Orangenduft aus dem Labor
AFB I–IIOctylethanoat riecht nach Orange und wird Parfüms und Süßwaren zugesetzt. Eine Kursgruppe erhitzt 13,0 g Octan-1-ol (\(M = 130{,}23\,\text{g/mol}\)) mit Ethansäure im Überschuss und einigen Tropfen konz. Schwefelsäure 45 Minuten unter Rückfluss. Nach dem Waschen mit Natriumhydrogencarbonat-Lösung und Trocknen erhält sie 12,1 g Octylethanoat (\(M = 172{,}27\,\text{g/mol}\)).
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Halbstrukturformeln.
- Erläutern Sie die Aufgaben von Schwefelsäure, Rückflusskühler und Natriumhydrogencarbonat-Lösung.
- Berechnen Sie die Ausbeute.
- Begründen Sie, warum die Ausbeute trotz Säureüberschuss unter 100 % liegt, und nennen Sie eine Verbesserung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{CH3COOH + HO-C8H17 <=>[H+] CH3COO-C8H17 + H2O}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Schwefelsäure: Katalysator (Protonierung der Carbonylgruppe), bindet zusätzlich etwas Wasser. Rückfluss: Erhitzen ohne Verlust flüchtiger Stoffe. NaHCO₃: neutralisiert Ethansäure- und Schwefelsäurereste (CO₂-Entwicklung), die dann in die wässrige Phase gehen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\text{Octanol}) = \frac{13{,}0\,\text{g}}{130{,}23\,\text{g/mol}} = 0{,}0998\,\text{mol}\); \(m_{\text{theor.}} = 0{,}0998\,\text{mol} \cdot 172{,}27\,\text{g/mol} = 17{,}2\,\text{g}\); Ausbeute \(= \frac{12{,}1}{17{,}2} = 70{,}4\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Gleichgewichtsreaktion: Auch mit Überschuss bleibt etwas Alkohol unverestert; das gebildete Wasser treibt die Hydrolyse an. Dazu Verluste beim Waschen und Umfüllen. Verbesserung: Wasser mit einem Wasserabscheider auskreisen oder Ethansäure in noch größerem Überschuss einsetzen.
Berthelots Langzeitversuch
AFB II–III1862 untersuchten Marcellin Berthelot und Léon Péan de Saint-Gilles die Esterbildung ohne Katalysator bei Raumtemperatur in verschlossenen Glasröhren. Reihe I: je 1 mol Ethansäure und Ethanol. Reihe II: je 1 mol Ethylethanoat und Wasser. In Abständen wurde der Säuregehalt titriert (Werte vereinfacht).
| Zeit in Tagen | 0 | 10 | 40 | 150 | 370 | 700 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Reihe I: veresterter Anteil der Säure in % | 0 | 36 | 53 | 64 | 66,5 | 66,5 |
| Reihe II: hydrolysierter Anteil des Esters in % | 0 | 12 | 24 | 31 | 33,5 | 33,5 |
- Beschreiben Sie den Verlauf beider Reihen und deuten Sie ihn.
- Berechnen Sie \(K_c\) aus Reihe I.
- Berechnen Sie den veresterten Anteil der Säure, wenn 1 mol Ethansäure mit 2 mol Ethanol umgesetzt wird (\(K_c = 4\)).
- Beurteilen Sie, wie sich ein Zusatz von Schwefelsäure auf die Messreihen ausgewirkt hätte, und entwickeln Sie ein Experiment, mit dem man zeigen kann, dass im Gleichgewicht weiterhin Ester gebildet wird.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beide Reihen ändern sich anfangs schnell, dann immer langsamer und bleiben ab etwa 370 Tagen konstant. Reihe I endet bei 66,5 % verestert, Reihe II bei 33,5 % hydrolysiert — also im selben Zustand (0,665 mol Ester, 0,335 mol Säure). Von beiden Seiten stellt sich dasselbe dynamische Gleichgewicht ein; Hin- und Rückreaktion laufen dann gleich schnell.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(K_c = \frac{0{,}665 \cdot 0{,}665}{0{,}335 \cdot 0{,}335} = 3{,}94 \approx 4\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(4 = \frac{x^2}{(1 - x)(2 - x)}\) → \(3x^2 - 12x + 8 = 0\) → \(x = \frac{12 - \sqrt{48}}{6} = 0{,}845\). Es werden 84,5 % der Säure verestert (statt 66,5 %).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
H⁺ beschleunigt Hin- und Rückreaktion gleichermaßen: Die Werte hätten die Endwerte nach Stunden statt Monaten erreicht, die Endwerte selbst (Kc) bleiben gleich. Nachweis der Dynamik: Zum Gleichgewichtsgemisch eine kleine Menge ¹⁸O-markiertes Ethanol geben; obwohl sich die Konzentrationen nicht ändern, taucht ¹⁸O nach einiger Zeit im Ester auf (Massenspektrum: M = 90 statt 88 g/mol).