5 Molekülbau und Stoffeigenschaften · 2017-06-13 · 5 Molekülbau und Stoffeigenschaften 4 Elemente Chemie Arbeitsbuch 2 | Rheinland-Pfalz Es soll noch erwähnt werden, dass es

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5 Molekülbau und Stoffeigenschaften

5.1 Sauber und schön

Zu den AufgabenA1 Die im Schweiß enthaltenen Salze müssen wasserlöslich sein. Somit können sie mit Wasser leicht von der Haut abgewaschen werden.

A2 Ethanol, Propan-1-ol oder Propan-2-ol eignen sich zum Entfernen von Fettflecken, zudem sind Tenside enthalten.

A3 Z. B. Aceton (Propanon), Isopropanol (Propan-2-ol) oder Waschbenzin.

A4 a) Unter Chemischer Reinigung versteht man die Reinigung von Textilien mit nichtwässrigen Lösungsmitteln.P: Reinigen mit Perchlorethylen (Tetrachlorethen)F: Reinigen mit Kohlenwasserstoff-Lösungsmittelb) Bei der Chemischen Reinigung quellen die Fasern nicht auf. Das Kleidungsstück behält dadurch seine Form.c) Kriterien:– Die Stoffe, die die Verschmutzung verursachen, sollen eine möglichst hohe Löslichkeit im

Lösungsmittel haben.– Das Lösungsmittel soll den zu reinigenden Gegenstand nicht verändern (z. B. sollen bei der

Chemischen Reinigung die Fasern nicht aufquellen oder in anderen Bereichen Oberflächen nicht angegriffen werden).

– Die Toxizität des Lösungsmittels soll möglichst gering sein. Aus diesem Grund wird z. B. Benzol heute nicht mehr bei der Chemischen Reinigung verwendet.

– Entzündliche Lösungsmittel bergen ein Unfallrisiko in sich.– (Preis)

A5 Die Lösungsmittel im Gesichtsreiniger lösen den Talg von der Haut. Dadurch kommt es gar nicht erst zur Verstopfung der Poren und der Bildung von Pickeln wird vorgebeugt.

A6 a) Wasser ist auch ein Lösungsmittel und deshalb ist der Lack eben nicht lösungsmittelfrei.b) längere Trockenzeit des Nagellackes wegen des weniger flüchtigen Lösungsmittels; je nach Produkt löst sich der Nagellack bei Kontakt mit Wasser vom Nagel.

A7 Bei der Enfleurage werden Blüten mit Fett bestrichen, die Blüten werden dabei mehrfach erneuert. Aus dem mit Blütenölen gesättigten Fett können die Öle mit Alkohol extrahiert werden. Als Extraktionsmittel dienen somit Fett und Alkohol.

A8 individuelle Lösung; hier eine Möglichkeit für eine Versuchsplanung:1. Man bereitet einen Porzellanteller mit verschiedenen Verschmutzungen vor: Salzverkrustung (Kochsalzlösung verdunsten lassen), Speiseöl, wasserlöslicher Filzstift, wasserfester Filzstift, Nagellack …2. Man gibt etwas Orangenöl auf die einzelnen Verschmutzungen und reibt mit einem Tuch.

Hinweis: Aufgrund der geringen Menge des in V1 extrahierten Orangenöls empfiehlt sich eine gemeinsame Versuchsplanung und anschließend eine arbeitsteilige Vorgehensweise bei der Versuchsdurchführung.

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2 Elemente Chemie Arbeitsbuch 2 | Rheinland-Pfalz

Zu den VersuchenV1 a) Individuelle Lösung b) Warmes Wasser kann nur Markierungen von wasserlöslichen Filzstiften entfernen. Für wasserunlösliche Filzstifte sind in der Regel Alkohole gut geeignet und unpolare aprotische Lösungsmittel wie Aceton oder Waschbenzin mäßig geeignet.

V2 Das konkrete Ergebnis ist abhängig vom getesteten Produkt. In der Regel sind Aceton, Isopropanol und Waschbenzin als Lösungsmittel gut geeignet. Ethanol ist mäßig und Wasser schlecht geeignet.

V3 Orangenöl aus OrangenschalenDas Destillat riecht nach Zitrusfrüchten. Extraktion mit Wasser; Filtration; Verdampfen des Wassers: Trennung aufgrund verschiedener Siedetemperaturen. Man erhält ca. 3 ml gelbes, aromatisch riechendes Filtrat. Nach dem Verduns-ten des Heptans bleiben einige Tropfen aromatisch riechenden Orangenöls im Becherglas zurück. Durch Abdecken mit Haushaltsfolie kann verhindert werden, dass auch das Orangenöl weitge-hend verdunstet.

5.2 Der räumliche Bau von Molekülen

Zu den AufgabenA1a) Bei der Drehung um eine C—C-Bindungsachse kommen sich die Wasserstoff-Atome sehr nahe, wenn sich alle C—H-Einfachbindungen – bei frontaler Sicht auf die C—C-Bindungsachse – direkt „hintereinander“ befinden. (Hinweis: Eine solche Anordnung der Atome bezeichnet man als ekliptische oder verdeckte Konformation.) Bei Verwendung eines Kalottenmodells (siehe z. B. Abbildungen im Schülerbuch, Kap. 5.15) „hakt“ es bei der ekliptischen Konformation. Sie ist energetisch ungünstiger als andere Anordnungen.b) Die ekliptische Konformation kann durch Drehung um 60° in eine Anordnung überführt werden, in der die Wasserstoff-Atome benachbarter Kohlen stoff-Atome den größtmöglichen Abstand voneinander haben; diese ist (energetisch) die günstigste. (Hinweis: Diese Anordnung der Atome bezeichnet man als gestaffelte Konformation.)

A2 Bei einer quadratischen Anordnung treten Winkel von 90 ° zwischen benachbarten und 180 ° zwischen gegenüberliegenden Elektronenpaaren auf. Demzufolge wirken auch unterschiedlich starke Abstoßungskräfte zwischen ihnen. Bei einer tetraedrischen Anordnung sind alle Elektro-nenpaare gleich weit voneinander entfernt. Die zwischen ihnen wirkenden Abstoßungskräfte sind gleich.

A3 CCl4: tetraedrisch H2S: gewinkelt

Cl C Cl

Cl

Cl

S

H

H C

H

H C H

H

H H

CH

HC

H

HCH C H

A4 B5 zeigt zwei Formeldarstellungen des Methan-Moleküls. Die eine ist die übliche Formel, die die Verknüpfung der Atome und die Art der Bindungen (hier Einfachbindungen) erkennen lässt, aber aus sich heraus die räumliche Anordnung der Atome nicht zeigt. Allerdings kann diese planare Anordnung durch geeignete Projektion des Tetraedermodells in die Ebene erhalten werden und geht insofern aus der tatsächlichen räumlichen Anordnung der Atome hervor.

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Die zweite Darstellung zeigt die tetraedrische Anordnung der Atome. Die beiden links dargestellten Wasserstoff-Atome liegen zusammen mit dem Kohlenstoff-Atom in der Papierebene, die Bindung zum Wasserstoff-Atom rechts unten soll man sich aus der Papierebene nach vorne herausragend vorstellen. Die Bindung zum noch verbleibenden Wasserstoff-Atom zeigt aus der Papierebene nach hinten hinaus. Dies wird durch die keilförmig gezeichneten Bindungen verdeutlicht. Der dickere Teil soll jeweils weiter vorne liegend gedacht werden.Diese Aufgabe gibt Gelegenheit, ein allgemeines Darstellungskonzept der Chemie zu thematisieren. Oftmals gibt es mehrere Möglichkeiten, ein Molekül darzustellen. Die Darstellungen unterschei-den sich meistens im Gehalt der gezeigten Information. Wenn man sich räumliche Verhältnisse in einem Molekül klarmachen möchte, sind planare Darstellungen wie die zuerst genannte Struktur-formel oft nicht anschaulich genug. Wenn jedoch für einen Darstellungszweck die räumliche Anordnung nicht im Vordergrund steht, kann man auch einfache Formeln verwenden. Manchmal genügt auch die Summenformel (hier CH4). Darstellungen und Modelle sollten dem jeweiligen Zweck angemessen sein.

5.3 Die polare Elektronenpaarbindung

Zu den AufgabenA1 Die Elektronegativität nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts zu. Die Atome einer Periode weisen die gleiche Anzahl von Schalen auf, die bindenden Elektronenpaare werden umso stärker angezogen, je größer die Protonenanzahl des Atomkerns ist.Die Elektronegativität nimmt innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten ab. Mit zuneh-mender Anzahl der Schalen werden die Anziehungskräfte zwischen dem Kern und den bindenden Elektronenpaaren schwächer.

A2

ðEN: 0,4 0,9 1,3 1,9 C—H N—H O—H F —H Steigende Polarität der Bindung

A3

Cl Fd+ d–

C

H

H

H

Hd+

d+

d+

d+

d–

C O+ –

S

H

Hd+

d+

d–

N

H

H Hd+ d+

d+

d–

Cl Fd+ d–

C

H

H

H

Hd+

d+

d+

d+

d–

C O+ –

S

H

Hd+

d+

d–

N

H

H Hd+ d+

d+

d–Cl Fd+ d–

C

H

H

H

Hd+

d+

d+

d+

d–

C O+ –

S

H

Hd+

d+

d–

N

H

H Hd+ d+

d+

d–

Cl Fd+ d–

C

H

H

H

Hd+

d+

d+

d+

d–

C O+ –

S

H

Hd+

d+

d–

N

H

H Hd+ d+

d+

d–

Cl Fd+ d–

C

H

H

H

Hd+

d+

d+

d+

d–

C O+ –

S

H

Hd+

d+

d–

N

H

H Hd+ d+

d+

d–

CH4Methan

H2SSchwefelwasser-

stoff

COKohlenstoff- monooxid

ClFChlorflurid

NH3Ammoniak

Hinweise zur ElektronegativitätIm Schülerbuch werden – wie auch in den meisten Lehrbüchern – die Elektronegativitätswerte nach Pauling angegeben. Sie beruhen auf der Bestimmung der Bindungsenergie von hetero-nuklearen Molekülen. Pauling bestimmte z. B. die Bindungsenergie im HCl-Molekül und ver glich sie mit der eines hypothetischen unpolaren HCl-Moleküls, dessen Bindungsenergie er aus dem geometrischen Mittel der Bindungsenergien im H2- und Cl2-Molekül abschätzte.Aus der auftretenden Differenz schloss er auf elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den unterschiedlichen Atomen und bestimmte rechnerisch die Elektronegativitätsdifferenz als ein Maß für die Polarität der Bindung. Indem Lithium-Atomen der Wert 1 und Fluor-Atomen der Wert 4 zugewiesen wurde, entstand die bekannte Skala.

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Es soll noch erwähnt werden, dass es weitere Methoden zur Bestimmung der Elektronegativität gibt: Mulliken berechnete die Elektronegativitäten aus dem arithmetischen Mittel zwischen Elektronenaffinität und 1. Ionisierungsenergie. Allred und Rochow gingen bei ihrer Berechnung von folgender Vorstellung aus: Ein bindendes Elektron wird durch einen Kern gemäß dem Coulombschen Gesetz angezogen. Die Stärke der Anziehung wird von der effektiven Kernladung und dem kovalenten Atomradius bestimmt. (Die Problematik des Begriffes „kovalenter Atom-radius“ soll hier nicht weiter verfolgt werden.)Die verschiedenen Methoden führen zwar nicht zu übereinstimmenden, aber doch in vielen Fällen zu recht ähnlichen Ergebnissen.Im nachfolgenden Ausschnitt aus dem Periodensystem sind Elektronegativitäten nach Pauling, nach Mulliken und nach Allred-Rochow zusammengestellt.

