Benutzer:Brockmann/Alkohole/Was ist Trinkalkohol aus chemischer Sicht?

Qualitative Elementaranalyse von Trinkalkohol

Verbrennt man eine Verbindung, die Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, so entstehen als Produkte Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Als Nachweisreagenz für Kohlenstoffdioxid dient Kalkwasser, das sich beim Einleiten des Gases trübt. Diese Nachweisreaktion wird daher auch Kalkwasserprobe genannt.

Als Nachweisreagenz für Wasser kann man Watesmo-Papier verwenden, das ist ein weißes bis hellblaues Papier, das sich bei Vorhandensein von Wasser dunkelblau färbt.

Will man feststellen, ob eine Verbindung Sauerstoff enthält, so benötigt man einen Stoff, der ihr den enthaltenen Sauerstoff entzieht. Hierfür eignen sich gut  unedle Metalle, z. B. Magnesium.

Experiment: Qualitative Elementaranalyse von Trinkalkohol

Teil 1: Nachweis von Kohlenstoff und Wasserstoff Materialien: Porzellantiegel, Becherglas (100 ml), Weithals-Erlenmeyerkolben, Alufolie oder Stopfen, Pinzette, Trinkalkohol, Kalkwasser (Calciumhydroxid-Lösung), Watesmo®-Papier

Durchführung:

1. Verbrenne Trinkalkohol im Porzellantiegel. Halte nach dem Entzünden der Probe kurz ein Becherglas darüber. Prüfe das Kondensat an der Becherglaswand mit Watesmo®-Papier (nutze bei Bedarf die Pinzette). Wiederhole das Darüberhalten und die Prüfung mit Watesmo®-Papier gegebenenfalls. Hinweis: Wenn das Becherglas zu warm wird, kondensiert nichts mehr, daher halte es immer nur kurz über die Flamme.

1. Verbrenne Trinkalkohol im Porzellantiegel. Halte nach dem Entzünden 5-10 Sekunden den Erlenmeyerkolben darüber. Verschließe ihn anschließend schnell mit einem Stopfen oder Alufolie. Gib nun etwas Kalkwasser in den Erlenmeyerkolben, verschließe ihn wieder und schwenke ihn.

Beobachtungen: Das Kondensat an der Becherglaswand färbt das Watesmo-Papier blau. Das Kalkwasser im Erlenmeyerkolben wird trüb.

Teil 2: Nachweis von Sauerstoff

Materialien: Reagenzglas, Stativ mit Stativklemme, Gasbrenner, durchbohrter Stopfen, Glasrohr, Pinzette, Magnesiumband, Trinkalkohol, Sand

Durchführung:

Versuchsaufbau für den Nachweis von Sauerstoff

Unten ins Reagenzglas kommt ein Gemisch aus Sand und Trinkalkohol, ca. 1 Daumenbreit. Das Magnesiumband wird zu einer Spirale gerollt und mithilfe der Pinzette in die Mitte des Reagenzglases geschoben. Anschließend spannt man das Reagenzglas schräg ins Stativ ein und verschließt es mit dem Stopfen, in dem das Glasrohr steckt.

Mit der Brennerflamme wird zunächst kurz etwas Alkohol verdampft, damit kein Luftsauerstoff mehr im Reagenzglas ist. Dann wird die Magnesiumspirale erhitzt, bis sie anfängt zu glühen. Anschließend wird der Sand erhitzt, so dass der Alkohol verdampft und an das glühende Magnesium gelangt.

Beobachtungen: Der Alkoholdampf verstärkt das Glühen des Magnesiumbandes. Es entsteht unter anderem ein weißer Feststoff.

Auswertung

Die positive Kalkwasserprobe zeigt, dass Kohlenstoffdioxid entstanden ist. Trinkalkoholmoleküle müssen also Kohlenstoffatome enthalten. Die Blaufärbung des Watesmo-Papiers zeigt, dass Wasser entstanden ist. Trinkalkohlmoleküle müssen also Wasserstoffatome enthalten. Bei dem weißen Feststoff, der bei der Reaktion von Magnesium mit Trinkalkohol entstanden ist, handelt es sich um Magnesiumoxid. Da kein Sauerstoff aus der Luft mehr im Reagenzglas war und Sand nicht reagiert hat, müssen die Sauerstoffatome im Magnesiumoxid aus dem Trinkalkohol stammen.

Trinkalkohol ist also eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.

Wir wissen nun, aus welchen Elementen Trinkalkohol besteht. Aber wie können wir herausfinden, wie viele Atome dieser Elemente jeweils in einem Molekül Trinkalkohol enthalten sind? Dafür brauchen wir eine quantitative Elementaranalyse.

Die quantitative Elementaranalyse nach Liebig

Wie man herausfinden kann, in welchem Verhältnis die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in Trinkalkohol vorliegen, und wie man damit auf die Summenformel von Trinkalkohol kommt, wird im Folgenden genauer erklärt.

Ursprünglich erfunden wurde diese Methode, die generell für die Bestimmung von Elementverhältnissen in organischen Verbindungen geeignet ist, von Antoine de Lavoisier, erheblich verbessert wurde sie später von Justus von Liebig, nach dem sie häufig benannt wird.

Grundsätzlich beruht die Methode darauf, dass man eine genau abgewogene Menge eines organischen Reinstoffs zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren lässt. Die Reaktionsprodukte werden aufgefangen, damit man ihre Masse bestimmen kann. Anhand der gemessenen Werte kann man das Verhältnis der Elemente berechnen, aus denen die untersuchte Verbindung besteht.

