Protokoll 5: Alkohole – Eigenschaften, Oxidation und Nachweise
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Chemie-Praktikum Nr.5 vom 13.05.03 Team: Franz Gravenhorst, Julian Schorpp Klasse 11c Chemie-Praktikum Nr.5 13.05.03 Alkohole – Eigenschaften, Oxidation und Nachweise Versuch 4: Eigenschaften mehrwertiger Alkohole 1. Versuchsaufbau siehe Aufgabenblatt 2. Versuchsdurchführung siehe Aufgabenblatt 3. Beobachtung 1 Folgende Laufzeiten konnten wir messen: Laufzeit für 10 cm Ethanol 5 Sek. 1-Propanol 3 Sek. Glykol 11 Sek. Glycerin 72 Sek. Anzahl C-Atome 2 3 2 3 Anzahl OH-Gruppen 1 1 2 3 4. Ergebnis 1 Innerhalb der homologen Reihe der einwertigen Alkanole nimmt die Viskosität mit zunehmender C-Anzahl zu, d.h. die Fließgeschwindigkeit nimmt ab. Bei unseren beiden Substanzen Ethanol und 1-Propanol war dies zwar nicht der Fall, aber wenn man an längerkettigere Alkohole, wie z.B. die Fettalkohole denkt, -ab 12 C-Atome fließen sie schließlich gar nicht mehr, da sie einen festen Aggregatzustand haben- erscheint die Aussage einleuchtend. Innerhalb der homologen Reihe der mehrwertigen Alkanole nimmt die Viskosität mit zunehmender C-Anzahl auch zu (und zwar sehr viel mehr als in der homologen Reihe der einwertigen Alkoholen), d.h. die Fließgeschwindigkeit nimmt ab. Der Versuch hat dies eindrucksvoll bestätigt: der dreiwertige Alkohol (Glycerin) floss fast sieben mal langsamer als der zweiwertige Alkohol. Auch wenn man Alkohole mit gleicher C-Anzahl aber unterschiedlicher Wertigkeit untereinander vergleicht, kommt man zu diesem Ergebnis: Glykol (2 C-Atome) floss doppelt so schnell als Ethanol (auch 2 C-Atome), da Glykol zweiwertig und Ethanol einwertig ist. Das selbe lässt sich auch feststellen, wenn man 1-Propanol und Glycerin miteinander vergleicht: beide haben 3 C-Atome, allerdings ist Glycerin dreiwertig und 1-Propanol Chemie-Praktikum Nr.5 vom 13.05.03 Team: Franz Gravenhorst, Julian Schorpp Klasse 11c lediglich einwertig, was dann auch die 24 mal höhere Fließgeschwindigkeit des 1Propanol erklärt. Siedepunkte: Wir haben zwar keine Siedepunkte untersucht, jedoch kann man diese zumindest qualitativ von der Viskosität (also der Laufgeschwindigkeit) herleiten. Schließlich sind beide Effekte auf die zwischenmolekularen Kräfte zurückzuführen. Ein langsam fließender Alkohol hat (im Allgemeinen) einen höheren Siedepunkt als ein schneller fließender Alkohol. Somit lässt sich die obere Aussage über den qualitativen Zusammenhang beim Vergleich der Viskosität von einwertigen mit mehrwertigen Alkoholen auf die Siedepunkte übertragen: Vergleicht man die Siedepunkte von Alkoholen gleicher Kettenlänge, aber unterschiedlicher Wertigkeit untereinander, kommt man zu dem Ergebnis, dass immer der jeweils höherwertigere Alkohol einen höheren Siedepunkt hat. Zur Begründung genügt ein einfacher Vergleich der zwischenmolekularen Kräfte, die ja schließlich für den Siedepunkt ausschlaggebend sind. Zwei zwischenmolekularen Kräfte sind hier maßgebend: Van-der-Waals-Kräfte und H-Brückenbindungen. Da die Van-der-Waals-Kräfte von Masse und Oberfläche des Moleküls abhängen und diese beiden Größen bei gleicher Kettenlänge sich nicht sehr verändern (zumindest nicht so stark, dass dies einen so hohen Siedepunkt-Unterschied rechtfertigen könnte), müssen die H-Brückenbindungen den enormen SiedepunktUnterschied ausmachen. H-Brückenbindungen bilden sich zwischen den Hydroxyl-Gruppen aus (schließlich sind diese gewinkelt und sehr polar). Die Erklärung