Übung AFB III

Musterlösung: Die Aussage ist falsch. Natriumhydroxid ist eine Ionenverbindung; beim Lösen werden Hydroxid-Ionen \(\ce{OH-}\) frei, die Lösung ist alkalisch.

Im Ethanol ist die Hydroxygruppe \(\ce{-OH}\) dagegen über eine Elektronenpaarbindung fest an ein C-Atom gebunden. Sie wird in Wasser nicht als \(\ce{OH-}\) abgespalten; eine Ethanol-Lösung ist neutral (Indikator-Test). Die gleiche Schreibweise „OH“ bedeutet also zwei verschiedene Teilchen: eine funktionelle Gruppe bzw. ein Ion. Richtig wäre: „Ethanol ist ein Alkanol; seine Hydroxygruppe macht es polar und wasserlöslich, aber nicht alkalisch.“

Musterlösung: Propan ist unpolar; zwischen seinen Molekülen wirken nur schwache Van-der-Waals-Kräfte — es siedet bei \(-42\,{}^\circ\mathrm{C}\).

Chlorethan hat eine polare C–Cl-Bindung (Dipol-Dipol-Kräfte) und durch das große Cl-Atom mehr Elektronen (stärkere Van-der-Waals-Kräfte); es siedet deutlich höher (\(12\,{}^\circ\mathrm{C}\)).

Ethanol besitzt eine O–H-Gruppe und bildet Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen aus — die stärksten zwischenmolekularen Kräfte der drei Stoffe. Obwohl es leichter ist als Chlorethan, siedet es am höchsten (\(78\,{}^\circ\mathrm{C}\)). Fazit: Nicht die Masse, sondern die Art der Anziehung entscheidet.

Musterlösung: Je etwa \(1\,\mathrm{mL}\) beider Flüssigkeiten wird im Abzug in ein Reagenzglas gegeben, mit einigen Tropfen Bromwasser versetzt und geschüttelt — ohne helles Licht, damit keine langsame Substitution stört.

Pent-1-en entfärbt das Bromwasser sofort, denn Brom wird an die C=C-Doppelbindung addiert: \(\ce{CH2=CH-C3H7 + Br2}\) \(\ce{-> CH2Br-CHBr-C3H7}\) (1,2-Dibrompentan, farblos). Cyclopentan ist ein gesättigter Ring (das Fehlen zweier H-Atome liegt am Ringschluss): Das Brom bleibt erhalten und wandert in die obere, organische Phase, die orange gefärbt ist.

Musterlösung: Die Beobachtung ist richtig: Am C-Atom der Carboxygruppe wird die OH-Gruppe gegen die O–R-Gruppe des Alkohols ausgetauscht; betrachtet man nur dieses Atom, sieht die Reaktion wie eine Substitution aus.

Der Begriff Kondensation beschreibt die Gesamtreaktion aber treffender: Zwei organische Moleküle (Säure und Alkohol) werden zu einem größeren Molekül verknüpft, und dabei wird ein kleines Molekül — Wasser — abgespalten (\(2\to1+1\)). Genau dieses Merkmal ist für Polykondensationen, z. B. bei Polyestern, entscheidend. Fazit: Die Veresterung lässt sich als Substitution an der Carboxygruppe deuten; als Reaktionstyp der Gesamtreaktion ist „Kondensation“ die übliche und aussagekräftigere Einordnung.

Musterlösung: Die Folgerung ist falsch. Die Entfärbung erfolgt nur im Licht und langsam; das rote Indikatorpapier zeigt Bromwasserstoff \(\ce{HBr}\) an. Bei einer Addition entstünde kein \(\ce{HBr}\). Es läuft eine radikalische Substitution ab: \(\ce{C7H16 + Br2}\) \(\ce{->[Licht] C7H15Br + HBr}\).

Start: \(\ce{Br2 ->[Licht] 2 Br^.}\) (Homolyse). Kette: \(\ce{Br^. + C7H16}\) \(\ce{-> HBr + C7H15^.}\); \(\ce{C7H15^. + Br2}\) \(\ce{-> C7H15Br + Br^.}\). Abbruch z. B.: \(\ce{Br^. + Br^. -> Br2}\), \(\ce{C7H15^. + Br^.}\) \(\ce{-> C7H15Br}\), \(\ce{2 C7H15^. -> C14H30}\).

Die Bromwasserprobe auf Doppelbindungen muss deshalb ohne helles Licht durchgeführt werden und gilt nur bei rascher Entfärbung.

Musterlösung: Konzentrierte Schwefelsäure wirkt als Katalysator: Sie senkt die Aktivierungsenergie von Hin- und Rückreaktion gleichermaßen. Das Gleichgewicht stellt sich schneller ein, seine Lage — und damit die Ausbeute im Gleichgewicht — ändert sich dadurch nicht. Der Vorschlag ist deshalb für das Ziel kaum wirksam (die wasserbindende Wirkung konzentrierter Schwefelsäure hilft nur wenig und macht die Aufarbeitung aufwendiger).

Wirksam nach Le Chatelier: (1) ein Edukt im Überschuss einsetzen, z. B. das günstigere Ethanol — das Gleichgewicht verschiebt sich zum Ester; (2) ein Produkt ständig entfernen, z. B. den leicht flüchtigen Ester (\(77\,{}^\circ\mathrm{C}\)) abdestillieren oder das Wasser abtrennen — das System bildet Produkt nach.

Musterlösung: (1) Mit drei C=C-Doppelbindungen müsste Benzol Bromwasser rasch entfärben; es tut es nicht. Mit Brom reagiert es nur mit Katalysator und durch Substitution: \(\ce{C6H6 + Br2}\) \(\ce{->[FeBr3] C6H5Br + HBr}\). (2) Nach Kekulé müsste es zwei 1,2-Dibrombenzole geben (Br-Atome an einer Einfach- bzw. an einer Doppelbindung); man findet nur eines. (3) Alle sechs C–C-Bindungen sind gleich lang (\(139\,\mathrm{pm}\)), zwischen Einfach- (\(154\,\mathrm{pm}\)) und Doppelbindung (\(134\,\mathrm{pm}\)).

Heutiges Modell: Benzol ist ein ebenes, regelmäßiges Sechseck (Winkel 120°). Die sechs Elektronen der drei „Doppelbindungen“ sind über den ganzen Ring delokalisiert. Die beiden Kekulé-Formeln sind nur Grenzformeln (verbunden durch ↔), die zusammen den einen wirklichen Zustand beschreiben; als Symbol dient das Sechseck mit Kreis.

Musterlösung: (1) Radikalische Substitution im Licht: \(\ce{CH3-CH2-CH3 + Br2}\) \(\ce{->[Licht] CH3-CHBr-CH3 + HBr}\). Nebenprodukte: 1-Brompropan (Konkurrenz der H-Atome) und mehrfach bromierte Propane; das Gemisch wird destillativ getrennt.

(2) Eliminierung durch Erhitzen mit Kalilauge in Ethanol: \(\ce{CH3-CHBr-CH3}\) \(\ce{-> CH2=CH-CH3 + HBr}\) (\(\ce{HBr}\) wird von der Lauge gebunden). Konkurrierend kann Br gegen OH ausgetauscht werden — dann entsteht direkt etwas Propan-2-ol.

(3) Addition von Wasser mit Schwefelsäure als Katalysator: \(\ce{CH2=CH-CH3 + H2O}\) \(\ce{->[H2SO4] CH3-CH(OH)-CH3}\). Nebenprodukt in geringer Menge: Propan-1-ol. Der Weg kombiniert drei Reaktionstypen: Substitution → Eliminierung → Addition.