H

Pauling 2,1

Mulliken 2,1

Allred-Rochow 2,20

Li Be B C N O F

Pauling 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Mulliken 0,94 1,46 2,01 2,63 3,08 3,17 3,91

Allred-Rochow 0,97 1,47 2,01 2,50 3,07 3,50 4,10

Na Mg Al Si P S Cl

Pauling 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0

Mulliken 0,93 1,32 1,81 2,03 2,39 2,41 3,00

Allred-Rochow 1,01 1,23 1,47 1,74 2,06 2,44 2,83

Anmerkungen zum Begriff des DipolsDie Frage, ob ein Molekül ein Dipol ist oder zumindest sein kann, lässt sich auf drei verschiedene Arten beantworten.

1. Man versucht, die Lage von Ladungsschwerpunkten zu ermitteln. In manchen Fällen mag man es als recht offensichtlich ansehen, dass die Ladungsschwerpunkte der positiven respektive der negativen Ladung nicht zusammenfallen. Problem hierbei ist, dass der Ladungsschwerpunkt sich nur schwer schülergemäß definieren lässt.

2. Man betrachtet (in einem mehratomigen Molekül) die einzelnen Bindungspolaritäten und fügt diese zu einer Gesamtpolarität zusammen. Zumindest wenn das Molekül nicht linear gebaut ist, läuft dies unumgänglich auf eine Vektoraddition hinaus, auch wenn man das Wort vermeidet. Es muss aber damit gerechnet werden, dass die Schüler/-innen mit Vektoren noch keine Bekannt-schaft gemacht haben. Beim CO2-Molekül könnte man nämlich auf folgende Weise argumentieren: Die linke C O-Bin-dung hat ein Dipolmoment, die rechte C O-Bindung das betragsmäßig gleich große. Beide kompensieren sich, weil sie entgegengerichtet sind. Man bemerkt leicht, dass hier von der Vektor-eigenschaft des Dipolmoments Gebrauch gemacht wird. Da beide Vektoren in der Molekül achse liegen, ist ihre gegenseitige Kompensation allerdings sogar für denjenigen plausibel, der sich mit Vektoren nicht auskennt. Schwieriger wird es, wenn die analoge Argumentation beim Methanmolekül vorgeführt wird. Man fasst zunächst die Dipolmomente von je zwei C—H-Bindungen zusammen und erhält zwei entgegengesetzt gleiche Summenvektoren, die sich kompensieren. Diese oft benutzte Argumen-tation verwendet, wie man sieht, eine „echte“ Vektoraddition, bei der Vektoren unterschiedlicher Richtung addiert werden müssen. Das ist ohne vorherige Behandlung von Vektoren kaum zu vermitteln.

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3. Man benutzt Symmetrieargumente. Wenn ein Molekül eine „genügend hohe“ Symmetrie be - sitzt, kann es gar kein Dipol sein, egal, ob einzelne Bindungen eine Polarität besitzen oder nicht. Das Kohlenstoffdioxid-Molekül kann kein Dipol sein, was völlig unabhängig davon gilt, ob und in welcher Richtung die CO-Bindungen polarisiert sind. Die Spiegelebene quer zur Molekülachse macht es offenbar unmöglich, dass in der Molekülachse (aufgrund etwaigen Dipolcharakters) eine Richtung vorkommt: Das gespiegelte Molekül muss in sich selbst übergehen, was nicht möglich wäre, wenn eine Richtung beim Spiegeln umgedreht würde. Daher kann das Molekül kein Dipol sein.

Auch hier gestaltet sich die Argumentation beim Methan-Molekül etwas schwieriger. Durch den etwaigen Dipolcharakter eines Moleküls würde eine räumliche Richtung festgelegt (z. B. vom negativen zum positiven Pol). Diese Richtung muss zunächst mindestens mit einer der Drehach-sen des Moleküls (C—H-Bindungen) zusammenfallen. (Denn bei einer Symmetrieoperation, hier Drehung, geht das Molekül in eine äquivalente Lage über.)

Wäre das Molekül als ganzes aber in Richtung einer Drehachse ein Dipol, so müsste es zugleich in Richtung der vier dreizähligen Achsen (die alle gleichwertig sind) ein Dipol sein, was ein Unding ist. Denn der Dipol (des ganzen Moleküls) kann nur eine Richtung haben, aber nicht vier verschie-dene.

Die Symmetrieargumentation mag auf den ersten Blick etwas diffizil wirken, sie hat aber den Vorteil, nicht wesentlich von unbekannten mathematischen Konzepten Gebrauch zu machen. Einfache Symmetriebetrachtungen sind ohne weitere Vorbereitung zugänglich. Man beachte auch, dass letztlich bei allen drei hier genannten Argumentationen die Symmetrie der Moleküle zugrunde gelegt wird.

Zu Linus PaulingFür eine weitere Beschäftigung mit Linus Pauling empfiehlt sich die Internetseite des Linus-Pauling-Institute der Oregon-State-University http://lpi.oregonstate.edu/lpbio/lpbio2.html sowie die Seite der Nobel-Foundation http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1962/pauling-bio.html (01.06.2013). Die deutsche Übersetzung des Buches „General Chemistry“ von F. Helfferich ist unter dem Titel „Chemie – eine Einführung“ 1956 im Verlag Chemie erschienen und diente vielen Chemiestudenten als erstes Chemielehrbuch.

5.4 Wasser – Molekülbau und Siedetemperatur

Zu den AufgabenA1 Lösung:

Fd-

Hd+. . . F. . . F. . . . . .d- d-

Hd+

Hd+

Hinweis: In festem Fluorwasserstoff liegen die Moleküle in Zickzack-Ketten-Form vor.

A2 a) Die HF-Bindung ist stärker polar als HO-Bindung. Dennoch ist die Siedetemperatur von Fluorwasserstoff geringer als die von Wasser, da jedes Molekül nur zwei (nicht vier) Wasserstoff-brücken zu anderen Molekülen ausbilden kann. Die intermolekularen Anziehungskräfte sind somit geringer.b) Schwefelwasserstoff-Moleküle weisen zwar wie Wasser-Moleküle einen gewinkelten Bau auf, jedoch ist die Elektronegativitätsdifferenz zwischen Schwefel-Atomen und Wasserstoff-Atomen nur gering. Daher bilden sich (vereinfacht) keine Wasserstoffbrücken aus, die intermolekularen Anziehungskräfte sind geringer und somit liegt die Siedetemperatur niedriger.

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A3 Siedetemperatur in °C

10

Elektronenanzahl pro Molekül

150

100

50

0

–50

–100

–150

–200

–25016 18 20 22 241412

5.6 Wasser als Lösungsmittel

Zu den AufgabenA1 Die Dipolmoleküle des Wassers lagern sich an der Oberfläche des Kochsalzkristalls an. Ihre negativ geladenen Enden wenden sie den Na+-Ionen, die positiv geladenen Enden den Cl–-Ionen zu. Ionen, die an den Ecken des Kristalls stehen, können besonders leicht abgelöst werden. Sie besitzen als direkte Nachbarn nur drei entgegengesetzt geladene Ionen. Auf sie wirken die geringsten Gitterkräfte ein.Die abgelösten Ionen werden vollständig von Wasser-Molekülen umgeben, die sich entsprechend der Ionenladung orientieren.

A2 Wasser-Moleküle sind Dipolmoleküle, an denen sich positive und negative Teilladungen befinden. In der Nähe eines positiven Ions orientieren sich Wasser-Moleküle so, dass die negative Teilladung zum Ion hin gerichtet ist. Bei dieser Anordnung ist die Anziehung zwischen dem positiven Ion und der negativen Teilladung größer als die Abstoßung zwischen dem positiven Ion und der positiven Teilladung des Wasser-Moleküls. In der Nähe eines negativen Ions orientieren sich die Wasser-Moleküle in umgekehrter Weise.

A3 Unter Hydratation versteht man den Vorgang, bei dem die aus dem Ionengitter heraus-gelösten Ionen mit Wasser-Molekülen umgeben werden. Dabei wird Energie frei. Hydratisierte Ionen werden mit dem Zusatz „aq“ gekennzeichnet, wenn man die Hydratisierung explizit zum Ausdruck bringen will.

A4 Die Formel CaCl2 · 6 H2O sagt aus, dass ein Salzhydrat vorliegt. Zu einer Elementargruppe CaCl2 gehören 6 Wasser-Moleküle. Die Wasser-Moleküle sind in das Kristallgitter eingebaut. Es handelt sich um einen Feststoff.

AnmerkungDie Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen des „molekularen Stoffes“ (z. B. Zucker) und Wasser-Molekülen ist der Grund für das Lösen. Wegen der fehlenden Kenntnis der Struktur der Moleküle kann hier noch nicht näher darauf eingegangen werden. Daher wird dieses Phänomen auch nur kurz erwähnt. Im Unterricht kann aber diskutiert werden, welche Eigenschaft die Moleküle besitzen müssen, damit Wasser-Moleküle über Wasserstoffbrücken mit diesen Molekülen wechselwirken können.

Die Siedetemperatur steigt allgemein mit wachsender Anzahl der Elektronen pro Molekül. Wasser bildet aufgrund der geringen Anzahl an Elektronen und der hohen Siedetemperatur die Ausnahme.

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5.8 Eigenschaften der Alkane

Zu den AufgabenA1 Alkane lösen sich in Öl, aber nicht in Wasser. Sie sind lipophil und hydrophob.

A2 Bei den zwischenmolekularen Kräften handelt es sich um Anziehungskräfte zwischen Molekülen. Die Stärke dieser Kräfte hängt von mehreren Faktoren ab. Als eine Regel gilt, dass bei vergleichbarer Molekülgröße und Moleküloberfläche die Anziehungskräfte zwischen Molekülen, die Wasserstoffbrücken ausbilden, größer sind als die Anziehungskäfte zwischen Dipolmolekülen. Die Anziehungskräfte zwischen Dipolmolekülen sind wiederum größer als die zwischen unpolaren Molekülen. Beispiele: Wasser-Molekül: Die Wasser-Moleküle bilden im festen und flüssigen Zustand des Wassers Wasserstoffbrücken aus. Die Siedetemperatur des Wassers beträgt 100 °C.Methan: Zwischen den Methan-Molekülen wirken Van-der-Waals-Kräfte. Die Siedetemperatur des Methans beträgt –161 °C.

A3 Mit wachsender Kettenlänge der unverzweigten Alkanmoleküle und damit wachsender Oberfläche nehmen die gegenseitigen Berührungs- und Polarisierungsmöglichkeiten und damit die Anziehungskräfte zu (Kap. 5.8, B3); deshalb nehmen die Siedetemperaturen von Hexan bis Decan zu. Beim Fließen gleiten Moleküle der Flüssigkeit aneinander vorbei. Die Moleküle gleiten umso schwerer aneinander vorbei, je größer die zwischenmolekularen Kräfte sind. Da zwischen länger- kettigen Kohlenwasserstoff-Molekülen größere Anziehungskräfte herrschen als zwischen kurzkettigen, nimmt die Viskosität von Hexan nach Decan zu.

A4 Propan, Butan, Pentan und Gemische dieser Alkane werden als Treibmittel eingesetzt. Beim Versprühen des Backofenreinigers bilden die Alkane mit dem Sauerstoff der Luft explosions- fähige Gemische.

Zum VersuchV1 Echter Lachs enthält als Farbstoff Carotin, welches sich nur in Heptan löst (lipophil und hydrophob). Beim Lachsersatz dagegen sind meist wasserlösliche, hydrophile und lipophobe Farbstoffe zugesetzt (z. B. Gelborange S, Koschenillerot).

