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Alkohole

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Kurzinfo
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Lösungsverhalten von Ethanol: Erklärung aus dem Molekülbau

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Homologe Reihe und Nomenklatur

Alkanole (Alkohole) sind Hydroxyderivate der Alkane. Ihre Namen werden aus dem Namen des entsprechenden Kohlenwasserstoffs durch Anhängen des Suffixes -ol gebildet. Funktionelle Gruppe der Alkanole ist die Hydroxylgruppe (OH-Gruppe), die mit ihrem ausgeprägt polaren Charakter die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten der Stoffe in entscheidender Weise bestimmt. Auch die Alkanole bilden eine homologe Reihe, deren ersten Glieder sind:

Die ersten Glieder der homologen Reihe der Alkanole
Name Halbstrukturformel
Methanol (Methylalkohol) CH3-OH
Ethanol (Ethylalkohol) CH3-CH2-OH
1-Propanol (Propylalkohol) CH3-CH2-CH2-OH
1-Butanol (Butylalkohol) CH3-CH2-CH2-CH2-OH

Die Molekülformeln dieser und der weiteren Alkanole lassen sich aus der allgemeinen Formel CnH2n+1OH für die Stoffklasse ableiten, wobei die Hydroxylgruppe ab Propanol endständig (1-Propanol oder auch Propan-1-ol) oder mittelständig (2-Propanol oder Propan-2-ol) sein kann, es tritt hier also das Phänomen der Isomerie auf.

Neben einer solchen Klassifizierung der Alkanole nach der Stellung ihrer charakteristischen Gruppe (primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole) ist die Einteilung nach der Anzahl der Hydroxylgruppen im Molekül von Bedeutung. Zunächst einmal sollen aber diejenigen Alkanole betrachtet werden, deren Moleküle nur eine Hydroxylgruppe besitzen. Sie werden als einwertige Alkanole bezeichnet.

Allgemeine Eigenschaften

Aggregatzustand

Im Vergleich zu den entsprechenden Kohlenwasserstoffen besitzen die Alkanole wesentlich höhere Siede- bzw. Schmelzpunkte. Schon bei den ersten Gliedern in der homologen Reihe der Alkanole handelt es sich um farblose Flüssigkeiten, nicht um gasförmige Stoffe.

Vergleich physikalischer Kenndaten von n-Alkanen und der von ihnen abgeleiteten Alkanole
Alkane Alkanole
Alkan Molekülmasse Siedepunkt Schmelzpunkt Alkanole Molekülmasse Siedepunkt Schmelzpunkt
Methan 16u -161oC -182oC Methanol 32u 65oC> -97oC
Ethan 30u -88oC -183oC Ethanol 46u 78oC -115oC
Propan 44u -42oC -190oC 1-Propanol 60u 97oC -126oC
Butan 58u -1oC -135oC 1-Butanol 74u 118oC -90oC
Pentan 72u 36oC -130oC 1-Pentanol 88u 138oC -78oC
Hexan 86u 69oC -95oC 1-Hexanol 102u 157oC -52oC
Dodecan 170u 216oC -10oC Dodecanol 186u 256oC -24oC
Hexadecan 226u 287oC 18oC Hexadecanol 242u - 50oC
Octadecan 254u 308oC >28oC Octadecanol 270u - 59oC
Mietschke Wasser---Ladungen.gif

Die Ursache für den relativ hohen Siedepunkt des Ethanols und der anderen Alkanole liegt in der Möglichkeit zur Ausbildung von starken intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Alkanolmolekülen. Daher kostet es relativ viel Energie, ein Ethanolmolekül aus diesem Verband zu lösen und in die Gasphase zu überführen. Infolge der hohen Elektronegativität des Sauerstoffatoms ist die C-O-Bindung schwach, die O-H-Bindung sehr stark polarisiert. Aus diesem Grund können Wasserstoffbrücken zwischen den polaren Ethanolmolekülen ausgebildet werden: Das positivierte Wasserstoffatom der OH-Gruppe wird durch das Sauerstoffatom des Nachbarmoleküls mit negativer Teilladung und freiem Elektronenpaar elektrostatisch angezogen, wodurch größere Molekülassoziationen entstehen. Die Wasserstoffbrückenbindungen sind als gestrichelte Linien dargestellt:

Mietschke Wasserstoffbruecken.png

Ähnlich wie bei Wasser sind diese Molekülverbände im festen Zustand stabil, in der Flüssigkeit lösen und bilden sich die Wasserstoffbrücken ständig und in rascher Folge, in der Gasphase liegt Ethanol in Form von Einzelmolekülen, man sagt auch monomer vor. Ab Dodecanol handelt es sich bei den Alkoholen um wachsartige Feststoffe ("Fettalkohole"). Die Zunahme der Siede- und Schmelzpunkte innerhalb der homologen Reihe ist auf das steigende Molekulargewicht zurückzuführen und darauf, dass zwischen den immer länger werdenden Alkylresten die Möglichkeiten zur Ausbildung von van-der-Waals-Kräften zunehmen. Die mit der Moleküllänge steigenden bindenden Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Alkylresten der Moleküle sind auch der Grund für die zunehmende Viskosität. Mit wachsendem Alkylrest ihrer Moleküle werden die Alkanole dementsprechend immer zähflüssiger. Isomere Alkanolmoleküle besitzen ein identisches Molekulargewicht, welches z.B. für die vier isomeren Butanole M(C4H10O) = 74g/mol beträgt. Die vier Flüssigkeiten besitzen allerdings deutlich unterschiedliche Siedepunkte:

Name 2-Methyl-2-propanol Butan-2-ol 2-Methyl-1-propanol Butan-1-ol
Formel H3C – C(CH3)(OH) – CH3 H3C – CH2(OH) – CH2 – CH3 H3C – CH(CH3) – CH2OH H3C – CH2 – CH2 – CH2OH
Siedetemperatur 83 °C 100 °C 108 °C 118 °C

Die lang gestreckten, unverzweigten Isomere besitzen gegenüber den verzweigten, in ihrer Raumgestalt eher "kugeligen" Isomeren den höheren Siedepunkt. Ursache hierfür ist wiederum die bessere Möglichkeit zur Ausbildung von van-der-Waals-Kräften zwischen den Alkylketten, denn linear gebaute, unverzweigte Moleküle besitzen eine größere Oberfläche zur Ausbildung dieser bindenden Wechselwirkungen. Besonders auffällig sind die hohen Siedepunkte der mehrwertigen Alkohole, zudem handelt es sich bei Ethandiol (= Glykol; Siedepunkt 197oC) und besonders bei Propantriol (= Glycerin; Siedepunkt 290oC) um viskose, also zähflüssige Substanzen. Der fünfwertige Alkohol Xylit schließlich ist eine kristalline Substanz mit einem Schmelzpunkt von 61oC, der sechswertige Alkohol Sorbit besitzt einen Schmelzpunkt von 97oC. Diese Eigenschaften lassen auf starke intermolekulare Kräfte zwischen den Polyalkoholmolekülen schließen, und tatsächlich ermöglicht der Besitz von mehreren Hydroxylgruppen im Molekül die Ausbildung von mehr als nur einer Wasserstoffbrücke zu Nachbarmolekülen. Hoher Siedepunkt, erhöhte Viskosität und Feststoffcharakter können also mit der Häufung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen erklärt werden. In der folgenden Moleküldarstellung ist die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) zwischen Ethandiolmolekülen schematisch dargestellt:

Mietschke Wasserstoffverbindungen.png

Löslichkeit

Mietschke-Ethanol-Wasser.gif

Auch das Lösungsverhalten der Alkohole wird weitgehend durch ihre funktionelle Gruppe, die polare Hydroxylgruppe bestimmt. So sind Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol und auch 2-Methyl-2-propanol in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Wie zwischen Wassermolekülen einerseits und Ethanolmolekülen andererseits, kann es auch zwischen Wasser und Ethanolmolekülen zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen kommen, wofür eine strukturelle Verwandtschaft die Ursache ist, denn Ethanol kann nicht nur als Hydroxylderivat des Ethans, sondern auch als Ethylderivat des Wassers betrachtet werden: Die Moleküle beider Stoffe sind gewinkelte Dipolmoleküle, das Molekül des Ethanols ist sozusagen "wasserähnlich" gebaut. Im Folgenden ist die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) zwischen den Wasser- und den Ethanolmolekülen schematisch dargestellt:

Mietschke-WBB-zwischen-Ethanol-Wasser.gif


Beim Mischen von 50 ml Ethanol und 50 ml Wasser im Experiment erhält man eine Lösung mit einem Volumen von ca. 96 ml, also etwas weniger als die zu erwartenden 100 ml. Auch diese Volumenkontraktion beim Lösen von Alkohol in Wasser beruht auf der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wasser- und den Ethanolmolekülen. Doch nicht nur die Hydroxylgruppe, auch der Ethylrest bestimmt das Lösungsverhalten des Ethanols. So mag es zunächst erstaunen, dass sich Ethanol nicht nur mit dem polaren Wasser, sondern auch mit unpolaren Kohlenwasserstoffen wie Hexan unbegrenzt mischen lässt. Erstaunlich ist dieses Phänomen, da Alkane wie etwa Benzin und Wasser sich bekanntlich nicht miteinander mischen lassen.

Legen wir die chemische Regel "Ähnliches löst sich in Ähnlichem" als Erklärung zugrunde, müssen wir schließen, dass Ethanol neben seinem polaren auch einen unpolaren Charakter besitzt, und tatsächlich erkennen wir im Ethanolmolekül neben dem polaren (Hydroxyl-) auch einen unpolaren (Ethyl-)Anteil. Aufgrund seiner polaren funktionellen Gruppe ist Ethanol daher hydrophil ("wasserfreundlich"), aufgrund seines Alkyliestes aber auch zugleich lipophil ("fettfreundlich") und daher mit Alkanen mischbar:

Lösungsverhalten von Ethanol: Erklärung aus dem Molekülbau


Innerhalb der homologen Reihe der Alkanole nimmt die Löslichkeit in Wasser (Hydrophilie) ab, die Löslichkeit in unpolaren Kohlenwasserstoffen (Lipophilie) hingegen zu. Erklären lässt sich dieses Lösungsverhalten dadurch, dass mit wachsendem Alkylrest der Alkanole der lipophile (= hydrophobe) Anteil im Molekül größer wird und damit über die polare Hydroxylgruppe dominiert. Die festen, langkettigen "Fettalkohole" ("Wachsalkohole") wie Hexadecanol, CI6H33-OH sind in Wasser unlöslich, also vollständig hydrophob ("wasserfeindlich").