Für die quantitative Elementaranalyse von Trinkalkohol muss man also zunächst reinen, absoluten Alkohol herstellen (s. Benutzer:Brockmann/Alkohole/Wie stellt man alkoholische Getränke her?#Wiederholung: Die Destillation). Davon wiegt man eine ganz bestimmte Menge ein und gibt sie in einem Behälter ins Verbrennungsrohr. Ebenfalls im Verbrennungsrohr befindet sich Kupfer(II)-oxid, das als Oxidationsmittel dient.

Apparatur zur Elementaranalyse nach Liebig

Nun erhitzt man das Kupfer(II)-oxid und den Alkohol, was zu einer Redoxreaktion führt, bei der Alkohol zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert wird und Kupfer(II)-oxid zu Kupfer reduziert wird.

Die entstandenen Gase (Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf) werden durch die Apparatur geleitet. Das entstandene Wasser wird im Trockenrohr von Calciumoxid absorbiert. Das Kohlenstoffdioxid löst sich in der Kalilauge, die sich im Kaliapparat befindet. Sowohl vor als auch nach der Analyse bestimmt man die Masse des Trockenrohrs und des Kaliapparats, so dass man an der Gewichtszunahme sehen kann, wie viel Wasser und wie viel Kohlenstoffdioxid bei der Reaktion entstanden sind.

Jetzt beginnt die Rechnerei, die wir an folgendem Beispiel durchgehen wollen.

Beispielrechnung

Man wiegt 0,521 g Alkohol ein. Die Massenzunahme des Trockenrohrs beträgt 0,620 g, die des Kaliapparats 0,987 g. Das bedeutet, dass bei der Verbrennung 0,620 g Wasser (H₂O) und 0,987 g Kohlenstoffdioxid (CO₂) entstanden sind. Mit diesen Werten kann man den Wasserstoffanteil und den Kohlenstoffanteil folgendermaßen berechnen:

Kohlenstoffanteil: 1 mol CO₂ wiegt 44 g, davon sind 12  Kohlenstoff, also 44 g/12 g x 100 = 27,3 %. Bei unserem Experiment sind 0,987 g Kohlenstoffdioxid entstanden. 27,3 % davon sind Kohlenstoff, also 0,987 g x 27,3 % = 0,269 g

Wasserstoffanteil: 1 mol H₂O wiegt 18 g, davon sind 2 g Wasserstoff (2 x H). Das entspricht 11,1 %. Aus 0,521 g Alkohol sind 0,620 g Wasser entstanden. Davon sind 11,1 % Wasserstoff, also 0,620 g x 11,1 % = 0,069 g

Sauerstoffanteil: Diesen letzten Anteil berechnet man, indem man einfach von der Probenmasse, die man verbrannt hat, den Kohlenstoffanteil und den Wasserstoffanteil abzieht. Übrig bleibt der Sauerstoffanteil:

m_Alkohol – m_Wasserstoff – m_Kohlenstoff = 0,521 g – 0,069 g – 0,269 g = 0,183 g

→ Massenverhältnis von Kohlenstoff : Wasserstoff : Sauerstoff = 0,269 g : 0,069 g : 0,183 g

Berechnung des Stoffmengenverhältnisses Um auf die Verhältnisformel zu kommen, muss man das Stoffmengenverhältnis berechnen. Das bedeutet, dass man ausrechnet, wie viel mol Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in der Probe enthalten sind. Dafür teilen wir die errechneten Massen jeweils durch die molare Masse des Stoffes. Kohlenstoff: 0,269 g / 12 g·mol^-1 = 0,022 mol Wasserstoff: 0,069 g / 1 g·mol^-1 = 0,069 mol Sauerstoff: 0,183 g / 16 g·mol^-1 = 0,011 mol

→ Stoffmengenverhältnis C : H : O = 0,022 mol : 0,069 mol : 0,011 mol

So, wir haben es fast geschafft. Um eine Verhältnisformel aufzustellen, braucht man ganze Zahlen. Um diese zu berechnen, teilt man alle Stoffmengen durch die kleinste Stoffmenge (hier n(O), die Stoffmenge von Sauerstoff). Aufgrund von Messfehlern und Ungenauigkeiten beim Runden erhält man dabei normalerweise keine ganzen Zahlen. Daher rundet man anschließend auf ganze Zahlen auf.

In unserem Fall ergibt sich zunächst C : H : O = 2 : 6,3 : 1,

gerundet: C : H : O = 2 : 6 : 1

Dieses Stoffmengenverhältnis besagt, dass in Alkohol auf je 2 Kohlenstoffatome 6 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom kommen. Man kann daraus eine chemische Verhältnisformel aufstellen:

(C₂H₆O)_n

Von der Verhältnisformel zur Summenformel

Aus der Elementaranalyse nach Liebig kann man nur die Verhältnisformel aufstellen. Man kann nicht feststellen, ob die tatsächliche Summenformel C₂H₆O ist oder C₄H₁₂O₁₂ oder C₆H₁₈O₃ usw.

Dazu braucht man weitere Untersuchungen. So kann man beispielsweise die molare Masse von Trinkalkohol berechnen, indem man eine bestimmte Menge Trinkalkohol verdampft und schaut, wie groß das Volumen ist. Aus den Messwerten ergibt sich, dass die molare Masse M von Trinkalkohol 46 g/mol beträgt. Und damit ist klar, welches die richtige Summenformel sein muss.

Merke

Trinkalkohol ist eine Verbindung aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Summenformel von Trinkalkohol lautet C₂H₆O