Faradays Öl aus dem Leuchtgas
AFB I–II1825 isolierte Michael Faraday aus den öligen Rückständen von Leuchtgasflaschen eine farblose Flüssigkeit. Bei der Verbrennung einer Probe von 0,390 g entstehen 1,320 g Kohlenstoffdioxid und 0,270 g Wasser. Aus der Dampfdichte ergibt sich eine molare Masse von etwa 78 g/mol. Die Flüssigkeit entfärbt Bromwasser nicht; mit Brom und Eisenspänen entsteht jedoch ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier rot färbt.
- Ermitteln Sie die Summenformel des Stoffes (M: C 12,01; H 1,008; O 16,00 g/mol).
- Beschreiben Sie die Kekulé-Formel und begründen Sie, welche Reaktion mit Bromwasser sie erwarten lässt.
- Deuten Sie die Reaktion mit Brom und Eisenspänen und formulieren Sie die Gleichung.
- Erläutern Sie, wie das Orbitalmodell die Befunde erklärt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
n(C) = n(CO₂) = 1,320 g : 44,01 g/mol = 0,0300 mol; n(H) = 2 · 0,270 g : 18,02 g/mol = 0,0300 mol; Kontrolle: 0,0300 · 12,01 + 0,0300 · 1,008 = 0,391 g (kein Sauerstoff). Verhältnis C : H = 1 : 1 → (CH)ₙ, M(CH) = 13,02 g/mol; n = 78 : 13 = 6 → C₆H₆.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Sechsring aus C-Atomen mit je einem H-Atom und drei abwechselnden C=C-Doppelbindungen (Cyclohexa-1,3,5-trien). Nach dieser Formel müsste Benzol wie ein Alken Brom addieren und Bromwasser rasch entfärben (elektrophile Addition, 5.3.4).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das Gas ist Bromwasserstoff: Es findet eine Substitution statt, Eisen bildet mit Brom den Katalysator FeBr₃. \(\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}\). Das Ringsystem bleibt erhalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Alle C-Atome sind sp²-hybridisiert (ebenes σ-Gerüst, 120°). Die sechs p-Orbitale überlappen rundum; die sechs π-Elektronen sind über den ganzen Ring delokalisiert und bilden ein besonders stabiles Elektronensextett. Eine Addition würde dieses System zerstören, eine Substitution erhält es — daher keine Entfärbung von Bromwasser, aber katalysierte Substitution.
Körners Methode der Isomerenzählung
AFB II–III1874 bestimmte Wilhelm Körner, welches der drei bekannten Dibrombenzole welche Struktur hat, ohne Strukturformeln „sehen“ zu können: Er bromierte jedes Isomer weiter und zählte die entstehenden Tribrombenzole.
| Dibrombenzol | Schmelztemperatur | Anzahl isomerer Tribrombenzole nach weiterer Bromierung |
|---|---|---|
| A | 7 °C | 2 |
| B | −7 °C | 3 |
| C | 87 °C | 1 |
- Zeichnen Sie die Strukturformeln der drei Dibrombenzole und benennen Sie sie (Ziffern sowie ortho/meta/para).
- Werten Sie Körners Befunde aus und ordnen Sie A, B und C zu.
- Erläutern Sie, welches Ergebnis ein starres Kekulé-Molekül für das ortho-Isomer vorhersagt, und vergleichen Sie mit dem Befund.
- Beurteilen Sie, was Körners Methode über den Bau des Benzols beweist und was nicht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
1,2-Dibrombenzol (ortho), 1,3-Dibrombenzol (meta), 1,4-Dibrombenzol (para), jeweils als Sechseck mit Kreis und zwei Br-Substituenten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
ortho: 1,2,3- und 1,2,4-Tribrombenzol → 2 Produkte = A. meta: 1,2,3-, 1,2,4- (≙ 1,3,4) und 1,3,5-Tribrombenzol → 3 Produkte = B. para: alle freien Positionen gleichwertig → nur 1,2,4-Tribrombenzol → 1 Produkt = C (höchste Symmetrie, passend zur hohen Schmelztemperatur).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei festen Doppelbindungen gäbe es zwei verschiedene 1,2-Dibrombenzole: Br-Atome an einer C=C-Doppelbindung oder an einer C–C-Einfachbindung. Gefunden wird nur ein ortho-Isomer — alle Ringbindungen müssen gleichwertig sein. Kekulé half sich mit dem „Oszillieren“, das Orbitalmodell erklärt es durch Delokalisierung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Belegt: Alle sechs Positionen sind gleichwertig (ein Monobrombenzol, drei Dibrombenzole im Verhältnis passend zum regelmäßigen Sechsring); offenkettige oder andere Ringstrukturen mit C₆H₆ scheiden aus. Nicht belegt: ob der Ring eben ist und wie lang die Bindungen sind — dazu braucht es physikalische Methoden wie die Röntgenstrukturanalyse. Die Methode ist deshalb ein starkes, aber indirektes Argument.