Löslichkeit von Alkoholen in Wasser
Alkanol Halbstrukturformel Löslichkeit
Methanol CH3-OH in jedem Verhältnis
Ethanol CH3-CH2-OH in jedem Verhältnis
1-Propanol CH3-CH2-CH2-OH in jedem Verhältnis
1-Butanol CH3-CH2-CH2-CH2-OH 7,9g
1-Pentanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 2,3g
1-Hexanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 0,6g
1-Heptanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 0,2g
1-Octanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 0,05g

Vertreter

Ethanol

Mietschke-Ethanol.gif

Der bedeutendste einwertige Alkohol ist Ethanol (auch: Ethylalkohol oder "Weingeist"). Diesen Alkohol kennen wir vor allem als Inhaltsstoff diverser alkoholischer Getränke wie Bier, Wein, Sekt, Sherry, Cognac, Wodka, Rum und Whiskey. Alkoholika enthalten Ethanol in sehr verschiedenen Konzentrationen. So sind in Bier ca. 5 Vol-%, in Wein ca. 10 Vol-%, in Likör ca. 30 Vol-%, und in Weinbrand ca. 40 Vol-% Ethanol enthalten. Hochprozentige alkoholische Getränke mit mehr als 50 Vol-% Alkoholgehalt sind brennbar; so können Speisen wie Früchte oder Eis zur Geschmacksverfeinerung z.B. mit Weinbrand übergossen und angezündet ("flambiert") werden. Auch der bekannte Brennspiritus ist hochprozentiger Alkohol, der allerdings durch Vergällen als Genussmittel unbrauchbar gemacht wird.

Die im Alltag gebräuchliche, wenn auch wenig exakte Bezeichnung "Alkohol" für den Ethanol, bzw. die Namengebung "Alkohole" für die gesamte chemische Stoffklasse der Alkanole hat ihre Wurzel im arabischen (arab. alcool: das Feine). Die Zubereitung von alkoholischen Getränke ist eine jahrtausendalte Kulturtechnik. So stellten die Sumerer bereits vor mehr als 5000 Jahren Bier her, die Germanen bereiteten aus Honig ihren Met (gegorener Honigsaft) und die Griechen und Römer gewannen Wein aus Traubensaft.

Ausgangsstoff für die Bereitung alkoholischer Getränke sind traubenzuckerhaltige Lösungen. Traubenzucker (Glucose) kommt im Saft der Weintrauben, aber auch in vielen anderen Fruchtsäften wie in Apfel-, Kirsch- oder Pflaumensaft vor. Einzellige Hefepilze sind in der Lage, Traubenzucker im anaeroben Milieu, d. h. unter Sauerstoffausschluss, zu Alkohol und Kohlenstoffdioxid zu vergären. Für den Stoffwechselprozess der alkoholischen Gärung lässt sich die folgende Bilanzgleichung angeben:

Mietschke-reaction01.gif


Die Tatsache, dass auch stärkehaltige Pflanzenteile wie Gerste (bei der Bierherstellung) zur Bereitung alkoholischer Getränke geeignet sind, beruht darauf, dass Stärke enzymatisch zu Traubenzucker abgebaut werden kann. Das Enzym Diastase in keimender Gerste (Gerstenmalz) spaltet den Vielfachzucker Stärke in den Doppelzucker Maltose. Ein Enzym der Hefezellen, die Maltase, kann den Doppelzucker Maltose (Malzzucker) zum Einfachzucker Glucose (Traubenzucker) spalten. Der Gärvorgang lässt sich anhand der Kohlenstoffdioxid-Entwicklung verfolgen. Das Gärgefäß, z. B. für den gärenden Traubensaft, darf nicht fest verschlossen sein, denn durch den entstehenden Überdruck könnte es bersten. Bei der Verwendung von Bäckerhefe für die Bereitung von Brotteig läuft ebenfalls die alkoholische Gärung ab, der beim Brotbacken entstehende Alkohol verdampft allerdings während des Backvorgangs. Das entstehende Kohlenstoffdioxid lässt den Teig "aufgehen", es macht ihn damit locker. Dazu stellt man den Teig an einen warmen Ort, da in der Wärme die Stoffwechselprozesse der Hefezellen beschleunigt ablaufen.

Die Herstellung von hochprozentigen alkoholischen Getränken ist durch Gärung allein nicht möglich, denn die Hefepilze sterben bei einem Alkoholgehalt von ca. 15 Vol-% an einer von ihnen selbst verursachten Umweltvergiftung. Höhere Alkoholkonzentrationen wie im so genannten "Spiritus" erreicht man durch das "Brennen", ein Destillationsverfahren, das es z. B. ermöglicht, Branntwein aus Wein zu gewinnen. Der Alkoholgehalt im Destillat beträgt dabei maximal 96 %, die restlichen 4 % sind immer noch Wasser. Reinen, ..absoluten" Alkohol erhält man erst, wenn man den 96 %-igen Alkohol mit einem hygroskopischen (wasserentziehenden) Mittel wie Calciumoxid versetzt und anschließend nochmals destilliert.

