5.1.5 Induktiver Effekt (I-Effekt)
Ausschlaggebend: Elektronegativität (EN) der Substituenten (Atomgruppen, Atome die dranhängen). Dabei werden Elektronen über mehrere Bindungen angezogen oder „abgestoßen“.
Reichweite: 3 benachbarte Bindungen.
(-I)-Effekt (sprich: „minus I Effekt“; „negativer I Effekt“).
• Substituenten (Atomgruppen) mit höherer Elektronegativität (Bsp.: Halogene, Sauerstoff-Verbindungen, ...)• „Elektronenziehend“:
Ziehen Bindungselektronen zu sich
Auswirkung: z.B. Erleichterte Abspaltung eines Protons; Alkohol kann als Säure reagieren.
(+I)-Effekt (sprich: „plus I Effekt“; positiver I Effekt)
Elektropositiveren Substituenten (Bsp.: Alkylgruppen). Je mehr bzw. je länger die Alkylgruppe, umso stärker ist der +-I-Effekt.
„Elektronenschiebend“:
Auswirkung: z.B. geringere Säurestärke
Keinen I-Effekt haben Wasserstoffatome.
Auswirkung für das Experiment und Vergleich: Ethanol + Natrium und Wasser + Natrium
Bei diesem Experiment (siehe Seite zuvor) kommt es zu einer heftigeren Reaktion, wenn das Proton (vom Wasser oder Alkohol) leicht abgespalten wird. Je leichter es abgespalten wird, umso stärker ist ja auch seine Säure-Wirkung. Da Wasser keinen positiven induktiven Effekt hat (hat ja auch keine Alkylgruppe), reagiert es heftiger als Ethanol (positiver induktiver Effekt durch Alkylgruppe).
5.1.4 Versuch: Ethanol + Alkalimetall
Versuch: Ein Stück Lithium ( SE ) wird auf Ethanol, Benzin und Wasser gegeben. Alternativ kann man die Experimente auch mit Natrium als Lehrerversuch durchführen. Die Reaktionsgleichungen sind mit dem Alkalimetall Natrium formuliert. Für Lithium gilt es analog.
Bei Wasser ist der Aufbau etwas komplizierter:
Beobachtung: Gasentwicklung; das entstehende Gas ist brennbar; Natrium „verschwindet“; die neu entstandene Lösung leitet den elektrischen Strom; dampft man die Lösung ein, entsteht ein weißer Feststoff.
Ergebnis:
Ethanol (Struktur a) reagiert mit Natrium unter Wasserstoffbildung. Struktur b (Dimethylether) würde so nicht reagieren, da sich kein Proton abspalten kann. Somit besitzt Ethanol die Strukturformel:
1. Natrium + Wasser
a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)
b) Reaktionsgleichung
| 2 Na (s) | + | 2 H₂O (l) | → | 2 NaOH (aq) | + | H₂ (g) |
| Natrium | Wasser | Natriumhydroxid | Wasserstoff | |||
| fest | flüssig | gelöst | gasförmig |
2. Natrium + Ethanol
Man kann Ethanol ja als Derivate (=Abkömmlinge) von Wasser betrachten. Wasser hat ein Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atome; Ethanol hat ein Sauerstoff-Atom, ein Wasserstoff-Atom und eine Ethyl-Gruppe. Beim Ethanol ist also ein Wasserstoff-Atom durch eine Ethylgruppe ersetzt. Wenn wir diese Alkylgruppe als "Rest" betrachten, dann zeigt sich die Verwandtschaft von Ethanol mit Wasser. Hat man also die Reaktionsgleichung von Wasser mit Natrium verstanden, dann müsste einem auch die Reaktionsgleichung von Ethanol (und anderen Alkoholen) leichtfallen. Versucht nun einmal, die Reaktion von Natrium mit Ethanol zu formulieren.
a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)
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b) Reaktionsgleichung
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2 Na (s) + 2 C₂H₅OH (l) 2 NaC₂H₅O (aq) + H₂ (g)
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Auswertung: Es ist keine „klassische“ Säure-Base-Reaktion nach Brönstedt. Grund: +I-Effekt (vgl. unten) der Methylgruppe (Protonierung ist erschwert). Es handelt sich hier um eine Redoxreaktion (Veränderung der Oxidationenszahlen). Formal geben zwei Moleküle Ethanol je ein Proton ab. Jedes Proton nimmt von einem Natrium- bzw. Lithiumatom ein Elektron auf; es bilden sich so zwei Wasserstoffatome, die sich zu einem Wasserstoffmolekül zusammenlagern. Analog, nur heftiger, verläuft die Reaktion mit Wasser.
