Twee flesjes zonder etiket: butaan-1-ol of di-ethylether?
Op het lab staan twee flesjes zonder etiket, A en B. Het voorraadboek zegt dat het butaan-1-ol en di-ethylether zijn. Beide stoffen hebben een molecuulmassa van 74 g mol⁻¹, zijn kleurloos, lossen matig op in water (ongeveer 70 g per liter) en zijn brandbaar. Verder is bekend: butaan-1-ol kookt bij 117,7 °C en heeft een dichtheid van 0,810 g mL⁻¹; di-ethylether kookt bij 34,6 °C en heeft een dichtheid van 0,713 g mL⁻¹. Een leerling wil de flesjes identificeren zonder te ruiken. Hij heeft de beschikking over water, een brander, een capillair voor kookpuntsbepaling, natriummetaal en aangezuurd kaliumpermanganaat. Hij wil stof A gaan gebruiken als extractiemiddel voor een waterige oplossing en heeft daarvoor 150 mL nodig; hij werkt op een open labtafel bij 20 °C. Zijn begeleider wijst erop dat de keuze tussen A en B hier veiligheidstechnisch veel uitmaakt en vraagt hem eerst de identiteit vast te stellen en pas daarna de extractie te plannen.
1. Leg uit waarom butaan-1-ol en di-ethylether bij gelijke molecuulmassa zo'n groot verschil in kookpunt hebben. Betrek de soorten intermoleculaire krachten in je antwoord.
Read the worked answer
Beide stoffen hebben M = 74 g mol⁻¹, dus het aantal elektronen en daarmee de dispersiekrachten zijn van dezelfde orde van grootte. Het verschil zit in de waterstofbruggen. Butaan-1-ol heeft een O–H-groep en kan waterstofbruggen vormen, als donor én als acceptor; zo'n brug is ongeveer 20 kJ mol⁻¹ sterker dan een dipool-dipoolinteractie. Di-ethylether heeft geen O–H en dus geen mogelijkheid om waterstofbruggen te vormen; hij heeft alleen een zwakke dipool (C–O–C) en dispersiekrachten. Bij het koken moeten de moleculen uit elkaar worden getrokken. Bij butaan-1-ol moeten daarbij de waterstofbruggen worden verbroken, bij di-ethylether alleen de veel zwakkere dipool- en dispersiekrachten. Daarom kookt butaan-1-ol bij 117,7 °C en di-ethylether al bij 34,6 °C. De gelijke molecuulmassa is dus geen argument dat de kookpunten gelijk zouden moeten zijn.
2. Beschrijf een chemische test waarmee de leerling A en B kan onderscheiden. Geef de reactievergelijking, de waarneming en de verklaring op microniveau.
Read the worked answer
Gebruik natriummetaal. Alleen butaan-1-ol heeft een O–H-groep waarvan het H-atoom door natrium kan worden weggenomen: 2 C4H9OH + 2 Na → 2 C4H9ONa + H2 Bij butaan-1-ol ontstaan dus gasbelletjes (waterstof, dat met een plopje ontbrandt); bij di-ethylether gebeurt niets, want daar is geen zure O–H aanwezig. Alternatief: aangezuurd kaliumpermanganaat. Butaan-1-ol wordt geoxideerd (eerst tot butanal, daarna tot butaanzuur) en de paarse kleur verdwijnt; di-ethylether reageert onder deze milde omstandigheden niet, omdat een ethergroep niet makkelijk oxideerbaar is. Kookpunt bepalen kan in principe ook (34,6 of 117,7 °C), maar met een capillair op een open tafel is dat met de vluchtige, zeer brandbare ether geen verstandige eerste keuze.
3. Stel dat A de stof met kookpunt 34,6 °C is. Welke stof kan de leerling het beste voor de extractie van 150 mL gebruiken en welke veiligheidsmaatregel is dan bepalend? Betrek ook de oplosbaarheid in water in je afweging.
Read the worked answer
A is dan di-ethylether; B is butaan-1-ol. Voor 150 mL extractie op een open tafel is butaan-1-ol de veilige keuze: di-ethylether heeft bij 20 °C een dampspanning van ongeveer 59 kPa en een vlampunt van −45 °C, zodat zich boven de tafel een brandbaar dampmengsel vormt dat zwaarder is dan lucht en richting een eventuele vlam kan stromen. Butaan-1-ol heeft een vlampunt van 35 °C en levert bij 20 °C veel minder damp. De keerzijde: butaan-1-ol lost beter op in water (ongeveer 73 g L⁻¹) dan di-ethylether (ongeveer 69 g L⁻¹). Het verschil is klein, maar voor een extractie is een lagere oplosbaarheid in water gunstig, dus op zuiver scheikundige gronden is ether beter. Wil je toch ether gebruiken, dan alleen in een zuurkast, zonder ontstekingsbronnen en met aarding. De dichtheid helpt niet om te kiezen: beide vloeistoffen zijn lichter dan water (0,713 en 0,810 g mL⁻¹), dus in beide gevallen komt de organische laag boven.