Die Alkanole: Bau und Eigenschaften
Alkanole entstehen aus Alkanen, wenn ein H-Atom durch eine Hydroxygruppe ersetzt wird. Diese eine Gruppe verändert Siedetemperatur und Löslichkeit — und entscheidet, wie das Molekül eingeteilt wird.
Ethanol durch Gärung
Hefe baut Glucose ohne Sauerstoff zu Ethanol und CO₂ ab. Optimum etwa 30 °C; ab etwa 15 Vol.-% Ethanol stellt die Hefe die Arbeit ein.
Hydroxygruppe und Name
Ein H-Atom des Alkans wird durch –OH ersetzt. Name: Stamm + Lokant + ol, der Lokant so klein wie möglich.
Siedetemperatur
Zwischen den OH-Gruppen wirken Wasserstoffbrücken — Alkanole sieden viel höher als Alkane ähnlicher Masse. Mit der Kette wachsen zusätzlich die Van-der-Waals-Kräfte.
Löslichkeit
Hydrophile OH-Gruppe gegen lipophilen Alkylrest: C₁–C₃ sind unbegrenzt mit Wasser mischbar, ab C₄ nur begrenzt, ab etwa C₆ kaum noch. Längere Kette: besser in Heptan löslich.
Wertigkeit
Zahl der OH-Gruppen. Mehrwertige Alkanole bilden mehr Wasserstoffbrücken, sind zähflüssig und gut wasserlöslich: Glykol (Ethan-1,2-diol, 197 °C), Glycerin (Propan-1,2,3-triol, 290 °C).
Primär, sekundär, tertiär
Gezählt werden die C-Nachbarn des C-Atoms mit der OH-Gruppe: 1 → primär, 2 → sekundär, 3 → tertiär.
Hydroxygruppe ist kein Hydroxid-Ion
Die OH-Gruppe ist über eine Elektronenpaarbindung am C-Atom gebunden und spaltet sich in Wasser nicht ab. Alkanole reagieren deshalb neutral und leiten den Strom nicht — anders als Natronlauge.
Oxidation: vom Alkanol zur Säure
Mit Kupferoxid lassen sich Alkanole oxidieren. Welches Produkt entsteht, hängt allein davon ab, wie viele H-Atome das C-Atom mit der OH-Gruppe noch trägt.
Oxidation mit Kupferoxid
Heißes, schwarzes CuO wird im Alkanol blank: CuO wird zu Cu reduziert, das Alkanol gibt das H der OH-Gruppe und ein H am selben C-Atom ab. Tertiäre Alkanole reagieren nicht.
Alkanale
Carbonylgruppe am Kettenende (Aldehydgruppe –CHO), Endung -al, z. B. Propanal. Entstehen aus primären Alkanolen.
Alkanone
Carbonylgruppe in der Kette mit zwei C-Nachbarn, Endung -on, ab C₅ mit Lokant. Entstehen aus sekundären Alkanolen, z. B. Propanon (Aceton).
Nachweise für Alkanale
Fehling: tiefblau → ziegelroter Niederschlag Cu₂O. Silberspiegel: Silber scheidet sich an der Glaswand ab. Alkanone: beide negativ. Das Alkanal wird dabei zur Alkansäure oxidiert.
Alkansäuren
Weitere Oxidation der Alkanale: Carboxygruppe –COOH am Kettenende. Das Carboxy-C zählt beim Namen mit: CH₃COOH ist Ethansäure (Essigsäure).
Saure Reaktion
Nur das H der Carboxygruppe geht als Proton an Wasser; Oxonium-Ionen machen die Lösung sauer. Säurerest-Ion: -oat, z. B. Ethanoat.
Propanal, Propanon, Propanol
Ein Buchstabe entscheidet: -ol Alkanol, -al Alkanal, -on Alkanon. Propanal und Propanon haben dieselbe Summenformel \(\ce{C3H6O}\) — unterscheiden lassen sie sich mit der Fehling- oder Silberspiegelprobe, die nur beim Alkanal positiv ist.
Oxidationszahlen und Energie
Oxidationszahlen machen sichtbar, welches Atom oxidiert wird; das Energiediagramm zeigt, dass jede Oxidationsstufe energieärmer ist als die vorige.
Oxidationszahl am C
Jedes Bindungselektronenpaar geht an den elektronegativeren Partner (O 3,5 > C 2,5 > H 2,2), bei C–C wird geteilt. Jedes C-Atom einzeln bestimmen: im Ethanol C‑2 −III, C‑1 −I.
Oxidationsreihe
Das C-Atom mit der funktionellen Gruppe wird Schritt für Schritt oxidiert: Die OZ steigt von Ethan über Ethanol, Ethanal und Ethansäure bis zum CO₂.
Energiestufen
Jede Stufe liegt tiefer als die vorige, jeder Schritt ist exotherm. Die Summe der Schritte ist die Verbrennungsenergie des Ethans.
Energieentwertung
Die Energie geht als Wärme an die Umgebung. Sie bleibt erhalten, ist aber kaum noch nutzbar. Auch exotherme Reaktionen brauchen einen Anstoß (Zündung, heißes CuO).
Warum Ethanol weniger Energie liefert als Ethan
Ethanol ist schon teilweise oxidiert: Beim Schritt Ethan → Ethanol wurden bereits 193 kJ je mol frei. Deshalb liefert seine Verbrennung nur 1367 statt 1560 kJ je mol — Energie geht nicht verloren, sie wurde nur früher abgegeben.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
In der Klausur kosten selten die großen Ideen Punkte, sondern diese drei Stellen.
Lokant ist nicht Klasse
Die Zahl im Namen gibt die Position der OH-Gruppe an. Ob ein Alkanol primär, sekundär oder tertiär ist, zeigen erst die C-Nachbarn: Propan-2-ol ist einwertig und sekundär, Pentan-3-ol ist sekundär, nicht „tertiär“.
Erst einteilen, dann das Produkt nennen
Vor jeder Oxidationsaufgabe das C-Atom mit der OH-Gruppe suchen und seine H-Atome zählen. Zwei H → Alkanal (und weiter zur Säure), ein H → Alkanon (bleibt stehen), kein H → keine Reaktion.
Oxidationszahl für jedes C-Atom einzeln
Nie aus der Summenformel mitteln: Im Ethanol hat C-1 die OZ −I, C-2 −III. Nur das C-Atom mit der funktionellen Gruppe ändert seine OZ — daran erkennst du Oxidation und Reduktion und kannst die Elektronenbilanz prüfen.