5.9 Alkane und Isomerie

Zur AufgabeA1 a) Keine Lösung möglich.b) und c)

C

CH3

H3C

CH3

CH3 CH

CH3

< < CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

H3C H3C CH3

In dieser Reihenfolge steigt die Kettenlänge und somit die Wechselwirkungsfläche zwischen zwei Molekülen. Damit ergeben sich stärkere Van-der-Waals-Kräfte und die Energie, die notwendig ist, um die Moleküle zu trennen, steigt. Dies bedeutet eine höhere Siedetemperatur.

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5.11 Impulse Lernzirkel Alkane

Station 1: GrundlagenAufgabena) Die allgemeine Summenformel der Alkane lautet: CnH2n+2

b) Es gibt 5 Isomere der Summenformel C6H14.

Hexan CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 2

2-Methylpentan CH2 CH3CH2CHCH3

CH3

3-Methylpentan CH2 CH3CH

CH3

CH2CH3

2,3-Dimethylbutan CH3CHCHCH3

CH3 CH3

2,2-Dimethylbutan

CH2 CH3C

CH3

CH3

CH3

c)

Octan CH2 CH3CH2CH2CH3 CH2C8H18 CH2CH2

3,3-Dimethylhexan

C 8 H 18 CH 2 CH 3 C

CH 3

CH 3

CH 3 CH 2 CH 2

2-Methylhexan CH2CH2CHCH3

CH3

C7H16 CH3CH2

3-Ethylhexan CH2 CH3CH

C2H5

CH2CH3C8H18 CH2

3-Ethyl-2-methylpentan C8H18 CH2CHCHCH3

CH3

CH3

C2H5

2,3,4-Trimethylhexan C9H20 CHCHCHCH3

CH3

CH3CH2

CH3 CH3

Isomer zueinander sind Octan, 3,3-Dimethylhexan, 3-Ethylhexan und 3-Ethyl-2-methylpentan.

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d)

Alkan Verwendung in Produkten des Alltags und der Technik

Methan Haushalt: Gas zum Kochen und als Heizgas, Betrieb von Kraftfahrzeugen,Erdgas, Sumpfgas, Grubengas, Biogas

Propan Brenn- und Heizgas (Flüssiggas), Autogas, Heißluftballon, Kältemittel (Kältemittelbe-zeichnung R 290), als Treibmittel in Sprays, Schweißgas, häufig in Feuerzeuggas enthalten

Butan Treibgas in Sprays, beide Isomere als Brenngas (Flüssiggas) in Tanks und Feuerzeugen, oft im Gemisch mit Propan, Butan wird trotz der Brennbarkeit wieder in Kältemaschinen und Kühlschränken eingesetzt (Kältemittelbezeichnung Butan R 600, Isobutan R 600a)

Heptan n-Heptan wird als Lösungsmittel für schnell trocknende Lacke und Klebstoffe verwendet, Heptane sind Bestandteil des Benzins

Paraffin Herstellung von Kerzen; Brennstoff für Öllampen; als Wasser abweisender Überzug von Papier, Kleidung und Zelten; zum Präparieren archäologischer Funde; festes Treibmittel für Hybridraketen; Lackpoliturzusatz; Versiegeln von Gläsern und Flaschen; Zusatz in Cremes

Station 2: EntflammbarkeitHinweis: Als feuerfeste Unterlage eignen sich hervorragend Fettpfannen.Aufgaben: a) Nähert man die Flamme der Oberfläche des Heptans, entzünden sich die Dämpfe sofort. Beim dünnflüssigen Paraffinöl muss man mehrmals langsam über die Flüssigkeitsoberfläche streichen, bis sich das Paraffinöl entzündet. Das dickflüssige Paraffinöl lässt sich (ohne stärkeres Erwärmen) nicht entzünden.Über dem flüssigen Heptan befinden sich schon bei Zimmertemperatur genügend Dämpfe, die sich entflammen lassen. Beim dünnflüssigen Paraffinöl muss erst mithilfe der Fremdflamme und damit Erwärmen des Paraffinöls ein Polster aus gasförmigem Paraffin gebildet werden, damit sich dieses entflammen lässt. Beim dickflüssigen Paraffinöl reichen die Temperaturen nicht aus, dass sich genügend gasförmige Stoffe bilden.

b) Allgemein gilt: Je niedriger die Siedetemperatur, desto größer die Verdunstung bei Zimmer-temperatur, desto tiefer die Flammtemperatur, desto höher die Feuergefährlichkeit. Die Bestand-teile des Benzins weisen Siedetemperaturen zwischen 35 °C und 140 °C auf. Benzine sind Gemi-sche von Pentanen bis etwa zu den Dodecanen. Die Bestandteile des Dieselöls weisen im wesentlichen Siedetemperaturen zwischen 250 °C bis 360 °C auf. Dieselöl besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen, deren Moleküle Ketten zwischen 12 und 20 C-Atomen aufweisen.

Station 3: LöslichkeitAufgaben:a) Festes Paraffin besteht aus unpolaren Molekülen und ist daher hydrophob und lipophil. Es löst sich also nicht in Wasser, jedoch in Heptan.

Allgemeiner Hinweis: Zünd- und Heizquellen fernhalten!Festes Paraffin löst sich nicht in Wasser, jedoch in Heptan. Je nach Paraffin und Temperatur des heißen Wasser, ist es möglich, dass das Paraffin schmilzt. Ob sich der Stoff löst, kann dennoch eindeutig beobachtet werden. Insbesondere wird er in Wasser beim Abkühlen wieder Erstarren, in Heptan jedoch nicht.

b) Hydrophil und hydrophob: Stoffe mit guter Wasserlöslichkeit bezeichnet man als hydrophil. Die Moleküle sind polar. Stoffe mit geringer Wasserlöslichkeit nennt man hydrophob. Die Moleküle sind weitgehend unpolar.Lipophil und lipophob: Fettlösliche Stoffe bezeichnet man als lipophil, wenig fettlösliche als lipophob. Die zugehörigen Moleküle sind wieder weitgehend unpolar bzw. polar.

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Station 4: ViskositätAufgaben:a) Hinweis: Die Fallzeit bzw. Fallgeschwindigkeit hängt von der Masse der Kugel ab. Wenn keine geeignete Stahlkugel zur Verfügung steht, können z. B. auch Glaskügelchen oder Erbsen einge-setzt werden.Die Kugel fällt am langsamsten im Paraffinöl. Im Heptan und Petroleumbenzin fällt sie ungefähr gleich schnell. (Dickflüssiges) Paraffinöl besteht aus Alkanmolekülen, deren Kettenlängen größer sind als die der Moleküle des Heptans bzw. Petroleumbenzins. Da zwischen längerkettigen Kohlenwasserstoff-Molekülen größere Anziehungskräfte herrschen als zwischen kurzkettigen, ist die Viskosität des Paraffinöls größer als die des Heptans bzw. Petroleumbenzins.b) Die Viskosität spielt in Alltag und Technik eine große Rolle.Die Viskosität von Kraftstoffen für Kraftfahrzeuge darf für die Einspritzung über Düsen nicht zu hoch sein, da sonst keine feine Zerstäubung mehr möglich ist.Die Viskosität einer Anstrichfarbe muss die leichte gleichmäßige Verteilung beim Anstrich ermöglichen, die Farbe darf aber nicht sofort von der Wand herunterfließen.Die Viskosität eines Shampoos muss so gewählt sein, dass es sich einerseits leicht verteilen lässt, andererseits aber auch nicht sofort vom Kopfhaar herunterfließt.Soßen werden mit Stärke (Soßenbinder) angedickt, viskoser gemacht.

Station 5: DichteAufgaben:a) Zur Bestimmung der Dichte eines Stoffes müssen die Masse und das Volumen einer Stoff-portion gemessen werden.Es wird zunächst die Masse des Schnappdeckelgläschens bestimmt.Anschließend werden genau 10 ml Heptan (bzw. dickflüssiges oder dünnflüssiges Paraffinöl) in das Schnappdeckelgläschen pipettiert.Danach muss die Masse des Schnappdeckelgläschens mit 10 ml Flüssigkeit ermittelt werden.Die Masse des Flüssigkeitsportion ergibt sich als Differenz aus den beiden Wägungen, die Dichte als Quotient aus der Masse und dem Volumen (hier: 10 ml) der Flüssigkeit.b) Wird auf brennendes Benzin Wasser gespritzt, schwimmt das Benzin wegen seiner geringeren Dichte auf dem Wasser und der Brand breitet sich aus.Deckt man einen Benzinbrand ab, unterbricht man die Luftzufuhr, der Brand erstickt.

5.12 Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen

Zu den AufgabenA1 Alkane haben die allgemeine Summenformel CnH2n+2. Ein Alken gleicher Kettenlänge weist aufgrund der Doppelbindung zwei H-Atome weniger auf.

A2 flüssig: Pent-1-en, Hex-1-engasförmig: Ethen, Propen, But-1-en

A3 Mit wachsender Kettenlänge der Alkenmoleküle und damit wachsender Oberfläche nehmen die gegenseitigen Berührungs- und Polarisierungsmöglichkeiten und damit Van-der-Waals-An ziehungskräfte zu; deshalb steigen die Siedetemperaturen in der homologen Reihe der Alkene.

A4 Hinsichtlich seiner Eigenschaften als Lösungsmittel wäre es (trotz des vorhandenen Dipolmo-ments) in etwa vergleichbar, auch würden sich empfindliche Textilien nicht verziehen. Jedoch ist der Stoff nicht vollständig halogeniert und hochentzündlich. Er sollte deshalb nicht in der chemischen Reinigung verwendet werden.

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Hinweis: Die Toxizität der Stoffe ist aufgrund ihrer (vermuteten) Karzinogenität nur schwer vergleichbar und kann daher nur bedingt als Entscheidungskriterium zu Rate gezogen werden.

5.13 Exkurs Alkoholgenuss – Alkoholmissbrauch

Zu den AufgabenA1 Alkohol beeinträchtigt u. a. das Reaktionsvermögen, die Konzentrationsfähigkeit, die Aufmerk-samkeit, das Blickfeld und das Koordinationsvermögen. Außerdem führt die euphori sierende Wirkung zur Selbstüberschätzung und zu erhöhter Risikobereitschaft. Alkohol stört Nervenzellen (also auch Gehirnzellen) in ihrer Funktion und beeinträchtigt damit praktisch alle Funktionen des Gehirns. Bei einem Rausch sterben bis zu 10 Millionen Gehirnzellen ab. Auch das Sehvermögen wird gestört: Das Blickfeld wird eingeengt („Tunnelblick“); im Extrem-fall sieht man wegen der fehlerhaften Koordination der Augenmuskulatur doppelt.

A2 „Promillegrenzen“ in Deutschland (Stand 2015): Ab 0,3 ‰ Alkohol im Blut kann bei einem Unfall oder Fahrfehler der Führerschein entzogen werden. Ab 0,5 ‰ droht auch ohne Unfall eine Geldbuße, ein Eintrag ins Flensburger Verkehrszentralregister und ein Fahrverbot. Fahren mit 1,1 ‰ oder mehr wird als Straftat unter anderem mit einer Geldstrafe und einem Führerschein-entzug geahndet, in schweren Fällen sogar mit Freiheitsentzug. Wer mit 1,6 ‰ und mehr ein Fahr-zeug fährt, hat nicht nur mit den zuvor genannten strafrechtlichen Sanktionen zu rechnen, sondern muss sich einer medizinisch-psychologischen Untersuchung (MPU) unterziehen, bevor er seine Fahrerlaubnis wieder erwerben kann. Ein absolutes Alkoholverbot gilt für Fahranfänger in der Probezeit, für Personen unter 21 Jahre und für Fahrer, die gewerblich Personen befördern (z. B. Fahrer von Bussen, Taxis und Kranken-wagen.)Die Tatsache, dass bereits bei einem Blutalkoholgehalt unter der gesetzlichen „Promillegrenze“ die Fahrtüchtigkeit erheblich eingeschränkt sein kann und das Unfallrisiko erhöht ist, spricht für eine weitere Herabsetzung des Grenzwerts. Eine „0-‰-Regelung“ würde zudem ein „Herantrin-ken“- bzw. „Zieltrinken“ an die jeweilige Promillegrenze verhindern.