Wird der Alkohol nicht zu Spirituosen weiterverarbeitet, so werden ihm häufig übelriechende, schwer abtrennbare Stoffe zugesetzt, die ihn ungenießbar machen („Vergällung“). Ethanol etwa wird so zu Brennspiritus, womit beim Verkauf die hohe Alkoholsteuer entfällt.

Für industrielle Zwecke wird Ethanol nicht biotechnisch - also durch Gärung zuckerhaltiger Säfte - sondern großtechnisch durch Addition von Wasser an den ungesättigten Kohlenwasserstoff Ethen synthetisiert. Diese Reaktion wird durch Schwefelsäure katalysiert:

Mietschke-reaction10.gif


Etwa 80% des in der Bundesrepublik erzeugten Ethanols gelangen in die Industrie und dienen somit nicht als Genussmittel. Ethanol ist ein wichtiges Lösungsmittel für Harze, Lacke und Farbstoffe z. B. in Filzschreibern. Er dient ferner zum Auflösen der Wirkstoffe in Arzneimitteln z. B. von Kräuterextrakten, als Reinigungs-, Desinfektions- und Konservierungsmittel, da er Bakterien und Pilze abzutöten vermag, sowie zur Herstellung von Kosmetika wie Rasierwasser, Mundwasser und Parfüm. In Thermometern kann blau oder rot gefärbter Ethanol außerdem das gefährliche Quecksilber ersetzen. Ethanol ist ein starkes Gift und zudem die wichtigste "Alltagsdroge" unserer Zivilisation. Alkoholkonsum stellt in Deutschland die Unfallursache Nr. 1 im Straßenverkehr dar. Der Genuss mäßiger Mengen alkoholischer Getränke hebt die Stimmung, bei größeren Alkoholmengen kommt es zu einem "Rausch" und schon bei 0,5 o/oo Blutalkoholgehalt ist das Unfallrisiko verdreifacht, da einerseits das Reaktionsvermögen ab- und anderseits die Risikobereitschaft zunimmt. Bei 1,5 o/oo ist das Risiko für einen Unfall mit Personenschaden auf das 16-fache erhöht, der Verkehrsteilnehmer gilt als absolut fahruntüchtig. Auftretendes "Lallen" ist ein Symptom für die Störung des Sprachzentrums in der Großhirnrinde, "Torkeln" ein Anzeichen für eine gestörte Bewegungskoordination im Kleinhirn. Bei noch höheren Alkohol-Blutwerten kommt es zum "Filmriss" (Gedächtnisverlust), bei 3 o/oo ist in der Regel das Stadium der absoluten Hilflosigkeit erreicht und es droht der Tod durch Atemstillstand oder Herzversagen (Koma).

Alkohol schädigt bei Dauerkonsum alle Organe. Besonders betroffen sind die Leber als Entgiftungszentrale, die Nieren, das Herz, der Magen, die Geschlechtsorgane und das Gehirn, wo sich Schädigungen in Konzentrations- und Gedächtnisstörungen äußern, da jeder Rausch mehrere Millionen Gehirnzellen zerstört. In besonderem Maße gefährdet in seiner Entwicklung ist auch der Embryo bei Alkoholmissbrauch der Mutter während der Schwangerschaft.

Da Alkohol eine Droge ist, macht er abhängig und führt schließlich zum Krankheitsbild "Alkoholismus", Der Alkoholkranke steht unter einem inneren Wiederholungszwang zum Konsum; er fühlt sich ohne die Wirkung der Droge verloren und leer (seelische oder psychische Abhängigkeit) und zeigt bei Alkoholentzug quälende Entzugserscheinungen wie Schweigausbrüche, Halluzinationen und Händezittern (körperliche oder physische Abhängigkeit). Alkoholsüchtige sind krank; nur eine Entziehungskur kann ihnen helfen, wobei die Patienten im Anschluss an den Entzog absolut abstinent ("trocken") bleiben müssen und lebenslang rückfallgefährdet sind: "Die Sucht schläft nur."


Methanol

Mietschke-Methanol.gif

Der am einfachsten gebaute Alkohol ist Methanol oder Methylalkohol (auch: "Holzgeist"). Methanol ist das Hydroxyderivat des Methans. Methanol ähnelt in Geruch und Geschmack dem Ethanol, doch ist dieses erste Glied der homologen Reihe der Alkohole ein viel stärkeres Gift. Die tödliche Dosis für einenErwachsenen wird zumeist mit 30-50 ml angegeben, es worden aber auch schon Todesfälle bei weit niedrigeren Mengen (5 ml) bekannt. Die Aufnahme von Methanol führt zu Gehirnschäden und Erblindung durch Schädigung der Sehnerven. Die Vergiftungssymptome wie Bauchkrämpfe, Schwindel, Übelkeit, Sehstörungen und Bewusstlosigkeit treten erst mit Verzögerung nach 15 bis 20 Stunden auf Methanol lässt sich von Ethanol im Labor mithilfe der Boraxprobe unterscheiden. Man gibt zu einigen Millilitern des Alkohols eine Spatelspitze Borax (Dinatriumtetraborat Na2B407) in ein Porzellanschälchen und entzündet die Probe. Bei Methanol zeigt sich eine typische grüne Flammenfärbung, bedingt durch einen leichtflüchtigen, brennbaren Borsäuretrimethylester, der unter diesen Bedingungen entsteht.

