angenommen.

1.6 Die Herstellung der einzelnen Lösungen

Um eine 1-molare Lösung von einem Stoff in Wasser zu erhalten, geht man wie folgt vor [Hier als Beispiel anhand der Schwefelsäure (H2SO4)]:

Als erstes bildet man die Summe der einzelnen relativen Atommassen des Stoffes. Die einzelnen relativen Atommassen lauten: H = 1, S = 32, O = 16. Die Summe der einzelnen relativen Atommassen der Einzelelemente beträgt bei Schwefelsäure also 98. Genau soviel Gramm wiegt ein Mol der Schwefelsäure.

Eine 1-molare Lösung bedeutet, dass genau ein Mol eines Stoffes in einem Liter Wasser gelöst ist. Um eine 1-Molare Lösung von Schwefelsäure zu erhalten, müssen daher 98g Schwefelsäure in einen Liter Wasser gegeben werden.

So habe ich die einzelnen Zuckermengen errechnet, die ich in 10ml Wasser lösen muß, um die gewünschten Konzentrationen zu erhalten. Mit einer digitalen Waage, die auf 1/1000g geeicht ist, wurden die Zuckermengen abgewogen, die aber auf 1/100g gerundet wurden. Mit einer Vollpipette konnte ich genau 10ml destilliertes Wasser dazugeben. Mit einer Vielzahl kleiner Glasfläschchen war es möglich, die Lösungen mit nach Hause zu nehmen.

Atommassen für die Zucker und den Alkohol: H = 1, O = 16, C = 12

M(C12H22O11) = 342 g/mol; M(C6H12O6H2O) = 199 g/mol; M(C6H12O6) = 180 g/mol; M(C2H5OH) = 0,46 g/mol

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Die Ergebnisse der Zucker- und Alkohol-Lösungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Auswertung der Ergebnisse

3.1 Auswertung von Zucker- und Alkohol-Lösung

Wenn man sich alle Diagramme anschaut, kann man erkennen, dass die Graphen aller Lösungsarten fast linear (siehe jeweils die blaue Trendlinie) verlaufen. Lediglich die Werte der Alkohol-Lösung weichen stärker von der Trendlinie ab. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass es schwer war, die Lösungen genau zu erstellen. Mit den Pipetten, die ich verwendete, war es nicht ganz einfach, die Alkoholvolumina genau abzumessen. Die einzelnen Meßergebnisse sind aber beim Alkohol eindeutiger (siehe 2.4 Tabelle I, II & III), häufig tauchen hier dreimal die gleichen Werte auf, so dass es nicht nötig war einen Durchschnitt zu errechnen.

Weiter fällt auf, dass der Graph der D-Glucose fast genau so verläuft, wie der der D-Fructose. Der Graph der Saccharose hingegen verläuft sehr viel steiler und beginnt auch bei der 0,1- molaren Lösung mit einem deutlich größeren Brechungsindex, als bei der Glucose und der Fructose. Der Graph der Alkohol-Lösung steigt ebenfalls linear, ist jedoch wesentlich flacher (Vorsicht! Andere Skalierung der y-Achse, als bei den Zuckern!) Ordnet man die Meßergebnisse nach der Steigung ihrer Graphen, erhält man folgende Reihenfolge, wenn man von klein nach groß sortiert:

Ethanol < Glucose = Fructose < Saccharose.

Betrachtet man die molaren Massen der einzelnen Versuchsstoffe, fällt auf, dass, wenn man sie ebenfalls von klein nach groß sortiert, die gleiche Stoffreihenfolge auftritt: M (Ethanol) = 46g

M (Fructose) = 180g M (Glucose) = 198g M (Saccharose) = 342g

Die Glucose hat gegenüber der Fructose nur eine größere molare Masse, weil sie zusätzlich noch H2O enthält.

Man kann also aus den Ergebnissen folgern, dass je größer die molare Masse ist, desto größer auch der Brechungsindex wird. Es ist daher nicht die Konzentration das wichtigste, sondern die Masse eines Stoffes, die im Wasser gelöst ist.

3.2 Fehlerberechnung

- Die Durchschnittliche Abweichung (D.A.) ist der Schnittwert aller Beträge der Differenzen zwischen Trendlinie und erhaltenem Meßwert.

- Die Maximale Abweichung (M.A.) ist der Betrag, an dem die Differenz zwischen Trendlinie und erhaltenem Meßwert am größten ist.

a) Saccharose:

Linear (Saccharose) lautet: f(x) = 2,407 x + 2,1113

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

b) D-Glucose:

Linear (D-Glucose) lautet: f(x) = 1,4561 x + 0,5547

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

c) D-Fructose:

Linear (D-Fructose) lautet: f(x) = 1,4511 x + 0,95

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

d) Ethanol:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Geradengleichung der Trendlinie aus den Diagrammen wurde von dem Programm EXCEL selbst errechnet und auch mit in die Darstellung übernommen (rechts oben bei den einzelnen Diagrammen)

4. Anhang

4.1 Verzeichnis der verwendeten Literatur

1. dtv-Atlas zur Chemie, Band 1 und Band 2. 1. Auflage Oktober 1981, Deutscher Taschenbuchverlag, München
2. Gebrauchsanleitung des Handrefraktometers. Leo Kübler GmbH.
3. Römps Chemisches Wörterbuch. Dipl.-Chem. Dr. E. Ühlein, Franck'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1969
4. Abb. 1 Eingescannt von Eike Hylla
5. Abb. 2 aus dem Internet. Adresse: http://www.msdnet.de/micon/2605.htm
6. Zitat im Abschnitt 1.4 Die Molrefraktion aus: siehe Punkt 3. (S.747)

4.2 Erklärung

Ich versichere hiermit, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und die Stellen der Facharbeit, die im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt aus anderen Werken entnommen wurden, mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe.

Verwendete Informationen aus dem Internet sind der Fachlehrerin/ dem Fachlehrer vollständig im Ausdruck zur Verfügung gestellt worden.

Ich bin damit einverstanden, dass diese von mir geschriebene Facharbeit für schulische und andere Zwecke an Dritte weitergegeben wird.

Westerstede, den 25.03.1999 Unterschrift:

[...]

Details

Seiten
15
Jahr
1999
Dateigröße
537 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v96176
Note
Schlagworte
Refraktometrische Bestimmung Alkohol Zucker Jelly-Refraktometer Leistungskurs Chemie Jahrgang Europaschule Gymnasium Westerstede

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