A3 Berechnung analog zu B5 im Schülerbuch:

V (Alkohol) = 5,5 % · 0,33 l · 2 = 0,0363 l = 36,3 ml

m (Alkohol) = 0,785 g/ml · 36,3 ml = 28,5 g = 0,0285 kg

w (Alkohol im Blut) = 0,0285 kg

_____ 50 kg · 0,6 = 0,000 95 = 0,95 ‰

Die Fahrtüchtigkeit einer 50 kg schweren Frau ist also bereits nach dem Genuss von zwei Flaschen Alcopops erheblich eingeschränkt.Hinweis: Mit der Formel in B5 im Schülerbuch kann man den ungefähren Blutalkohol gehalt abschätzen; die Berechnung ist jedoch keineswegs exakt. Die Formel gilt für den „Einmal- Trink- Nüchtern- Versuch“, d. h. für das Trinken einer bestimmten Alkoholmenge auf leeren Magen, ohne Berücksichtigung des Resorptionsverlusts. (Als Resorptionsverlust oder Resorptionsdefizit bezeichnet man den Anteil des getrunkenen Alkohols, der aus verschiedenen Gründen nicht vom Körper aufgenommen wird; er beträgt zwischen 10 und 40 Prozent.) Auch beim Reduktionsfaktor handelt es sich nur um einen Durchschnittswert für Männer bzw. Frauen, siehe „Zur Abbildung B5“.

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Zur Abbildung B5Die hier angegebene Formel zur Berechnung des Blutalkoholgehalts bezeichnet man als Widmark-Formel (nach dem schwedischen Chemiker Erik Widmark). Der beim Trinken aufgenommene Alkohol gelangt nicht nur ins Blut, sondern verteilt sich im ganzen Körper. Deshalb muss man sich auf die Masse des gesamten Körpers (und nicht nur des Blutes) beziehen. Da aber die verschiedenen Gewebe Alkohol in unterschiedlichem Ausmaß aufnehmen (z. B. nimmt Fettgewebe weniger Alkohol auf als stark wasserhaltige Gewebe), muss die Körpermasse durch einen Reduktionsfaktor korrigiert werden. Da Frauen mehr Fettgewebe und einen anderen Körperbau besitzen, ist ihr Reduktionsfaktor kleiner. Dies gilt auch für fettleibige Männer im Vergleich zu muskulösen Männern gleicher Masse, d. h., der Reduktions-faktor schwankt auch innerhalb des gleichen Geschlechts. Bislang war es nicht möglich, diesem Reduktionsfaktor den Charakter einer Variablen zu geben, da sich verschiedene Körperparameter nicht genau bestimmen ließen. Untersuchungen von A. Alt, U. Jensen und S. Seidl (Blutalkohol 35 (1998), 275) führten nun zur Möglichkeit der Berechnung eines individuellen Reduktionsfaktors (m = Körpermasse in kg; l = Körperlänge in cm):

r (Frau) = 0,31223 – 0,006446 · m/kg + 0,004466 · l/cm

r (Mann) = 0,31608 – 0,004821 · m/kg + 0,004632 · l/cm

Die Widmark-Formel gilt allerdings nur für das Trinken einer bestimmten Alkoholmenge auf leeren Magen, ohne Berücksichtigung des Resorptionsverlusts, s. Hinweis zu A3.

Zusatzaufgabe 1Ermitteln Sie für verschiedene alkoholische Getränke die Volumenkonzentration s (Ethanol). Berechnen Sie dann jeweils die Menge des Getränks, die dem jährlichen Pro-Kopf-Verbrauch von 10 l reinem Alkohol entspricht.

Lösung:

s (Ethanol) = V (Ethanol)

_____ V (Getränk) ⇔ V (Getränk) = V (Ethanol)

_____ s (Ethanol)

⇒ V (Getränk) = 10 l _____ s (Ethanol)

Getränk s (Ethanol) V (Getränk) pro 10 l EthanolBier ca. 5 % ca. 200 l

Sekt ca. 11 % ca. 91 l

Wein ca. 12 % ca. 83 l

Weinbrand ca. 40 % ca. 25 l

Whiskey ca. 50 % ca. 20 l

Literatur und Internet (Stand Juli 2014):Materiallesebuch zum Thema Alkohole (6 Bände). „Kölner Modell – Chemie – Technik – Lebens-welt“ am Institut für Anorganische Chemie der Universität zu Köln, Greinstr. 6, 50939 KölnP. Slaby: „Jäder nur einen wänzigen Schlock“ – Alkohol als Unterrichtsprojekt. AOL-Verlag, Lichtenau 1994G. Völger (Hrsg.): Rausch und Realität (3 Bände). Ernst Klett Verlag, Stuttgart 1996 – 1998B. Labahn: „Alkohol ist der Sanitäter in der Not“. Naturwissenschaften im Unterricht 11 (6/2000), Heft 60, 30R. Marks et al.: Ein Schülerlabor zu Alcopops. Praxis der Naturwissenschaften – Chemie in der Schule 55 (2006), Heft 2, 39K. Roth: Die Chemie des Katers. Chemie in unserer Zeit 41 (2007), 46

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G. Wagner: Darf’s noch ein Gläschen sein? Wissenswertes über Alkohol im Körper. Naturwissen-schaften im Unterricht – Chemie 11 (6/2000), Heft 60, 41

http://ne.lo-net2.de/gregor.vonborstel/Seiten/1_1_Unterrichtmaterial/1_1_2_Gruppenpuzzle/alkohol.htmhttp://www.bzga.de (Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung) http://www.bist-du-staerker-als-alkohol.de (Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung) http://www.bads.de (Bund gegen Alkohol und Drogen im Straßenverkehr) http://www.dhs.de (Deutsche Hauptstelle gegen Suchtgefahren e. V.)http://www.bvgesundheit.de (Bundesvereinigung für Gesundheitserziehung e. V.)

Drogen- und Suchtberatungsstellen sowie Krankenkassen stellen oft Material zur Verfügung.

A4 Dafür spricht: – die Allgemeinheit sollte nicht für dafür aufkommen müssen, wenn man sich selbst verschuldet

in solch eine Situation bringt– Lerneffekt bei Patient – abschreckender Effekt dagegen spricht: – andere ärztliche Behandlungen bei selbst verschuldeten Ursachen (Rauchen, riskante Sport-

arten,…) werden ebenfalls von der Gemeinschaft getragen

5.14 Alkohol-Herstellung durch Gärung

Zur AufgabeA1 Durch den Zusatz von Zucker und Hefe kommt es zu einer Nachgärung, der Alkoholgehalt des Sektes wird erhöht. Das Verschließen bewirkt, dass das entstehende Kohlenstoffdioxid nicht entweichen kann und sich unter Druck im Sekt löst.

5.15 Das Ethanol-Molekül

Zur AufgabeA1 Bei der vollständigen Verbrennung von Ethanol entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser:C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

Zu den VersuchenV1 Das Kalkwasser trübt sich, beim Verbrennen von Ethanol entsteht also Kohlenstoffdioxid. Die Blaufärbung von Kupfersulfat bei der Untersuchung des Niederschlags im U-Rohr weist auf entstandenes Wasser hin.

V2 Bei der Untersuchung des Gases zeigt die positive Knallgasprobe an, dass es sich um Wasserstoff handelt. Beim Lösen des festen Reaktionsprodukts in Wasser bildet sich eine alkalische Lösung. Der Feststoff ist Magnesiumoxid. Ingesamt wird Ethanol also dehydratisiert.

V3 Die Knallgasprobe verläuft positiv, beim entstandenen Gas handelt es sich also um Wasser-stoff. Die entsprechenden Wasserstoff-Atome stammen aus den Hydroxygruppen der Ethanol-Moleküle.

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5.16 Eigenschaften und Verwendung von Ethanol

Zu den AufgabenA1 Einfluss der Hydroxygruppe:Sie ist polar, verantwortlich für die Löslichkeit in hydrophilen Lösungsmitteln, z. B. Wasser, sowie für die Ausbildung von Wasserstoffbrücken (Löslichkeit, relativ hohe Siedetemperatur).Einfluss der Ethylgruppe:Sie ist unpolar, verantwortlich für die Löslichkeit in hydrophoben Lösungsmitteln, z. B. Benzin, sowie für die Löslichkeit hydrophober Substanzen in Ethanol.

A2a) Für die Höhe der Siedetemperaturen sind v. a. Wasserstoffbrücken zwischen Ethanol-Molekü-len bzw. zwischen Wasser-Molekülen verantwortlich.

b) Wasser-Moleküle besitzen jeweils ein polar gebundenes H-Atom mehr als Ethanol-Moleküle und können deshalb jeweils eine Wasserstoffbrücke mehr zu ihren Nachbarmolekülen ausbilden. Daher sind die zwischenmolekularen Kräfte bei den Wasser-Molekülen stärker und die Siedetem-peratur des Wassers ist höher als die des Ethanols.

A3 Die Löslichkeit ergibt sich aus der Möglichkeit der Moleküle, gegenseitig Wasserstoffbrücken auszubilden.

C2H5 O

H

C2H5

OH

HO

H

H

O H

H

OH

C2H5 O

H

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . . . . .. . .

. . .

. . .

. . .

. .

. . .

. .

d-d+

d+

d+

d+

d+

d+d+

d-

d-

d-

d-

d+d-

d+

A4 Bei der Verwendung von Ethanol in „Kölnisch Wasser“ nutzt man die Eigenschaften von Ethanol, hydrophile und hydrophobe Duftstoffe lösen zu können. Zudem zieht das rasche Verdunsten auf der Haut ein erfrischendes Kältegefühl nach sich, da beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand die Wasserstoffbrücken zwischen den Ethanol-Molekülen überwunden werden müssen (dazu wird Energie benötigt, die der Umgebung entzogen wird). Allgemein benötigt das Verdunsten einer Flüssigkeit Energie, weil sich die Moleküle von der Flüssigkeit, d. h. von anderen Molekülen, trennen. Außerdem wirkt Ethanol desinfizierend.

Zu den VersuchenV1 In beiden Reagenzgläsern lösen sich die Flüssigkeiten in Ethanol.

V2 a) Bei einem Gemisch von 1 ml Heptan und 1 ml Wasser sind ca. 15 ml Brennspiritus (oder ca. 8 ml absoluter Alkohol, vergällt mit Methylethylketon, „MEK“) zur Herstellung einer einheitlichen Lösung erforderlich.b) Nach Zugabe von einigen Millilitern Wasser tritt eine milchige Emulsion auf.

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V3 Versuchshinweis: Iod (unpolar) löst sich nicht in Wasser, jedoch in Heptan und Ethanol. Letztere Stoffe sind also lipophil. Sollte den Schülern der unpolare Aufbau von Iod nicht mehr gegenwärtig sein, kann der Versuch auch anders ausgewertet werden: Iod löst sich nicht in Wasser, aber in Heptan und Ethanol. Die Gemeinsamkeit von Heptan und Ethanol besteht im Alkylrest, welcher für die Löslichkeit verantwortlich sein muss. Daher handelt es sich bei Iod um einen unpolaren Stoff.