Methanol wird großtechnisch aus "Synthesegas" (Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff) hergestellt:

Mietschke-reaction11.gif


Methanol kann als Benzinzusatz oder sogar als Benzinersatz verwendet werden, wobei der Einsatz von Methanol in Verbrennungsmotoren weniger Schadstoffe freisetzt als der von Benzin.

Weitere primäre Alkanole

Wie bereits erwähnt, lassen sich nach der Stellung der Hydroxylgruppe im Molekül zwei isomere Propanole unterscheiden: 1-Propanol (Propylalkohol) mit einem Siedepunkt von 97 oC und 2-Propanol (Isopropylalkohol) mit einem Siedepunkt von 82 oC:

Mietschke-1-Propanol,2-Propanol.gif

2-Propanol ist der einfachste Vertreter der sekundären Alkohole. Bei den Butanolen existieren bereits vier Isomere. Die homologe Reihe der Alkohole lässt sich fortsetzen mit:

  • Butylalkohol(1-Butanol) CH3-CH2-CH2-CH2-OH (Siedepunkt:117 oC) und·Amylalkohol(1-Pentanol) CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH (Siedepunkt: 138 oC).

Feste Alkohole mit 12 bis 18 Kohlenstoffatomen werden aus Erdöl synthetisiert und sind wichtige Ausgangsstoffe für die künstlichen Tenside (Waschmittel). Wichtige Vertreter sind:

  • Laurylalkohol(1-Dodecanol)CH3-(CH2)10-CH2-OH(Schmelzpunkt: 24oC) und ·Stearylalkohol(1-Octadecanol)CH3-(CH2)16-CH2-OH (Schmelzpunkt: 59 oC).

Sekundäre und tertiäre Alkanole

Eine weitere Klassifizierung der Alkohole orientiert sich an der Stellung der Hydroxygruppe innerhalb der Moleküle.

Maehnrot.jpg
Merke:

Bei primären Alkoholen ist die OH-Gruppe endständig. Das Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe trägt, ist nur an ein weiteres Kohlenstoffatom gebunden. Kennzeichnende Atomgruppe primärer Alkohole ist daher die OH-Gruppe.

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Merke:

Bei sekundären Alkoholen ist das die Hydroxygruppe tragende C-Atom an zwei weitere C-Atome gebunden.

2-Propanol (CH3–CH2OH–CH3) ist der einfachste Vertreter der sekundären Alkohole.

Maehnrot.jpg
Merke:

Bei tertiären Alkoholen schließlich ist das die Hydroxygruppe tragende C-Atom mit drei weiteren C-Atomen verknüpft.

Beispiele:

Die vier obigen Beispiele (jeweils als Skelettformel) besitzen alle die Summenformel C4H10O bei unterschiedlichem Molekülaufbau. Es handelt sich bei den vier Stoffen um die vier isomeren Butanole. Die Substanzen unterscheiden sich in ihren Siedepunkten und hinsichtlich ihrer Wasserlöslichkeit voneinander.

Mehrwertige Alkanole

Neben der Klassifizierung der Alkanole nach der Stellung der Hydroxylgruppe im Molekül - also in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole - ist die Einteilung nach der Anzahl der Hydroxylgruppen in ein-, zwei-, dreiwertige Alkanole bedeutsam:


Maehnrot.jpg
Merke:

Mehrwertige Alkanole, auch Polyole oder Polyalkohole genannt, tragen mehrere funktionelle OH-Gruppen, im Höchstfall so viele, wie Kohlenstoffatome im Molekül vorhanden sind.


Nach der Erlenmeyer-Regel sind Verbindungen mit mehr als einer Hydroxylgruppe an einem Kohlenstoffatom nicht stabil.


Ethandiol

Der einfachste zweiwertige Alkohol heißt 1,2-Ethan-diol, mit Trivialnamen auch Glykol bzw. Ethylenglykol. 1,1-Ethandiol wird als Frostschutzmittel in den Kühlflüssigkeiten von Kfz-Motoren eingesetzt, denn ein 1:1 -Gemisch aus Wasser und Glykol gefriert erst bei Temperaturen von -40 oC. Ethandiol lässt sich sehr kostengünstig aus Erben synthetisieren. Mittels Silber(1)-oxid als Katalysator kann Ethen durch Luftsauerstoff zu Ethylenoxid oxidiert werden. Ethylenoxid ist eine stark giftige Substanz, die sich im Tierversuch als eindeutig krebserregend erwiesen hat. Säurekatalysiert reagiert das Gas Ethylenoxid mit Wasser zu Ethandiol weiter:

Mietschke-reaction13.gif

Mietschke-reaction14.gif


Aus Ethandiol lässt sich ein sehr wichtiges Lösungsmittel, der cyclische Ether 1,4-Dioxan (Diethylenoxid) herstellen. In einer Kondensationsreaktion - also unter Wasserabspaltung - entsteht säurekatalysiert aus zwei Ethandiolmolekülen ein Sechsringmolekül mit zwei Sauerstoffatomen im Ring:

Mietschke-1,1-EthandiolDioxan.gif


Propantriol

Der bedeutendste dreiwertige Alkohol heißt 1,2,3-Propantriol (mit Trivialnamen Glycerin bzw. Glycerol). Sein wenig gebräuchlicher deutscher Name ist "Ölsüß", der Bezug auf die Eigenschaften der sehr viskosen, farblosen, süßlig schmeckenden Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 290 oC nimmt.

