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Ethanol

  • 2.6 Phenole

    2.6 Phenole = Hydroxybenzole

    Vorkommen:

    02 06 00 ta a beispiele fuer phenole

     

    2.6.1 Monohydroxybenzol = Phenol

    a) Physikalische Eigenschaften

    • Smp.: 40,9; Sdp.: 181,9 °C
    • In Wasser nur mäßig löslich (bildet bei ZT eine Emulsion)
    • Starkes Zellgift, durch Haut resorbiert

    b) Chemische Eigenschaften

    • Oxidiert an Luft leicht ⇨ rötliche Färbung
    • Karbolsäure“: 2 %ige Säure; Desinfektion
    • Im Gegensatz zu Ethanol sauer:

    1. Phenol als schwache Säure
    pKS = 9,95

    02 06 01 a ta phenol reagiert mit wasser


    Grenzformeln des Phenolations

    02 06 01 c ta grenzformeln von phenolation

     

      Phenol Ethanol
    Säurestärke höher niedriger
    Induktiver Effekt

    02 06 01 d saeurestaerke phenol

    schwacher -I-Effekt ⇨ elektronenziehend

    ⇨ H⁺-Abgabe ist erleichtert

    02 06 01 e saeurestaerke ethanol

    +I-Effekt ⇨ Elektro-nenschiebend
    H⁺-Abgabe ist er-schwert.

     Anion: Mesomeriestabilisiert  konjungierte Base (Phenolat): negative Ladung ist über den ganzen Ring delokalisiert ⇨ stabilisiert! Keine Stabilisierung durch Mesomerien 
     Brønsted-Säure stärker  schwächer 
    Brønsted-Base schwächer  stärker 

     

    2.6.3 Synthese

    90% der Weltproduktion nach der Hock-Synthese

    Wirtschaftliches Verfahren, da auch Aceton nutzbar ist.

    siehe Heftaufschrieb

    2.6.4 Verwendung

    Herstellung von Kunststoffen (Polyamide, Phenoplasten, Phenolharzen und Polycarbonaten)

  • 5 Alkanol, Alkohol

    5 Alkanol, Alkohol

    5.1 Ethanol, Trinkalkohol, Weingeist

    5.1.1 Herstellung

    Alkoholische Gärung:
    Mikroorganismen (z.B. Hefe = Pilze) nutzen diesen Stoffwechselweg zur Energiegewinnung, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist (= anaerobe Bedingungen). Dabei werden Kohlenhydrate (vor allem Glucose) mit Hilfe von Enzymen (Biokatalysatoren) in Kohlenstoffdioxid und Ethanol umgewandelt.

    Zucker (Glucose) --(Hefe)-->  Ethanol + Kohlenstoffdioxid ΔH < 0

    Ferner entstehen Glycerin, Methanol, „Fuselalkohole“ (= höhere Alkohole), Aldehyde, Ketone, organische Säuren und Ester.

    Bei einem Volumenanteil von etwa 14% Ethanol stellen die meisten Hefen ihre Tätigkeit ein.

    Problem: Wie kann höher konzentriertes Ethanol gewonnen werden?

    Lösung:
    Destillation: Ein Verfahren zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch Verdampfen und anschließender Kondensation des Dampfes.

    Vgl. AB .

    5.1.2 Eigenschaften

    a) physikalische

    • farblose Flüssigkeit
    • Siedetemperatur: +78°C
    • Schmelztemperatur: -114°C
    • Gute Mischbarkeit mit Wasser und Benzin (SE )

    b) chemische

    • brennbar
  • 5.1.3 Formelermittlung von Ethanol

    5.1.3 Formelermittlung von Ethanol

    I. Qualitative Elementaranalyse

    Versuch 1: Verbrennungsanalyse

     05 01 03 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

    Versuchsaufbau: Ethanol reagiert mit Magnesium - Sauerstoffnachweis

    Durchführung: 

    1. Aufbau siehe Abbildung
    2. Zunächst wird das Magnesiumband zum Glühen gebracht
    3. 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). 

    Literaturwert: M(Ethanol) = 46 g/mol.

     

    _______________

    SATP-Bedingungen (Standard Ambient Temperature and Pressure)

     

  • 5.1.3 Formelermittlung von Ethanol - Teil II

    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:

     04 ta strukturformel ethanol        04 ta methylether 
     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: 

    • Wasserstoffbrückenbindung
    • Dipol-Dipol-Wechselwirkung
    • van-der-Waals-Kräfte
     

     "Normaler" Siedepunkt (bei Zimmertemperatur gasförmig): 

    • nur van-der-Waals-Kräfte
         
    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. 

    Abkömmlinge des Wassers 


    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. 

  • 5.1.4 Versuch Ethanol reagiert mit Alkalimetall

    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: 

    Lithium und Wasser

    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:

    Strukturformel Ethanol


    1. Natrium + Wasser

    a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)

    Reaktionsgleichung Natrium reagiert mit Wasser

    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)



    b) Reaktionsgleichung

    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)

    Kalium und Propanol

     

  • 5.1.5 Induktiver Effekt

    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

    Negativer induktiver Effekt


    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“: 

    positiver induktiver Effekt

    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). 