Zur Verwendung von Ethanol:Ethanol wird heute in zunehmendem Maße aufgrund der hohen Besteuerung v. a. im Lösungs-mittelbereich durch Propan-2-ol ersetzt (z. B. auch im Labor oder in Parfums oder Rasierwässern). Trotz seines Eigengeruchs, der in Parfums und Duftwässern von Duftstoffen überdeckt werden muss, wird Propan-2-ol aufgrund seines günstigen Preises oft eingesetzt. Ein weiterer Vorteil sind seine guten Lösungseigenschaften und seine desinfizierende Wirkung schon ab s = 50 %. Es erfrischt die Haut ebenso wie Ethanol und regt die Durchblutung an. Propan-2-ol findet man im Kosmetikbereich vor allem in Rasierwässern, Gesichtswässern für fettende Haut, Akne-Gesichts-wässern, medizinischen Haarwässern und in Körpersprays.

Wirkung von Ethanol und Propan-2-ol in Gesichts- und Haarwasser (nach „Kölner Modell“, Bd. IV, a. a. O., S. 166):

– entfettende Wirkung: Fette werden gelöst bzw. emulgiert und von der Haut entfernt

– reinigende Wirkung: Alkohollösliche Verunreinigungen werden entfernt– erfrischende Wirkung: Verdunstungskälte hinterlässt eine angenehme Kühle– entzündungshemmende Wirkung: Desinfizierende Wirkung, Optimum bei s (Ethanol) = 70 %

bzw. s (Propan-2-ol) = 50 %– Solvatisierungsfähigkeit: Lösen von Pflanzenwirkstoffen, Duftstoffen usw.

Nicht ersetzt werden kann Ethanol wegen seiner Körperverträglichkeit z. B. in Lebensmittelfarb-stoffen, wo es meist als Lösungsvermittler zwischen dem Lösungsmittel Wasser und dem Farbstoff dient. Im Nahrungsmittelbereich ist ein Ersatz durch Propan-2-ol wegen dessen Ungenießbarkeit nicht möglich.

ZusatzversuchMan kann ein einfaches Parfum (Eau de parfum bzw. Eau de toilette) herstellen, indem man zu einem Ethanol-Wasser-Gemisch mit s = 80 % einige Tropfen eines Duftöls (z. B. Jasminöl, Zitronenöl, Bergamotteöl o. Ä.) gibt.Ausführliche Rezepte für Gesichts- und Mundwässer sind z. B. im „Kölner Modell“, Bd. IV (a. a. O., S. 168) zu finden.Unterschiedliche Duftöle können z. B. bezogen werden von der Firma Aug. Hedinger, Postfach 600262, 70302 Stuttgart oder http://www.hedinger.de (07.10.2013)

5.18 Eigenschaften der Alkohole

Zu den AufgabenA1 Die zwischenmolekularen Kräfte müssen zwischen den Butan-Molekülen wesentlich schwä-cher sein als zwischen den Propan-1-ol-Molekülen. Zwischen den Butan-Molekülen herrschen schwache Van-der-Waals-Kräfte, dagegen zwischen Propan-1-ol-Molekülen relativ starke Wasser-stoffbrücken.

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A2 Eine OH-Gruppe verursacht in einem Molekül aufgrund ihrer Polarität bzw. ihrer Möglichkeit Wasserstoffbrücken auszubilden, einen so polaren Bereich, dass sich aufgrund dieser hydrophilen Eigenschaft dieses Molekül auch einen unpolaren Alkylrest mit bis zu drei Kohlenstoff-Atomen besitzen kann und sich das Alkanol trotzdem noch in Wasser löst. Vier Kohlenstoff-Atome und darüber bilden dagegen einen zu ausgedehnten unpolaren Molekülteil.

Zum VersuchV1 Bei dem Versuch zur Demonstration der Löslichkeit von Methanol in Benzin können gelegent-lich Emulsionen auftreten, v. a. dann, wenn das Methanol nicht wasserfrei ist oder das verwendete Benzin einen sehr hohen Alkangehalt (und nur einen geringen Aromaten- und Alkengehalt) besitzt.

Zur Abbildung B1Abweichend von einem verbreiteten Gebrauch sind in [B1] die Siedetemperaturen über der Elektronenanzahl aufgetragen.Die Siedetemperaturen von zum Beispiel homologen Alkanen werden häufig über der molaren Masse (= Teilchenmasse) aufgetragen, wobei sich im großen Ganzen eine Zunahme der Siedetem-peratur mit der Molekülmasse zeigt. Die Wahl der Masse als unabhängiger Variable kann die Vorstellung aufkommen lassen, dass die physikalische Größe Masse hier ursächlich eine Rolle spiele. Die Argumentation, die normalerweise (und wohl auch richtigerweise) zugrunde gelegt wird, ist ja die, dass die Zunahme der Teilchenwechselwirkung mit der „Größe“ des Moleküls für das Ansteigen der Siedetemperatur verantwortlich gemacht wird. Außer der „Größe“ des Mole-küls spielt auch dessen Gestalt noch eine Rolle, sodass isomere Moleküle wieder zu etwas anderen Siedetemperaturen der zugehörigen Stoffe führen. Man pflegt hier einen (ungefähren) Oberflächenvergleich bei Molekülen gleicher Masse vorzunehmen.Als Maß für die Größe des Moleküls dient eben häufig die Masse. Wenn man die Van-der-Waals-Kräfte jedoch ursächlich mit elektronischen Vorgängen und Situationen in den Molekülen in Zusammenhang bringt, ist es sicher geschickter, die Anzahl der Elektronen als unabhängige Variable zu wählen. Sie ist der zugrunde liegenden Physik angemessener als die Masse. Da Masse und Elektronenanzahl aber ungefähr proportional zueinander sind, ist es für die rein formale Stimmigkeit des Zusammenhangs ziemlich unerheblich, was man nimmt.

Trotzdem kann die Frage aufkommen: Hat denn die Masse als physikalische Größe im Sinne einer physikalisch ursächlich wirkenden Größe nicht auch noch einen Einfluss auf die Siedetemperatur?Dazu ist es sinnvoll, die Siedetemperaturen von Wasserstoff (Protium) H2, Deuterium D2 und Tritium T2 zu betrachten.Tsd (Protium) = 20,28 K, Tsd (Deuterium) = 23,67 K, Tsd (Tritium) = 25,04 KMan sieht, dass hier eine Verdreifachung der Masse eine Zunahme der Siedetemperatur um knapp 25 % mit sich bringt.Bei den Alkanen („n-Alkanen“) findet man zum Beispiel für die Siedetemperaturen:Tsd (Ethan) = 184 K, Tsd (Hexan) = 342 KDie zugehörigen Teilchenmassen sind:mt (C2H6) = 30 u, mt (C6H14) = 86 u

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Die Fastverdreifachung der Masse geht hier mit einer Steigerung der Siedetemperatur um etwa 86 % einher. Würde man dies noch auf volle Verdreifachung (mit dem Faktor 90/86) umrechnen, so erhielte man eine Steigerung um 95 %, also fast eine Verdopplung.Vielleicht kann aus diesen wenigen Beispielen bereits ersehen werden: Die Masse als physikali-sche Größe hat in der Tat einen gewissen ursächlichen Einfluss auf die Siede temperatur. Bei diesem Einfluss handelt es sich natürlich nicht um die Massenanziehung (Gravitationskraft) zwischen den Molekülen. Sie ist verschwindend gering. Auch die unterschiedliche Gewichtskraft der Moleküle im Schwerefeld der Erde kann nicht als Ursache für unterschiedliche Siedetempera-turen gelten, was Schüler/-innen sich leicht so vorstellen, wenn die Masse in diesem Zusammen-hang genannt wird. Wohl aber wird die zur Überwindung der Van-der-Waals-Wechselwirkung erforderliche Fluchtgeschwindigkeit, welche dem Molekül das Verlassen der Flüssigkeit ermög-licht, von Teilchen geringerer Masse leichter erreicht als von Teilchen größerer Masse. Denn im Mittel sind Teilchen kleinerer Masse bei gleicher Temperatur schneller als Teilchen größerer Masse, weil die mittleren kinetischen Energien bei gleicher Temperatur auch bei Teilchen verschiedener Masse gleich sind. Dieser Einfluss ist aber deutlich kleiner als die bei Alkanen be - obachteten Effekte. Diese Effekte werden daher wohl zu Recht hauptsächlich anderen Ursachen zugeschrieben, nämlich einer Wechselwirkung, die direkt und ursächlich nichts mit Masse zu tun hat. Dies entspricht völlig der allgemein üblichen Auffassung. Noch nicht allseits verbreitet ist allerdings eine sich daraus ergebende vernünftige Konsequenz, als unabhängige Variable nicht die Masse zu wählen, weil dies die Gedanken auf einen falschen Pfad bringen kann.

5.20 Impulse Lernzirkel Alkohole

Station 1: Grundlagena) Allgemeine Summenformel CnH2n+1OH

b) Funktionelle Gruppe ist die Hydroxygruppe –OH.

c) und d)Hinweis: Es sind lediglich Strukturisomere und keine Stereoisomere aufgeführt.Pentan-1-ol (primär)2-Methylbutan-1-ol (primär)3-Methylbutan-1-ol (primär)2,2-Dimethylpropan-1-ol (primär)Pentan-2-ol (sekundär)Pentan-3-ol (sekundär)3-Methylbutan-2-ol (sekundär)2-Methylbutan-2-ol (tertiär)

e) Die Unterschiede in den Siedetemperaturen werden durch unterschiedlich starke zwischen-molekulare Kräfte hervorgerufen. Dies sind zwischen Propan-Molekülen relativ schwache Van-der-Waals-Kräfte, zwischen Ethanol-Molekülen starke Wasserstoffbrücken (und permanente Dipol-Kräfte). Zwischen den Chlorethan-Molekülen herrschen weniger starke permanente Dipol-Kräfte.

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Station 2: Eigenschaften und Verwendung von Alkoholen

AlkoholHalbstrukturformel

Eigenschaften Verwendung

Methanol

CH3—OH

ähnlich Ethanol in Geruch, Ge-schmack und Aussehen; giftig; brennbar;berauschende Wirkung; löslich in Wasser und Benzin;Wasserstoffbrücken

Ausgangsstoff für die Kunst-stoffherstellung; Treibstoff für Verbrennungsmotoren; Herstel-lung von MTBE (Antiklopfmittel); Herstellung von Silikonen

Ethanol

CH3—CH

2—OH

hydrophile und hydrophobe Eigenschaften (löslich in Wasser und Benzin); berauschende Wir-kung; brennbar;Wasserstoffbrücken

Brennspiritus, alkoholische Ge-tränke; wichtiges Lösungsmittel („Lösungsvermittler“); Treibstoff für Verbrennungsmotoren; Ex-traktions-, Reinigungs- Desinfek-tions- und Konservierungsmittel; Herstellung von Kosmetika und Parfums

Propan-2-ol

CH3—CH—CH3 |OH

Eigenschaften ähnlich denen von Ethanol; anregende, Haut durchblutende, desinfizierende Wirkung; ungenießbarWasserstoffbrücken

preiswertes Lösungsmittel für Kosmetika, Gesichts- und Haarwässer; Sprays; wichtiges Lösungsmittel in der Technik, z. B. für Farben und Lacke; in Tür-schlossenteisern

Ethandiol

H2C — CH

2 |OH

|OH

farblose, giftige, dickflüssige, süß schmeckende Flüssigkeit;hohe Siedetemperatur und Visko-sität durch höhere zwischenmo-lekulare Kräfte (Wasserstoffbrü-cken durch zwei OH-Gruppen)