Glycerin ist eine wertvolle Verbindung, die äußerst vielseitig verwendet werden kann. Als Bestandteil der Triglyceridmoleküle, die pflanzliche und tierische Fette und Öle aufbauen, ist Glycerin in der Natur außerordentlich verbreitet. "Fette" sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren. Kokosnussöl enthält mehr als 15 %, Palmöl, Sojaöl und Rindertalg enthalten jeweils ca. 10 % Glycerin.

Bei der Seifenherstellung aus natürlichen Fetten fällt Glycerin als kostbares Nebenprodukt an. Die technische Synthese von Glycerin geht vom Propengas aus, das in größeren Mengen beim Crackprozess in der Rohölverarbeitung anfällt. Aus der Umsetzung von Propen mit Chlor erhält man bevorzugt Allylchlorid (3-Chlor-1-propen):

Mietschke-reaction03.gif

Durch Addition von hypochloriger Säure (HOCl) an die Doppelbindung wird Allylchlorid in ein Produktgemisch aus 2,3-Dichlor-1-propanol (Glycerin-1,2-dichlorhydrin) und 1,2-Dichlor-2-propanol(Glycerin-1,3-dochlorhydrin) überführt:

Durch Umsetzung mit verdünnter Natronlauge kann dann die Reaktion zu Glycerin erfolgen:

Mietschke-152,3Dichlor-1-propanol.gif


Einige der vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten des Glycerins:

  • Im Gemisch mit Wasser fungiert Glycerin als Frostschutzmittel, z.B. im Autokühler.
  • In der Herstellung von Nitroglycerin (Dynamit); hierzu wird Glycerin mit Nitriersäure, einem Gemisch aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt.
  • Zusammen mit Dicarbonsäuren reagiert Glycerin zu Polyestern die hierzu zählenden Alkydharze finden Verwendiing bei der Produktion von Kunstharzlacken wie z. B. Autolacken.
  • Glycerin dient als Hautpflegemittel in kosmetischen Präparaten,
  • in der Pharmazie zur Herstellung von Salben und Zahnpasta,
  • in Nahrungsmitteln als zugelassener Zusatzstoff E 422 und
  • ist ein beliebtes Schmier-, Gleit- und Abdichtungsmittel.


Weitere mehrwertige Alkanole

Mit steigender Anzahl von Hydroxylgruppen verstärkt sich der süße Geschmack der Polyalkohole, eine Eigenschaft die bei Glykol (Ethandiol) schwach, bei Glycerin (Propantriol, "Ölsüß") schon deutlich ausgeprägt ist. Xylit, ein Pentanpentaol (audi Pentit genannt), besitzt nahezu die gleiche Süßkraft wie der so genannte "Rohr-" oder "Haushaltszucker", die Saccharose. Sorbit, ein Hexanhexaol (oder Hexit) besitzt ungefähr 50 % der Süßkraft von Saccharose, fördert die Bildung von Karies aber weniger stark als diese, da es von Kariesbakterien nicht zu organischen Säuren abgebaut werden kann. Polyhydroxyverbindungen wie Xylit und Sorbit, die keine Zucker sind, aufgrund ihrer hohen Süßkraft aber Verwendung als Zuckeraustauschstoffe ("Diabetikerzucker", Süßstoff) finden, werden auch Zuckeralkohole genannt. Sorbit kommt in hohen Konzentrationen (10 %) in den Früchten der Eberesche (Sorbus aucuparia), den "Vogelbeeren" vor und hat so seinen Namen erhalten. In geringen Mengen findet sich Sorbit aber auch in Äpfeln, Kirschen, Pflaumen und anderen Früchten.

Xylit besitzt eine recht hohe Lösungswärme, d.h. der Lösevorgang in Wasser verbraucht Energie, läuft also endotherm ab. Eine Tatsache, die man sich zu Nutze macht, wenn man diesen Zuckerersatzstoff in Eiskonfekt oder Eisbonbons einsetzt: Das Auflösen der kristallinen Substanz auf der Zunge hat einen spürbar kühlenden Effekt. Der Einsatz von Xylit in verzehrfertiger Nahrung - mit Ausnahme von Getränken ist bis zu einem Gewichtsanteil von 100 g/kg zulässig, es gibt aber Nahrungsmittel wie Kaugummi, Marzipan oder Nougat, für die eine solche Obergrenze nicht gilt.


Chemische Reaktionen

Mögliche Reaktion als Säure

Infolge der strukturellen Ähnlichkeit des Wasser- und des Ethanol-Dipolmoleküls erscheint es denkbar, dass das Alkoholmolekül als Säure, also als Protonendonator gegenüber dem Wassermolekül (Protonenakzeptor) fungieren könnte, ein Vorgang, der mit der Autoprotolyse des Wassers vergleichbar wäre:

Mietschke-reaction04.gif


Obwohl das Ethanolmolekül ein recht starker Dipol ist, findet die Reaktion

Mietschke-reaction05.gif


nicht in nennenswertem Umfang statt, wässrige Lösungen von Ethanol reagieren daher nicht sauer.