  • 5.2 Homologe Reihe der Alkohole, Alkanole

    5.2 Homologe Reihe der Alkohole, Alkanole

    Vgl. AB

    Vervollständige die Tabelle: 

     Name Strukturformel Summenformel Schmelztemp. Siedetemp. Aggregatzustand

    Löslichkeit in Wasser

    Löslichkeit in Benzin
     Methanol      - 96,9 °C 64,5 °C  flüssig    
           - 114,1 °C 78,5 °C  flüssig    
           - 126,5°C 97,4 °C  flüssig    
           - 89,5 °C 117,3 °C  flüssig    
           - 79,0 °C 137,3 °C  flüssig    
     ... ... ... ... ... ...    
    Hexadecanol      50,0 °C  334,0 °C  fest    

     

    5.2.1 Alkohole bestehen aus zwei verschiedenen Gruppen:

    Hydroxygruppe (früher Hydroxyl-Gruppe):

     04 ta hydroxylgruppe

     

    Sowohl vom positivierten Wasserstoff als auch vom negativierten Sauerstoff können Wasserstoffbrücken ausgehen (Hydrophiler Rest).

    b) Alkylgruppe (bspw. "Methyl"):

     02 ta dichteberechnung

     

    Hier liegt kein positivierter Wasserstoff vor, es können sich keine Wasserstoffbrücken ausbilden (Hydrophober Rest).

    5.2.2 Einige wichtige Alkohole

    a) Methanol (Methylalkohol, „Holzgeist“): CH₃OH

    01 ta versuchsaufbau molmassenbestimmung von ethanol

    Sdp.: + 65°C

    Herstellung: Aus Methangas
    Verwendung:

    • Zur Synthese in der chemischen Industrie
    • Frostschutzmittel

    Nachweis: Grüne Flamme von Trimethylborat LE

    b) Ethanol (Ethylalkohol, „Weingeist“): C₂H₅OH

     04 ta strukturformel ethanol

    Sdp.: + 78°C

    c) Propanol (Propylalkohol) C₃H₇OH

    1. 1-Propanol oder n-Propanol
      Sdp.: 97°C

     1-Propanol = Propan-1-ol = n-Propanol

    1. 2-Propanol oder Isopropanol
      Sdp.: +82°C
      Verwendung: u.a. Lösungsmittel

     05 ta iso propanol 2 propanol

    d) Butanol (Butylalkohol);C₄H₉OH

    Es gibt vier isomere Verbindungen:
    AA: zeichnet alle 4 Isomere und beschriftet sie nach der Genfer Nomenklatur

    5.2.3 Löslichkeit von primären und unverzweigten Alkoholen 

     Löslichkeit von... in Wasser in Benzin
    Methanol gut wenig
    Ethanol gut gut
    1-Propanol gut gut
    1-Butanol wenig gut
    1-Pentanol wenig gut

     

    Versuchsskizze: Methanol + Benzin

     05 ta versuch reagenzglas mischung

     05 folie methanol propanol

     

     

     

    Merke: Je länger das Alkoholmolekül, desto ähnlicher den Alkanen (unähnlicher dem Wasser).

    Allgemein gilt: „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“

    Niedere (kurzkettigere) Alkohole können Solvathüllen bilden deshalb Salze lösen (jedoch schlechter als Wasser!). Es gibt sogar feste Salze mit „Kristallalkohol“. (analog: Salze mit Hydratwasser).

  • 5.2.4 Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole

    5.2.4 Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole

    a) Bei primären Alkoholen ist das C-Atom, das die OH -Gruppe trägt, an höchstens ein weiters C-Atom gebunden.
    Bsp.: Ethanol

     05 ta primaerer alkohol

    b) Bei sekundären Alkoholen ist das C-Atom, das die OH -Gruppe trägt, an zwei weitere C-Atome gebunden.

    Skizziert zunächst selbständig eine Strukturformel, für welches die Definition gilt: 

    c) Bei tertiären Alkoholen... (vervollständigt die Definition und zeichnet ein mögliches Molekül):

     5.2.5 Allgemeine Molekülformel der Alkohole (Alkanole)

    CnH2n+1OH
    Alle Alkohole enthalten die Hydroxygruppe (Hydroxylgruppe) als funktionelle Gruppe.

  • 5.3 Chemische Reaktionen von Alkohol

    5.3 Chemische Reaktionen von Alkohol, Alkanol (am Beispiel von Ethanol)

    5.3.1 Bindungsverhältnisse

     05 03 01 ta bindungsverhaeltnisse ethanol

     

    5.3.2 Ethanol und Natrium (Redoxreaktion)

    Ein Thema, welches schon zuvor angesprochen wurde

    5.3.3 Verbrennung von Ethanol

    Übung: Formuliere eine Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Ethanol. Bestimme hierfür auch die Atome, die oxidiert und die reduziert wurden und begründe Deine Wahl. 

    5.3.4 Reaktion von Ethanol mit Bromwasserstoffsäure

    Im Mikroglasbaukasten werden 1ml Ethanol mit 4 ml HBr erhitzt. Das entstehende Produkt wird in Wasser eingeleitet. Das neue Produkt (Bromethan) besitzt eine größere Dichte als Wasser.

    Ablauf der Reaktion:


    1. Schritt: Protonierung


    ⇒ Säure-Base-Reaktion

    05 03 04 ta protonierung von ethanol

    2. Schritt: Nucleophile Substitution

    Es handelt sich also um eine nucleophile Substitution, SN-Reaktion.

    05 03 04 ta nucleophile substitution mit bromid teil 2

    Substitution an Alkoholen laufen meist erst nach Protonierung ab! Ein Hydroxidion (OH⁻ ) ist stärker nucleophil und viel schwerer abzuspalten als ein Wassermolekül (schwach nucleophil).