Frostschutzmittel in Kühlern von Fahrzeugen; Enteisungsmittel für Flugzeuge; Herstellung von Kunststoffen (Polyester); in Türschlossenteisern

Propantriol

H2C — CH — CH

2 |OH

|OH

|OH

farblose, ungiftige, dickflüssige, süß schmeckende, hygroskopi-sche Flüssigkeit; noch höhere Siedetemperatur und Viskosität durch die Wasserstoffbrücken von drei OH-Gruppen

Zusatz in Cremes, Zahnpasta, Druck- und Stempelfarben;in Frostschutzmitteln und Brems-flüssigkeit; Herstellung von Kunststoffen und Sprengstoffen

Hexanhexol

H2C—CH—CH—CH—CH—CH2 |OH

|OH

|OH

|OH

|OH

|OH

süßer, wasserlöslicher, hygros-kopischer Feststoff; hohe zwi-schenmolekulare Kräfte durch die Wasserstoffbrücken von sechs OH-Gruppen

Weichhaltemittel für Süß- und Backwaren; Zuckeraustauschstoff; in Eiskonfekt, Schokolade, Bon-bons und Kaugummi

Station 3: Viskositäta) Man erhält folgende Reihenfolge (von schnell nach langsam): Ethanol > Butan-1-ol > Ethandiol > Propantriol. Die Viskosität hängt ab von der Größe der zwischenmolekularen Kräfte, und zwar ist sie umso größer, je größer die Kräfte sind. Zwischen Ethanol-Molekülen herrschen Wasserstoff-brücken, ebenfalls zwischen den Butan-1-ol-Molekülen, die jedoch aufgrund des größeren Alkylrests noch etwas größere Van-der-Waals-Kräfte besitzen. Die Ethandiol-Moleküle können aufgrund der Anzahl ihrer Hydroxygruppen zwei Wasserstoffbrücken ausbilden, die Propantriol-Moleküle sogar drei.

b) Butan-1-ol hat die größere Viskosität, da diese von der Größe der zwischenmolekularen Kräfte abhängt. Zwischen Butan-1-ol-Molekülen herrschen starke Wasserstoffbrücken, zwischen den Pentan-Molekülen nur schwache Van-der-Waals-Kräfte.

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Station 4: LöslichkeitJe ähnlicher sich die Teilchen zweier Stoffe in Bezug auf die Polarität sind, desto besser lösen sich die Stoffe ineinander. Bei den Alkanolmolekülen wird die Polarität durch die polare Hydroxygruppe und die Größe des unpolaren Alkylrests, deren Wirkung entgegengerichtet ist, beeinflusst.

a) Mit Ethanol und Propan-1-ol erhält man Lösungen, mit Heptan, Pentan-1-ol und Dodecan-1-ol Emulsionen. Ethanol und Propan-1-ol sind aufgrund der kürzeren Alkylreste hydrophil und lösen sich in Wasser. Bei Heptan und den anderen Alkoholen überwiegt aufgrund des größeren Alkylrests der lipophile Charakter.

b) Emulsion mit Wasser, sonst Lösungen. Die verwendeten Alkohole sind aufgrund des Alkylrests alle lipophil, Wasser ist hydrophil.

CH2CH3 OHCH2

CH3

CH2 CH2CH2 CH2 CH2 CH2CH2CH2CH2

CH2CH3 OHCH2 CH2 CH2

CH3 OHCH2 CH2

CH3 OHCH2

CH3 CH2 CH2CH2CH2CH2

H2O Wasser

Heptan

Ethanol

Propan-1-ol

Pentan-1-ol

Dodecan-1-ol

Station 5: Ethanol als Treibstoffa) Vorteile: Geringer Schadstoffausstoß; Motoren sind umweltfreundlicher; verminderte Abhän-gigkeit von Erdölimporten, Erdölvorräte halten länger; Ethanol kann aus nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Zuckerrohr und -rüben) hergestellt werden; sinnvolle Nutzung landwirtschaft-licher Überschussprodukte.Nachteile: Schlechtes Kaltstartverhalten; Vergaser muss umgerüstet werden; erhöhter Treibstoff-verbrauch wegen geringeren Energieinhalts; höhere Kosten.

b) Ethanol hat eine höhere Siedetemperatur, da zwischen den Alkoholmolekülen Wasserstoff-brücken vorhanden sind, bei den Alkanmolekülen im leichtflüchtigen Benzin nur schwache Van-der-Waals-Kräfte.

c) C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O

d) Ethanol besitzt gegenüber dem Erdgas einige Vorteile: Das Ausmaß der erforderlichen Umbauten an den Motoren ist bei der Verwendung von Ethanol wesentlich geringer. Auch wird kein spezieller Tank benötigt. Ferner ist die Infrastruktur für flüssige Treibstoffe bereits vorhanden (Pipelines, Tanker, Tankwagen, Zapfsäulen, Pumpen…), diese müsste für Erdgas neu geschaffen werden. Ethanol kann aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden und besitzt dadurch eine günstigere Kohlenstoffdioxid-Bilanz, Erdgas ist ein fossiler Rohstoff. Nachteil: Ethanol ist wesent-lich teurer.

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e) Nachwachsende Rohstoffe sind v. a. land- und forstwirtschaftliche Produkte, die nicht als Nahrungsmittel Verwendung finden, sondern z. B. als Energieträger, Schmierstoffe, Dämmstoffe oder Ausgangsprodukte für organische Synthesereaktionen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu fossilen Materialien sind sie erst kurz vor ihrer Verwertung entstanden.Weitere Beispiele: Öle und Fette zur Herstellung von Schmiermitteln, Kosmetika, Waschmitteln und Zweitaktmotoren- ölen; Stärke zur Herstellung von Papier, Verpackungsmaterial und Einweggeschirr; Zucker zur Herstellung von Antibiotika, Vitaminen, Kosmetika, Waschmitteln, Klebstoffen; Fasern zur Her- stellung von Textilien, Dämmstoffen und Pressspanplatten; Heil- und Aromastoffe zur Herstellung von Pharmazeutika, Cremes und Mundwasser; Rapsölmethylester als Treibstoff; Wärme und Strom aus Biomasse.f) Nachwachsende Rohstoffe besitzen eine wesentlich günstigere Kohlenstoffdioxid-Bilanz als fossile Rohstoffe, denn bei der Verbrennung nachwachsender Rohstoffe wird nur gerade so viel Kohlenstoffdioxid freigesetzt, wie die Pflanze beim Wachstum gebunden hat.Allerdings muss man den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß bei Anbau, Pflege, Düngung, Ernte und Ver- arbeitung ebenfalls berücksichtigen.

5.22 Exkurs Oxidation von Alkoholen: Aldehyde und Ketone

Zu den AufgabenA1 Primäre Alkohole (z. B. Alkan-1-ole) lassen sich zunächst zu Aldehyden (z. B. Alkanalen), dann zu Carbonsäuren (z. B. Alkansäuren) oxidieren.Sekundäre Alkohole lassen sich zu Ketonen (z. B. Alkanonen) oxidieren.Tertiäre Alkohole reagieren mit milden Oxidationsmitteln, wie z. B. Kupfer (II)-oxid, nicht.

A2

Halbstrukturformel Produkt der Reaktion mit Kupferoxid

primär CH2

CH2

CH2

H3C CH2

OH Pentanal

sekundär

CH2

CH2H3C

HC

OH

CH3

Pentan-2-on

tertiär

H3C C CH2

OH

CH3

CH3

Keine Reaktion

A3

CH2

O

CH2CH3 C CH3

Hexan-2-onButylmethylketon

((Die Reaktionspfeile müssen noch durch die richtigen ersetzt werden))

CH2 CH2

O

CH3 C CH3

Hexan-3-onEthylpropylketon

CH2 CH2

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A4

CH2

CH3

Pentan

CH2 CH2

O

CH3 C CH3

Butanon

CH2 CH3CH3 CH2 CH2 CH2 OH

Butan-1-ol

Die Unterschiede in den Siedetemperaturen werden durch unterschiedlich starke zwischen-molekulare Kräfte hervorgerufen. Dies sind zwischen Pentan-Molekülen relativ schwache Van-der-Waals-Kräfte, zwischen Butan-1-ol-Molekülen starke Wasserstoffbrücken (und permanen-te Dipol-Kräfte). Zwischen Butanon-Molekülen herrschen weniger starke permanente Dipol-Kräfte.

A5 Formaldehyd (Methanal)Eigenschaften: giftig, stechender Geruch, hsd –21 °C, Verdacht auf krebserzeugende WirkungVorkommen: entsteht in geringen Mengen bei der unvollständigen Verbrennung von Holz und KohleVerwendung: Grundstoff bei der Kunststoffherstellung

Acetaldehyd (Ethanal)Eigenschaften: stechender Geruch, hsd 21 °C, Verdacht auf krebserzeugende WirkungVorkommen: Stoffwechselprodukt bei Pflanzen, Tieren und Menschen, Abbauprodukt von Ethanol im Körper („Kater“)Verwendung: Grundstoff bei der Herstellung von Essigsäure, Farbstoffen, Arzneimitteln

Aceton (Propanon)Eigenschaften: angenehm aromatischer Geruch, hsd 56 °C, löst hydrophile und lipophile StoffeVorkommen: in Spuren im menschlichen HarnVerwendung: Herstellung von Plexiglas, Lösungsmittel für Lacke, Harze und Klebstoffe

Zu den VersuchenV1 a–c) Das an der Oberfläche des Kupferdrahtnetzes vorhandene schwarze Kupferoxid reagiert mit den Flüssigkeiten unter Reduktion zu Kupfer. Die Kupferfarbe ist sehr schön an dem Teil des Drahtnetzes zu erkennen, der in die Flüssigkeiten eintaucht.

V2 Propanon löst sowohl hydrophile als auch hydrophobe Stoffe.

V3 Man kann überraschend viel Styropor© in wenig Propanon lösen.

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5.23 Essig und Essigsäure

Zum VersuchV1 Nach einigen Tagen riecht die Lösung sauer und nach Essig.

5.24 Alkansäuren: homologe Reihe

Zu den AufgabenA1 Die höhere Siedetemperatur der Essigsäure weist auf stärkere zwischenmolekulare Kräfte hin, verursacht durch die stark polare Carboxygruppe. Die Carboxygruppe enthält die polare C O-Doppelbindung und die ebenfalls polare O — H-Einfachbindung. Dadurch können sich zwei Essigsäure-Moleküle über Wasserstoffbrücken zu einem Essigsäuredimer (mit der doppelten Teilchenmasse mt = 120 u) zusammenlagern:

H3C CO

O HCH3C

O

OH

. . . . . .

. . . . .

Die Hydroxygruppe des Ethanol-Moleküls ist weniger stark polar, und zwischen zwei Ethanol-Molekülen kann nur eine Wasserstoffbrücke gebildet werden.

A2 a) Mit zunehmender Kettenlänge der Alkansäuremoleküle nimmt auch die Anzahl der Elektronen zu. Dadurch werden die zwischenmolekularen Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte) größer und die Siedetemperaturen werden höher. b) Ab der Dodecansäure sind bei Normdruck die (hypothetischen) Siedetemperaturen der Alkansäuren so hoch, dass sie diese nicht erreichen, sondern sich bereits bei niedrigeren Tempe-raturen zersetzen. Die Siedetemperatur liegt jedoch umso tiefer, je geringer der Druck ist. Bei vermindertem Druck können diese Alkansäuren daher zum Sieden gebracht werden.

A3 Innerhalb der homologen Reihe nimmt die Länge des Alkylrests zu und dessen Einfluss auf das Löslichkeitsverhalten der Alkansäuren wächst somit. Die Säuren werden immer lipophiler und hydrophober. Butansäure ist noch unbegrenzt mit Wasser mischbar, jedoch lösen sich nur ca. 40 g Pentansäure in 1 l Wasser (bei 25 °C).