Weitere Übungen:
Lithium und Methanol
Formuliert auch dafür die Reaktionsgleichung (vgl. oben)
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Kalium und Propanol
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III. Quantitative Elementaranalyse
46g Ethanol ergeben bei der Verbrennung 88 g CO₂ und 54 g H₂O
- in 2 mol CO₂ sind 2 mol C (24g) enthalten
- in 3 mol H₂O sind 6 mol H (6g) enthalten
46 g Ethanol enthalten somit 2 mol C (24g) und 6 mol H (6g) und 1 mol (16g).
Atomzahlverhältnis im Ethanol: C : H : O = 2 : 6 : 1
Verhältnisformel: C₂H₆O₁
Molekülformel: C₂H₆O (Molekülmasse = 46u)
IV. Ermittlung der Strukturformel von C₂H₆O
Zwei Möglichkeiten:
| |
 |
|
| Struktur a | Struktur b | |
| Hier hat das Wasserstoffatom eine Sonderstellung, da es durch die polare Atombindung mit Sauerstoffatom stark positiviert ist | Alle Wasserstoffatome sind gleich gebunden. Sie sind nicht (oder kaum) positiviert | |
| ZMK | ||
|
Hoher Siedepunkt:
|
"Normaler" Siedepunkt (bei Zimmertemperatur gasförmig):
|
|
| Ethanol könnte (wie Wasser) als schwache Säure reagieren. |
Wichtig: Ethanol und Dimethylether sind Derivate (Abkömmlinge) des Wassers.
Beide Strukturen leiten sich vom Wasser ab, jedoch ist Struktur a wasserähnlicher.
R1 = - C₂H₅ (Ethylrest)
R2 = - CH₃ (Methylrest)
Siedepunkt: Struktur a +78°C und Struktur b -25°C
Um herauszufinden, welche dieser Strukturen auf Ethanol zutrifft bitte nächste Seite anschauen.
5.1.3 Formelermittlung von Ethanol
I. Qualitative Elementaranalyse
Versuch 1: Verbrennungsanalyse
- Ethanol verbrennt zu Wasser und Kohlenstoffdioxid;
- Nachweis von CO₂: Kalkwasser (weißer NS)
- Nachweis von H₂O: Watesmo-Papier wird blau
1. Ergebnis: Ethanol enthält somit zumindest C und H.
Versuch 2: Ethanol reagiert mit Magnesium - Sauerstoffnachweis
Durchführung:
- Aufbau siehe Abbildung
- Zunächst wird das Magnesiumband zum Glühen gebracht
- Danach verdampft man den Alkohol, der über das glühende Magnesiumband streicht.
Beobachtung:
Sobald Ethanol über das glühende Magnesiumband streicht glüht dieses heller auf und es bleibt ein kristalliner weißer Feststoff (Magnesiumoxid) übrig.
Ergebnis:
- Ethanol enthält neben Kohlenwasserstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff.
II. Molekülmassenbestimmung (Verdampfungsmethode)
Hinweis: Dieser Versuch nur bei ausreichender Zeit durchgeführt. Nicht wundern, falls ihr das nicht im Heft stehen habt (dann kommt es auch in der Klausur nicht dran).
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Versuch: Molmassenbestimmung von Ethanol
In den Erlenmeyerkolben werden 0,1 ml Ethanol eingespritzt. Auf der vergrößerten Oberfläche der Glasperlen wird das Ethanol leicht verdampft. Das entsprechende Gasvolumen kann am Kolbenprober abgelesen werden.
Auswertung:
0,1 ml Ethanol haben bei Standardbedingungen (SATP)* (25°C) ein Dampfvolumen von 43 ml.
0,1 ml Ethanol haben bei Normalbedinungen (0°C) ein Dampfvolumen von 37,8 ml.
Eingesetzte Masse Ethanol: über Dichte:
ρ = Dichte
m = Masse
V = Volumen
Rechnung:
37,8 ml Ethanol (NB) haben die Masse 0,079 g: ρ = m/V = 0,079 g/37,8 ml = 0,0021 g/ml
Über das molare Gasvolumen bei Normalbedingung Vm (Gas) = 22,4 L kann man die Molmasse berechnen.
1 mol Ethanoldampf unter NB haben die Masse:
M(Ethanol) = (0,079 g * 22 400 ml)/37,8 ml = 46,8 g (Dreisatz)
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Literaturwert: M(Ethanol) = 46 g/mol.
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* SATP-Bedingungen (Standard Ambient Temperature and Pressure)