Reaktion mit Alkalimetallen

Eine Reaktion, die jener von Wasser entspricht, zeigt Ethanol bei Umsetzung mit starken Reduktionsmitteln (Elektronendonatoren) wie Natrium. Es reagiert wie Wasser mit Natrium unter Wasserstoffentwicklung und Salzbildung:

Mietschke-reaction06.gif

Mietschke-reaction07.gif


Ethanolate (allgemein: Alkoholate) sind nur unter Ausschluss von Feuchtig- keit beständig. Mit Wasser reagieren Alkoholate augenblicklich zum betreffenden Alkohol und Hydroxid:


Reaktion mit Oxidationsmitteln

Hinsichtlich ihrer Reaktion mit oxidationsmitteln unterscheiden sich primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole (Alkohole) grundlegend.


Maehnrot.jpg
Merke:

Oxidation kann als Elektronenabgabe definiert werden, ein Oxidationsmittel stellt somit einen Elektronenakzeptor dar.


Bei organischen Verbindungen lässt sich eine Oxidation leicht erkennen, wenn man die Oxidationszahlen der Kohlenstoffatome im Molekül ermittelt.


Maehnrot.jpg
Merke:

Steigt die Oxidationszahl eines Kohlenstoffatoms, so entspricht dies einer Oxidation am entsprechenden Atom.


Die Oxidationszahl ist dabei eine formale, hypothetische ("gedachte") Ladungszahl. Um die Oxidationszahlen der Atome in organischen Molekülen zu ermitteln, denkt man sich die Moleküle aus Ionen aufgebaut und schlägt dazu bindende Elektronenpaare dem elektronegativeren Bindungspartner zu. Die Elektronegativität (EN) beschreibt allgemein das Vermögen eines Atoms, Bindungselektronen zu sich zu ziehen. Eine hohe Elektronegativität besitzen z.B.die Elemente Fluor, Chlor, Sauerstoff und Stickstoff:

Elektronegativität wichtiger Elemente
Wasserstoff H - 2,1 Stickstoff N - 3,5 Fluor F - 4,0
Kohlenstoff C - 2,5 Schwefel S - 2,5 Chlor Cl - 3,0
Sauerstoff O - 3,5 Phosphor P - 2,1 Brom Br - 2,8


Das bindende Elektronenpaar einer C-H-Bindung wird also dem elektronegativeren Kohlenstoff, das einer C-O-Bindung dem elektronegativeren Sauerstoff zugeschlagen. Die auf diese Weise ermittelte Anzahl der den einzelnen Atomen zugeordneten Elektronen wird dann mit der "normalen" Anzahl der Außenelektronen des Atoms verglichen, die leicht anhand der Stellung des Elements im Periodensystem ermittelt werden kann, da sie der Hauptgruppennummer des Elements entspricht:

Anzahl der Außenelektronen
Wasserstoff H - 1 Stickstoff N - 5 Fluor F - 7
Kohlenstoff C - 4 Schwefel S - 6 Chlor Cl - 7
Sauerstoff O - 6 Phosphor P - 5 Brom Br - 7


Da jedes Elektron eine negative Elementarladung trägt, gilt, dass ein Atom, das nach der Zuordnung der Bindungselektronen einen "Elektronenüberhang" hat, eine negative Oxidationszahl erhält, z.B. bei einem Elektron "zu viel" die Oxidationszahl-1, dass umgekehrt ein Atom mit "Elektronendefizit" eine positive Oxidationszahl erhält, z. B. bei zwei Elektronen "zu wenig" die Oxidationszahl +II. Dabei ist immer zu bedenken, dass die Oxidationszahl eine formale Ladungszahl darstellt und die Atome im Molekül dadurch nicht zu Ladungsträgern werden. Sind zwei gleichartige Atome an einer Bindung beteiligt, z. B. im Falle der C-C-, C= C- und C=C-Bindungen, so werden die bindenden Elektronen gleichmäßig zwischen ihnen aufgeteilt. Während Kohlenstoff (IV. Hauptgruppe) alle Oxidationszahlen von -IV, z.g. bei Methan CH4, bis +IV, z. B. bei Kohlenstoffdioxid CO2, annehmen kann, hat Wasserstoff in organischen Molekülen stets die Oxidationszahl +I und Sauerstoff in der Regel die Oxidationszahl -II (Ausnahme: Peroxide). Die Summe der Oxidationszahlen der Atome eines Moleküls muss null ergeben.

Wird das Ethanolmolekül an dem Kohlenstoff oxidiert, das bereits eine Hydroxylgruppe trägt, so entsteht ein instabiles Molekül mit zwei OH-Gruppen an einem Kohlenstoffatom, das nach der Erlenmeyer-Regel instabil ist und unter Wasserabspaltung reagiert:

Mietschke-reaction16.gif

Mietschke-reaction17.gif


Die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms Cl steigt von -1 auf +I, das entspricht einer formalen Abgabe von zwei Elektronen und stellt somit eine Oxidation dar. Reaktionsprodukt der Oxidation des Ethanols ist Ethanal, ein Vertreter der Stoff klasse der Alkanale (Aldehyde) Ethanol kann aber auch auf andere Weise in Ethanal überführt werden, nämlich durch den Einsatz von Wasserstoffakzeptoren wie dem Edelmetall Palladium, d.h. ohne dass Sauerstoff verfügbar sein müsste:

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Hier werden dem Ethanolmolelcül gleichsam zwei Wasserstoffatome entzogen, wir sprechen in diesem Fall aber nicht von einer Oxidation, sondern von einer Dehydrierung.