A4 AmeisensäureVorkommen: wird von Ameisen natürlich produziertVerwendung: Entkalkungsmittel im Haushalt, Konservierungsmittel

Propionsäure Vorkommen: selten, entsteht bei Reifung mancher KäsesortenVerwendung: verhindert als Lebensmittelzusatzstoff die Schimmelbildung

Buttersäure Vorkommen: Ranzigwerden von Butter, Schweiß von Menschen und SäugetierenVerwendung: Ausgangsstoff bei der Herstellung von Duftstoffen

Stearinsäure Vorkommen: in vielen tierischen Fetten und ÖlenVerwendung: als Gemisch mit Palmitinsäure Ausgangsstoff für Kerzen und Seifen

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Zusatzaufgabe 1Benenne die folgenden Verbindungen:a) b)

C

O

OHCH

CH3

H3C

C

O

OHC

CH3

CH2

CH3

H5C2

C

O

OHCH

CH3

H3C

C

O

OHC

CH3

CH2

CH3

H5C2

Lösung:a) 2-Methylpropansäure b) 3,3-Dimethyloctansäure

Zusatzaufgabe 2Ermittle die Strukturformeln von a) 2,3-Dimethylbutansäure, b) Trichloressigsäure.

Lösung:a) b)

CO

CO H

Cl

Cl

Cl

CO

CO H

CCH

H H

C

H H

HH

H

C HH

H

Zusatzaufgabe 3Erstelle die Reaktionsgleichungen für fol gende Reaktionen: a) Propionsäure reagiert mit Calcium, b) Ameisensäure reagiert mit Magnesiumoxid, c) Essigsäure reagiert mit Ammoniak-wasser. Benennen Sie die Reaktionsprodukte.

Lösung:a) 2 CH3CH2COOH + Ca (s) 2 CH3CH2COO– + Ca2+ + H2(g) Reaktionsprodukte: Wasserstoff und Lösung von Calciumpropionat

b) HCOOH + MgO (s) 2 HCOO– + Mg2+ + H2O Reaktionsprodukte: Wasser und Lösung von Magnesiumformiat

c) CH3COOH + NH3 (aq) 2 CH3COO– + NH4+

Reaktionsprodukt: Lösung von Ammoniumacetat

Zusatzaufgabe 4Informiere dich sich über die allgemeine Struktur von Carbonsäureanhydriden. Formuliere dann die Reaktionsgleichung zur Bildung von Propansäureanhydrid.

Lösung:Carbonsäureanhydride entstehen formal durch Abspaltung von einem Wasser-Molekül aus zwei Carboxygruppen, die dann durch eine Sauerstoffbrücke miteinander verbunden sind. Bildung von Propansäureanhydrid:

CO

CH2

O HCH3

CO

O

HC

OCH2CH3

CO

CH2

OCH3

+ HO

H�

CH2CH3

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Zusatzaufgabe 5Recherchiere und erkläre, warum Essigsäure eine höhe re Siedetemperatur als der vergleichbare Alkohol bzw. Aldehyd mit ähnlicher Elektronenzahl und Moleküloberfläche aufweist.

Lösung:

Formel Elektronenzahl mt hsd

Essigsäure (Ethansäure) CH3 — COOH 32 60 u 118 °C

Propan-1-ol CH3 — CH2 — CH2 — OH 34 60 u 97 °C

Propanal CH3 — CH2 — CHO 32 58 u 49 °C

Die Tabelle zeigt, dass sich die Siedetemperaturen der Verbindungen trotz gleicher bzw. sehr ähnlicher Elektronenzahl (und ähnlicher Teilchenmasse) deutlich voneinander unterscheiden. Die hohe Siedetemperatur der Essigsäure ist auf die stark polare Carboxygruppe zurückzuführen. Die Carboxygruppe enthält die polare C O-Doppelbindung und die ebenfalls polare O — H- Einfachbindung. Dadurch können sich zwei Essigsäure-Moleküle über Wasserstoffbrücken zu einem Essigsäuredimer (mit der doppelten Teilchenmasse mt = 120 u) zusammenlagern:

H3C CO

O HCH3C

O

OH

. . . . . .

. . . . .

Die Bildung von Wasserstoffbrücken ist beim Propan-1-ol deutlich schwächer ausgeprägt. Propanal kann keine Wasserstoffbrücken bilden, da keine Wasserstoff-Atome mit hoher positiver Partialladung vorhanden sind.

Zusatzaufgabe 6Mit zunehmender Kettenlänge der Moleküle nimmt die Löslichkeit der Alkansäuren in Wasser ab; in Benzin nimmt die Löslichkeit dagegen zu. Erläutere diesen Sachverhalt.

Lösung:Die kurzkettigen Alkansäuren (Methansäure bis Butansäure) sind sehr gut wasserlöslich. Die polare Carboxygruppe überwiegt im Verhältnis zur unpolaren Alkylkette. Die Moleküle können sowohl untereinander als auch mit Wasser Wasserstoffbrücken bilden. Ab der Pentansäure lösen sich die Alkansäuren nur wenig in Wasser, da der unpolare Rest überwiegt. Die Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin nimmt dagegen mit der Kettenlänge zu, da auch der unpolare Anteil der Moleküle mit der Kettenlänge zunimmt.

Zusatzaufgabe 7Ameisensäure erhielt man früher durch „trockene Destillation“ von Ameisen. Heute gewinnt man Ameisensäure z. B. dadurch, dass man Kohlenstoffmonooxid auf Natrium hydroxid einwirken lässt, wodurch Natriumformiat entsteht. Aus diesem Salz wird die Ameisen säure dann mit Schwefel-säure unter Bildung von Natriumsulfat freigesetzt. Formuliere die entsprechenden Reaktions-gleichungen. Kennzeichne die Säure-Base-Reaktion.

Lösung:

CO (g) + NaOH (s) HCOONa (s)

Säure-Base-Reaktion: 2 HCOONa (s) + H2SO4(aq) Na2SO4(aq) + HCOOH(aq) Base 2 Säure 1 Base 1 Säure 2

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Zusatzversuch 1: Saure Reaktion von Essigsäure (Schülerversuch)Gib etwas verdünnte Essigsäure in ein Reagenzglas und tauche dann Indikator papier in die Lösung.

Beobachtung: Das Indikatorpapier verfärbt sich rot.

Zusatzversuch 2: Neutralisation von Natronlauge mit Essigsäure (Schülerversuch)Gieße etwas verdünnte Natronlauge in ein Erlenmeyerkölbchen, tropfe Phenol phthalein lösung dazu und stellen das Glas auf ein weißes Blatt Papier. Tropfe nun unter gelegentlichem Schwen-ken des Kölbchens langsam verdünnte Essigsäure zur Lauge, bis Ent färbung eintritt.

Beobachtung: Die verdünnte Natronlauge färbt den Indikator Phenolphthalein rotviolett. Bei der Neutralisation durch die zugetropfte Essigsäure wird die Lösung farblos.

Zusatzversuch 3: Reaktion von Essigsäure mit Calciumcarbonat (Schülerversuch)Stecke ein Gärröhrchen in einen durchbohrten Stopfen (etwas Glyce rin als Gleitmittel benutzen) und pipettiere dann etwas frisch hergestelltes Kalkwasser hinein. Gib nun etwas Kalk stein aus einem Wasserkessel (oder Calciumcarbonat) in ein Reagenz glas und gieße Essigessenz dazu. Setze rasch das vorbereitete Röhrchen auf das Reagenzglas.

Beobachtung und Erklärung: Bei der Reaktion entsteht zunächst Kohlensäure; diese zerfällt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser:

CaCO3(s) + 2 H3O+ Ca2+(aq) + H2CO3(aq) + 2 H2O Ca2+(aq) + CO2(g) + 3 H2O

Das Kalkwasser im Gärröhrchen trübt sich durch ausgefälltes Calciumcarbonat:

Ca2+(aq) + 2 OH–(aq) + CO2(aq) CaCO3(s) + H2O

Zusatzversuch 4: Reaktion von Essigsäure mit Magnesium (Schülerversuch)(Schutzbrille!) Gib etwas verdünnte Essigsäure in ein Reagenzglas und wirf etwas Magnesium-band dazu. Fange das entstehende Gas in einem über das Reagenzglas gestülpten zweiten Reagenzglas auf und führe die Knallgasprobe durch.

Beobachtung: Bei der Reaktion entsteht Wasserstoff; die Knallgasprobe verläuft positiv.

Erklärung: Essigsäure zeigt hier die gleiche Reaktion wie andere Säuren mit Metallen. In einer Redoxreaktion reagieren Magnesium-Atome mit Oxonium-Ionen:

Mg + 2 H3O+ Mg2+ + H2 + 2 H2O

Zusatzversuch 5: Reaktion von Eisessig und verd. Essigsäure mit Magnesium (Schülerversuch)Gib in einem Reagenz glas zu ein wenig Eisessig ein Stück Magnesium band. Verdünne nach kurzer Beobachtung langsam mit Wasser. Protokolliere und deute die Versuchs ergebnisse.

Beobachtung: Nach Zugabe des Magnesiumbands zum Eisessig ist eine sehr schwache Gasent-wicklung zu beobachten. Durch Zugabe von Wasser wird die Gasentwicklung deutlich stärker.

Erklärung: In einer Redoxreaktion reagieren Magnesium-Atome mit Oxonium-Ionen:

Mg + 2 H3O+ Mg2+ + H2 + 2 H2O

Eisessig ist (fast) reine Essigsäure. Ganz reine Essigsäure kann keine H3O+-Ionen enthalten, da

diese nur durch Reaktion mit Wasser entstehen können. Die Reaktion mit Magnesium wird hauptsächlich durch die wenigen H3O

+-Ionen, die wegen Spuren von Wasser vorhanden sind, und

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auch durch protonierte Essigsäure-Moleküle (durch Autoprotolyse der Essigsäure entstanden) verursacht. Durch Zugabe von Wasser werden die Essigsäure-Moleküle protolysiert, sodass die für die Redoxreaktion notwendigen H3O

+-Ionen entstehen:

CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+

Hinweise: Weiteres Verdünnen setzt die Konzentration der H3O

+-Ionen wieder herab, sodass die Reaktion langsamer wird. Dieser Effekt ist aber erst bei sehr starker Verdünnung (Umfüllen in ein Becher-glas) zu beobachten.Dampft man die Lösung vorsichtig ein, erhält man Magnesiumacetat (Zersetzung bei zu hoher Temperatur). Man kann die Schüler dazu anregen, zusätzlich die Stoffgleichung zu formulieren:

2 CH3COOH + 2 Mg (CH3COO)2Mg + H2

Zusatzversuch 6: Leitfähigkeit von Eisessig und verdünnter Essigsäure (Lehrerversuch)Man gibt im Abzug etwas Eisessig in ein kleines Becherglas und bestimmt die Leitfähigkeit. Nun wird dest. Wasser zur Säure getropft, wobei laufend die Leitfähigkeit gemessen wird.

Beobachtung: In Eisessig (reine Essigsäure) kann nur mit empfindlichen Geräten eine Leitfähig-keit fest gestellt werden. Mit der Zugabe von destilliertem Wasser steigt die Leitfähigkeit, da durch die Protolyse der Essigsäure Ionen entstehen:

CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+

Hinweis: Die verdünnte Essigsäure kann für weitere Versuche verwendet werden.