ist also denkbar einfach: bei mehrwertigen Alkoholen existieren mehr Hydroxyl-Gruppen, also bilden sich auch mehr H-Brücken aus, was insgesamt den „zwischenmolekularen Zusammenhalt“ stärkt. Dies wiederum bedeutet nichts anderes, als dass der Siedepunkt höher ist. 3. Beobachtung 2 Nach Zugabe der leicht türkisfarbenen Kupfersulfatlösung und der klaren NaOHLösung konnten wir folgende Veränderungen erkennen: Veränderung Anzahl OH-Gruppen (Wertigkeit) Ethanol trüb, hellblau 1 1-Propanol trüb, leicht blau 1 Glykol klar, dunkelblau 2 Glycerin Klar, kräftig blau 3 4. Ergebnis 2 Zunächst tritt folgende Reaktion ein: Chemie-Praktikum Nr.5 vom 13.05.03 Team: Franz Gravenhorst, Julian Schorpp Klasse 11c CuSO4 + 2 NaOH Cu(OH)2 + Na2SO4 Bei einwertigen Alkoholen (hier: Ethanol und 1-Propanol) macht sich der unlösliche Niederschlag (Cu(OH)2) in einer Trübung bemerkbar. Bei mehrwertigen Alkoholen (hier: Glykol und Glycerin) reagiert das Cu(OH)2 weiter zu einem löslichen Komplexsalz, d.h. es ist keine Trübung ersichtlich. Wenn diese löslichen Komplexsalze allerdings der Raumluft ausgesetzt werden, oxidieren sie relativ schnell, sodass z.B. bei der Versuchsdurchführung bei Glycerin schnell eine milchig-grüne Flüssigkeit entstand. Merksatz: Bildet der Alkohol nach Zugabe von Kupfersulfatlösung und Natriumhydroxidlösung eine trübe Flüssigkeit, so handelte es sich um einen einwertigen Alkohol, bildet sich eine klare Flüssigkeit, handelte es sich um einen mehrwertigen Alkohol. Verwendung von Glykol:1 Frostschutzmittel (in wassergekühlten Motoren, Sprinkleranlagen o.Ä.), Wärmeträgerflüssigkeit (in Sonnenkollektoren), Lösungsmittel, Kunststoffe, mineralölfreie Schmiermittel (Brems- und Hydraulik-Flüssigkeiten), Waschrohstoffe, Textilhilfsmittel, Feuchthaltemittel, Anti-Beschlagsmittel, Gastrocknung, Desinfektionsmittel Verwendung von Glycerin:1 Gleitmittel, Frostschutzmittel, Feuchthaltemittel (Cremes, Tabakbefeuchtung), Kunststoffe, Sprengstoffe (Nitroglycerin), Heiz- und Kühlflüssigkeiten, AntiBeschlagsmittel, Synthese von Farbstoffen, Weichmacher für Kautschukwaren, Abdichtungsmittel, Fettsynthesen Versuch 1: Kaliumpermanganat, ein „gefragtes“ Oxidationsmittel in der Chemie stellt sich vor 1. Versuchsaufbau siehe Aufgabenblatt 2. Versuchsdurchführung siehe Aufgabenblatt 3. Beobachtung2 1 Quellen: „Chemie heute – Sekundarbereich I“, Schroedel Verlag, 1994 und Fachbuch (von Frau Vogler) 2 Bildnachweis: http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/oktober.htm Chemie-Praktikum Nr.5 vom 13.05.03 Team: Franz Gravenhorst, Julian Schorpp Klasse 11c Kurz nachdem wir einige Tropfen Glycerin auf das lilafarbene KMnO4-Pulver gaben, entzündete es sich. Es war eine leicht pinkfarbene Flamme zu sehen (oben mehr orange, unten blau). Es rauchte stark (zum Glück nur unter dem Abzug) und zurück blieb schließlich ein grauer Feststoff. Hinweis: Von der Uni Erlangen ist zu diesem Versuch ein Video verfügbar (allerdings ist uns der Versuch um einiges besser gelungen): http://www2.chemie.uni-erlangen.de/education/medprak/videos/glycerin.mpg 4. Ergebnis3 Durch die Oxidation des Glycerins durch das Kaliumpermanganat findet eine starke Wärmeentwicklung statt, wobei Glycerin je nach Reaktionsbedingungen zu Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonooxid, Kaliumcarbonat und Wasser oxidiert werden kann und Kaliumpermanganat zu Kaliummanganat(VI), Braunstein (grauer Feststoff) und Mangan(III)-oxid reduziert wird: C3H5(OH)3 + KMnO4 CO2 / CO / K2CO3 / H2O / K2MnO4 / MnO2 / Mn2O3 Die Reaktion ist so stark exotherm, dass nach einiger Zeit die Entzündungstemperatur erreicht wird und es zu einer Flammenbildung kommt. ...nun ist auch klar, was unter „brandfördernd“ (Gefahrensymbol bei Kaliumpermanganat) zu verstehen ist . Versuch 2: Oxidation der Propanole mit Hilfe von KMnO4 und Nachweis der Oxidationsprodukte 1. Versuchsaufbau siehe Aufgabenblatt 2. Versuchsdurchführung siehe Aufgabenblatt 3. Beobachtung 3 Quelle: http://www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0208.html (Experiment des Monats) und http://www.versuchschemie.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=29 (Zeitzünder-Gemisch) Chemie-Praktikum Nr.5 vom 13.05.03 Team: Franz Gravenhorst, Julian Schorpp Klasse 11c Nach dem Mischen der pinkfarbenen, klaren KMnO4-Lösung mit der klaren Schwefelsäure und dem 1-Propanol bzw. 2-Propanol erhielten wir zunächst eine rosafarbene, klare Flüssigkeit. Nach weiterer Zugabe von 1- bzw. 2-Propanol erhielten wir schließlich eine klare, nur noch sehr schwach rosa-schimmernde Flüssigkeit A. Nach Zugabe der (farblosen, klaren) Schiffschen Lösung (= schwefelige Fuchsinlösung) färbten sich beide Flüssigkeiten (die mit 1-Propanol und die mit 2Propanol) leicht violett. Das Gemisch der Fehlingschen Reagenz I (hellblau, klar) und II (klar) ergab eine königsblaue, klare Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit mischten wir mit der einen Flüssigkeit A (mit 1-Propanol) und führten mit unserem Bunsenbrenner Wärme zu. Es trat allerdings keine weitere Verfärbung ein, die Flüssigkeit blieb blau, wurde allerdings etwas trüb. Mit der anderen Flüssigkeit A (mit 2-Propanol) führten wir diese sog. Fehling-Probe nicht durch (da sie schon bei 1-Propanol nicht geklappt hat). 4. Ergebnis Das anfangs pinkfarbene KMn7+O4 wurde durch den Alkohol zu farblosem Mn2+SO4 reduziert. Der primäre Alkohol wird dabei zu einem Aldehyd, der sekundäre Alkohol zu einem Keton oxidiert. 1-Propanol: Reduktion Rgl.: 5 CH3-CH2-C-IH2-OH + 2 KMn7+O4 + 3 H2SO4 5 CH3-CH2-C+IHO + K2SO4 + 2 Mn2+SO4 + 8 H2O Oxidation Propanal 2-Propanol: Reduktion Rgl.: 5 CH3- C-0HOH-CH3 + 2 KMn7+O4 + 3 H2SO4 5 CH3-C+IIO-CH3 + K2SO4 + 2 Mn2+SO4 + 8 H2O Oxidation Aceton Schiffsche Probe: Die Schiffsche Probe ist eine Nachweisreaktion für Aldehyde bzw. Carbonylgruppen (auch wenn sich die Literatur bei letzterem offenbar nicht ganz einig ist). Fällt die Chemie-Praktikum Nr.5 vom 13.05.03 Team: Franz Gravenhorst, Julian Schorpp Klasse 11c Probe positiv aus, färbt sich die Reagenz violett, was auch bei uns beide Male der Fall war. Fehling-Probe: Die Fehling-Probe ist eine Nachweisreaktion für Aldehyde. Fehling I: CuSO4-Lösung Fehling II: NaOH + K-Na-Tartrat Fehling I und II zusammen (königsblau, klar): es sind Cu2+ - Ionen und OH- - Ionen vorhanden. „Normal“ würde sich also unlösliches Kupferhydroxid bilden, was sich in einem blauen Niederschlag bemerkbar machen würde. Gibt man aber ein Aldehyd hinzu und führt Wärme zu, dann bildet sich ein roter Niederschlag, Cu2O: CH3-CH2-CHO + 2 Cu2+ + 4 OH- Cu2O + 2 H2O + CH3-CH2-COOH Eigentlich hätte die Probe bei der Flüssigkeit mit dem 1-Propanol (das schließlich durch das Kaliumpermanganat vorher zu Propanal oxidiert wurde) positiv und bei der Flüssigkeit mit dem 2-Propanol (das vorher zu Aceton oxidiert wurde) negativ ausfallen sollen. Letztere Probe führten wir allerdings nicht mehr durch, da schon die erste (überraschender Weise) negativ ausfiel.