Wird 2-Propanol, der einfachste sekundäre Alkohol, oxidiert, gelangt man zu einer weiteren neuen Stoffklasse:

Die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms C2 steigt von 0 auf +II, das entspricht einer formalen Abgabe von zwei Elektronen und stellt eine Oxidation dar. Reaktionsprodukt der Oxidation des 2-Propanol ist das Propanon (Trivialname: Aceton), ein Vertreter der Stoffklasse der Alkanone (= Ketone). Betrachtet man das Molekül des einfachsten tertiären Alkanols, des 2-Methyl2-propanols, so erkennt man, dass am Kohlenstoffatom, das die OH-Gruppe trägt, keine weitere oxidation erfolgen kann, ohne dass im Molekül eine C-CBindung zerstört wird:


Zusammenfassung

Zusammenfassende Übersicht zum Thema Alkohole

Aufgaben

Teste dein Wissen

  Stift.gif   Aufgabe 1

Geben Sie ein geeignetes Verfahren zur Trennung von Ethanol (Siedetemperatur = 78,4°C) und Wasser an. Begründen Sie ihre Wahl.

  Stift.gif   Aufgabe 2

Berechnen Sie (unter Annahme eines vollständigen Stoffumsatzes) für die Herstellung von einer Tonne Methanol:

a) Das erforderliche Volumen an Kohlenmonoxid und
b) Das erforderliche Volumen an Wasserstoff jeweils in Kubikzentimetern und bei Normbedingungen.
  Stift.gif   Aufgabe 3

Welche Eigenschaften der Alkohole sind auf die Hydroxylgruppe zurückzuführen?

  Stift.gif   Aufgabe 4

Begründen Sie folgende Aussage: "Glycol ist ein Alkohol, aber kein Alkanol."

  Stift.gif   Aufgabe 5

Begründen Sie anhand der Definition für Alkohole, dass Phenol nicht den Alkoholen zugeordnet werden kann.

  Stift.gif   Aufgabe 6

Berechnen Sie die erforderlichen Massen an Natrium und an

a) Methanol und
b) Hexanol

zur Darstellung von 50 Milliliter Wasserstoff.

  Stift.gif   Aufgabe 7

Erläutern Sie am Beispiel der Alkanole den Zusammenhang zwischen Struktur der Moleküle und den Eigenschaften der Stoffe.

  Stift.gif   Aufgabe 8

Entwickeln Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Methanol und Ethanol.

  Stift.gif   Aufgabe 9

Welches Volumen an Sauerstoff wird durch die Verbrennung von Ethanol verbraucht, wenn 0,25 Liter Brennspiritus (= 0,79, angenommener Masseanteil von Ethanol 90 Prozent) verbrennen?

  Stift.gif   Aufgabe 10

Berechnen Sie das Volumen an Ethen, dass zur Darstellung von 100 Liter Ethanol (= 0,79 ) umgesetzt werden muss.

  Stift.gif   Aufgabe 11

Für ein Experiment sind zwei kleine Standzylinder mit je 100 Milliliter Ethen zu füllen. Welche Masse an Ethanol wird zur Darstellung des Ethens mindestens benötigt?

  Stift.gif   Aufgabe 12

Erläutern Sie die Darstellung von Methanol aus Methan. Entwickeln Sie die Reaktionsgleichungen zu diesem Prozess.

  Stift.gif   Aufgabe 13

Berechnen Sie die Masse an Chlor, die bei vollständigem Stoffumsatz benötigt wird, um durch Substitutionsreaktion

a) 10 Gramm Methanol und
b) 10 Gramm Ethanol

darzustellen.

  Stift.gif   Aufgabe 14

Geben Sie in einer Übersicht alle Ihnen bekannten Möglichkeiten zur Herstellung von Ethanol und die dazugehörigen Reaktionsgleichungen an.

  Stift.gif   Aufgabe 15

Entwickeln Sie die Reaktionsgleichungen

a) für die Dehydrierung von Methanol und
b) für die Dehydrierung von Ethanol.

Experiment

Nuvola apps edu science.png   Versuch

Zersetzen von Eiweißen

Aufgabe
  1. Prüfen des Einflusses von Ethanol auf Eiweiße.
  2. Auswerten der Beobachtung und ziehen von Rückschlüssen auf die gesundheits-schädliche Wirkung von Ethanol
Geräte und Chemikalien
  • Reagenzglas
  • Ethanol
  • Zwei Schälchen
  • Ein Ei
Durchführung
  1. Trennen Sie des Eiweißes vom Eigelb
  2. Geben Sie das Eiweiß in das Reagenzglas
  3. Geben Sie reichlich Ethanol in das Reagenzglas mit dem Eiweiß
  4. Leicht schütteln, bis sich eine Reaktion abzeichnet
Beobachtung






Auswertung






Material

Lernzirkel Alkohole

→ Lernzirkel Alkohole

Linkliste

Diese Seite ist am 13.10.2011 entstanden aus einer Kopie der Inhalte der inzwischen gelöschten Seite: http://www.zum.de/Faecher/Ch/SN/C9/Alkohole/Text.htm