Zusatzinformationen

Methansäure (Ameisensäure) wurde 1670 von Fischer in der roten Waldameise entdeckt und erstmals von John Ray 1671 und dann 1749 von Andreas Sigismund Marggraf durch Destillation aus der Ameise gewonnen und nach ihr benannt. Daneben kommt sie vor allem in Pflanzen vor (Brennnessel, Dachwurz), aber auch in sauren Böden, im kalifornischen Erdöl, im Honig und im Tabakrauch. Sie ist in zahlreichen Insektengiften enthalten, im Gift der Ameisen beträgt ihr Anteil bis zu 50 %. Die Laufkäfer (z. B. Bombardierkäfer) entwickeln Bläschen, die bis zu 2 mg Ameisen-säure mit einer Konzentration von 75 % enthalten. Ameisensäure verursacht auf der menschlichen Haut sehr unangenehme, schlecht heilende Verätzungen.Man verwendet sie heute in der Gummigewinnung (Koagulation von Latexmilch), in der Färberei, in der Lederzubereitung und zur Herstellung von Geschmacks- und Geruchsstoffen sowie gelegentlich zum Entkalken. Ferner wird sie bei der Grünfuttersilage eingesetzt, bei der sie die erwünschte Milchsäuregärung begünstigt.

Propansäure (Propionsäure) entsteht beim thermischen Abbau von tierischen und pflanzlichen Materialien und ist daher im Holzessig oder im Steinkohlenteer enthalten. Auch bei verschiede-nen Gärungs- und Fermentationsprozessen wird sie in wechselnden Mengen gebildet, z. B. bei der Vergärung von Kohlenhydratgemischen, von Cellulose in Zellstoffablaugen und von Eiweiß durch Bakterien. Sie tritt auch im Pansen von Wiederkäuern auf. Propansäure ist der wesentliche Bestandteil des Aromas von Emmentaler Käse. Verwendet wird Propansäure vor allem zur Synthese von Propansäureestern, die als Lösungsmit-tel für Harze dienen, und zur Herstellung von Cellulosederivaten. Ferner wird sie zur Herstellung von Kunststoffen benötigt. Propansäure wird als Konservierungsmittel für Lebensmittel verwen-det (E 280), und auch zur Konservierung von Futtergetreide und Futtermitteln.

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Butansäure (Buttersäure) wurde 1823 von Eugène Chevreul aus Butter isoliert. Sie entsteht in geringen Mengen bei der Autooxidation der Milchfette und verursacht deren Ranzigkeit und üblen Geruch. Ferner findet man sie in tierischen Sekreten, in Fußschweiß, in Wurmfarnwurzeln, im fleischigen Mantel reifer Gingko-Früchte, in rohem Holzessig und im Schwelwasser der Braunkohle-Destillationsanlagen. Sie wird v. a. zur Herstellung von Butansäure estern heran-gezogen, die als Aromastoffe, Lösungsmittel und Weichmacher Verwendung finden.

Pentansäure (Valeriansäure) ist eine farblose, unangenehm wie Buttersäure riechende Flüssig-keit. Der Kontakt mit der Flüssigkeit führt zu sehr starker Reizung und Verätzung der Augen sowie der Haut. Die Säure kommt spurenweise in Holzessig und im Schwelwasser von Braunkohle- Destillationsanlagen vor, sowie als Sexuallockstoff bei weiblichen Zuckerrübendrahtwürmern.Verwendung findet Pentansäure v. a. in Form von Glykol- und Polyglykolestern als Schmierstoff, Weichmacher, Emulgator und Korrosionsinhibitor.

Hexansäure (Capronsäure) ist eine ölige, farblose oder schwach gelbliche Flüssigkeit; sie riecht unangenehm schweißartig und nach Ziegen (lat. capra, Ziege). Die Säure kommt als Glycerinester in geringen Mengen in Kuhbutter, Ziegenbutter und Kokosnussöl vor und entsteht auch bei Ver - gärungs prozessen neben Butansäure. Bei Termiten spielt sie die Rolle eines Spurfolgepheromons.Verwendet wird Hexansäure zur Synthese von Fruchtestern und von Aminocapronsäure sowie Caprolactam für die Synthese von Nylon bzw. Perlon.

Heptansäure (Önanthsäure, Enanthsäure) ist ein farbloses, ätzendes, talgig-ranzig riechendes Öl. Heptan säure dient als Stabilisator von Schmiermitteln und als Hydraulikflüssigkeit. Heptan säure-ester sind Bestandteile der Fuselöle und werden in der Parfümindustrie verwendet.

Octansäure (Caprylsäure) ist ein farbloses Öl mit ranzigem Geruch. Sie kommt v. a. in Form ihrer Glycerinester in Ziegenbutter und Kokosnussöl vor, ferner in Weinfuselölen. Sie wirkt wie die Hexan- und Decansäure in wässrigen Emulsionen insektentötend. Blattläuse werden schon bei einer Verdünnung von 1 : 1000 abgetötet. Man verwendet sie zur Herstellung von Sikkativen, Farbstoffen, Antiseptika und Flotationshilfsmitteln.

Nonansäure (Pelargonsäure) ist eine farblose, stark haut- und schleimhautreizende, ölige Flüssig-keit. Sie kommt meist in Form ihrer Ester in den Blättern von z. B. Pelargonium roseum, Artemisia, in Hopfenöl und in ranzigen Fetten vor. Verwendet wird sie zur Herstellung von Alkydharzen, Schmier- mitteln, Weichmachern und in Form ihrer Ester in der Parfümindustrie. Die Säure wirkt schwach bakterizid und fungizid und wird in Wirkstoffen zur Vertreibung von Schlangen ein gesetzt.

Decansäure (Caprinsäure) ist eine farblose, ranzig riechende Masse. Die Säure ist in Form von Glycerinestern u. a. in Kuh- und Ziegenbutter sowie in Kokosnussöl enthalten.

Dodecansäure (Laurinsäure) bildet farblose, in Wasser unlösliche Nadeln. Sie kommt als Glycerin ester in Kokosnussbutter und in Lorbeerfrüchten sowie verestert mit Hexadecanol im Walrat vor. Die Säure wird zur Herstellung spezieller Alkydharze verwendet.

Hexadecansäure (Palmitinsäure) bildet farblose, kristalline Plättchen, die in Wasser unlöslich sind. Sie kommt in Form von Glycerinestern in Fetten und Ölen vor, als Fettsäurekomponente z. B. im Palmöl mit einem Massenanteil von 30 – 45 %. Verestert mit Myricylalkohol (C30H61OH) findet man sie in Bienenwachs, verestert mit Hexadecanol im Walrat.Man verwendet Hexadecansäure zur Herstellung von Schmierölen, Seifen, Waschmitteln, Imprägnierungen sowie als Futterzusatzmittel und zur Herstellung von Palmitaten. Diese finden als Zusatz in Schmierfetten, als Druckfarbenbestandteile und als Gleitmittel Verwendung. Besonders anzumerken ist die Verwendung von Aluminiumpalmitat als Verdickungsmittel in Brandwaffen (Napalm).

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Octadecansäure (Stearinsäure) ist ein weißer, geruchloser, fettiger, in Wasser unlöslicher Feststoff. Sie kommt in großen Mengen als Fettsäurekomponente in Fetten (im Rindertalg z. B. bis zu 25 %) und Ölen vor. Die Säure wird zur Herstellung von Kerzen, Schallplatten, Modellmassen, Salben-grundlagen, Appreturen, Schmierfetten, Seifen, Waschmitteln und Trennmitteln verwendet.

Zusammengestellt nach:Römpp Chemie-Lexikon, 9. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Aufl., VCH, Weinheim

Zu den Schmelztemperaturen der AlkansäurenDie Schmelztemperaturen der Alkansäuren zeigen entlang der homologen Reihe ein auffälliges Verhalten. Dies wird erkennbar, wenn man die Schmelztemperatur gegen die Anzahl der C-Atome aufträgt:

Alkansäure Anz. C-Atome hsm in °CH–COOH 1 +8

CH3–COOH 2 +16

C2H5–COOH 3 –22

C3H7–COOH 4 –7

C4H9–COOH 5 –35

C5H11–COOH 6 –3

C6H13–COOH 7 –7

C7H14–COOH 8 +16

C8H17–COOH 9 +12

C9H19–COOH 10 +31

C10H21–COOH 11 +29

C11H23–COOH 12 +44

C14H27–COOH 13 +42

C15H29–COOH 14 +54

C16H31–COOH 15 +52

C17H33–COOH 16 +631

Anzahl der C-Atome

70

60

50

40

30

20

10

0

–10

–20

–30

–4016

hsm in °C

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Es liegt ein nicht monotones Verhalten vor: Die Schmelz temperaturen der kleinen Moleküle sind höher als die der mittelgroßen Moleküle; außerdem „springt“ die Kurve auf und ab. Betrachtet man die Reihen mit gerader bzw. ungerader Anzahl getrennt, so sind die Abhängigkeiten einfacher (gestrichelte Linien): Man erhält jeweils eine Kurve mit einem Minimum. Dahinter verbergen sich Effekte, die nicht allein durch Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Kräfte erfasst werden können. Moleküle mit einer geraden Anzahl von C-Atomen können sich aus sterischen Gründen energetisch günstiger zusammenlagern. Weitere Einzelheiten: siehe Literatur

LiteraturR. P. Kreher, H. Zimmermann, Ch. Sellinghoff: Homologe Alkansäuren: Schmelzpunktalternanz, Regelmäßigkeit oder Zufälligkeit? Chemie konkret 7 (2000), 174Ch. Sellinghoff, R. P. Kreher, H. Zimmermann: Kristallstrukturen von Alkansäuren, Interpretation von 2- und 3-dimensionalen Ausschnitten. Chemie konkret 7 (2000), 180

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5.25 Die Esterbildung

Zu den AufgabenA1

CO

O HCH3 H O CH2 CH2 CH2 CH3+ C

O

OCH3

CH2 CH2 CH2 CH3

+ H2O�

Essigsäurebutylester Wasser

A2

O

O

C

H

H

H

C C

H

H H

H

CC C

H

H

H

H

H

Zu den VersuchenV1 Nach der Reaktion ist ein charakteristischer Klebstoff-Geruch feststellbar. (Ethansäureethyles-ter ist entstanden.)

V2 Nach der Reaktion wird ein fruchtartiger Geruch wahrnehmbar.

5.26 Exkurs Ester – Eigenschaften und Verwendung

Zu den AufgabenA1 Die zu Essigsäureethylester isomere Carbonsäure ist die Butansäure. Die Siedetemperatur der Butansäure beträgt 164 °C und ist damit viel höher als die des Esters. Da die Estermoleküle keine Hydroxygruppen aufweisen, können sie untereinander keine Wasserstoffbrücken bilden. Die Siedetemperatur des Esters ist daher weit niedriger als die der isomeren Alkansäure.

A2 Die Moleküle des Ameisensäuremethylesters besitzen weniger unpolare Anteile als die des Essigsäureethylesters. Daher löst sich Ameisensäuremethylester besser in Wasser als Essigsäure-ethylester.

Zu den VersuchenV1 Die Esterphase ist in dem Reagenzglas mit 20 ml Wasser fast (evtl. auch ganz) verschwunden im Vergleich zum Reagenzglas mit 2 ml Wasser. Dies zeigt die noch beträchtliche Löslichkeit des Esters in Wasser. Mit Benzin und Pflanzenöl erfolgt keine Phasenbildung.

V2 Es wird ein an Bananen erinnernder Geruch wahrnehmbar.

CH3 CO

O CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

Essigsäurepentylester

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5 Molekülbau und Stoffeigenschaften · 2017-06-13 · 5 Molekülbau und Stoffeigenschaften 4 Elemente Chemie Arbeitsbuch 2 | Rheinland-Pfalz Es soll noch erwähnt werden, dass es