Version 0.8 (2011) - lern-soft-projekt

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Version 0.8 (2011) - lern-soft-projekt

Organische Chemie

für Biologie und Ernährungslehre

in der Sekundarstufe II

(Fachoberschule, Fachgymnasium, Gymnasium)

Autor: L. Drews

Bilder-Quellen (z.T. nachbearb.): commons.wikimedia.org (Algarech + Van Flamm); UD-Bildschirmschoner; …, lsp: dre

Version 0.8 (2011)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc (c,p) 2009-2011 lern-soft-projekt: drews


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BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 2 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Inhaltsverzeichnis:

Seite

0. Vorbemerkungen ......................................................................................... 7

Exkurs: Labor-Arbeiten mit Lebensmitteln ................................................................ 9

Exkurs: Labor-Arbeiten mit lebenden Materialien ................................................... 10

0.1. Wiederholung: Stoffe - makroskopisch ................................................................. 11

0.1.1. Stoffe und ihre Klassifikation .......................................................................... 11

Stoff ..................................................................................................................... 11

Probe ................................................................................................................... 11

Reinstoff ............................................................................................................... 11

Element ................................................................................................................ 12

Stoffgemisch ........................................................................................................ 12

Verbindungen ....................................................................................................... 13

Kristall-Arten ......................................................................................................... 13

0.2. Wiederholung: grundlegende physikalische Sachverhalte ................................. 14

0.2.1. Kräfte zwischen den Teilchen ......................................................................... 14

0.2.2. Teilchen-Bewegung ......................................................................................... 14

0.2.3. Energie und Energie-Austausch ..................................................................... 14

0.3. Wiederholung: Atombau und das Periodensystem der Elemente....................... 15

0.3.1. Atom-Modelle – eine kurze Geschichte .......................................................... 15

Exkurs: DALTON’s Experimente zu den Massenverhältnissen bei chemischen

Reaktionen.................................................................................................................. 15

Exkurs: THOMSON’s Versuche mit Vakuumröhren ................................................ 16

Exkurs: BOLTZMANN’s Theorien zur Thermodynamik ........................................... 17

Exkurs: RUTHERFORD’s Experiment ....................................................................... 17

Exkurs: Atom-/Welt-Modelle der modernen Physik................................................. 23

0.3.2. ein modernes und praktisches Atom-Modell für Chemiker .......................... 25

0.3.3. das Periodensystem der Elemente ................................................................. 25

0.3.4. (neue) Stoff-bezogene Begriffe aus der Atom-Welt ....................................... 25

Element ................................................................................................................ 25

Isotop ................................................................................................................... 25

0.4. Wiederholung: Stoff, Eigenschaften und Arbeitmethoden .................................. 26

0.4.1. Wiederholung bedeutsamer Stoffeigenschaften ........................................... 28

0.4.1.1. Aggregatzustand ......................................................................................... 28

0.4.1.2. elektrische Leitfähigkeit ............................................................................... 29

0.4.1.3. Viskosität und Oberflächenspannung .......................................................... 29

0.4.1.4. Masse und Volumen .................................................................................... 32

0.4.1.x. Farbigkeit..................................................................................................... 33

0.4.2. Wiederholung von wichtigen Arbeitsmethoden für und mit Stoffgemischen34

0.4.2.1. Lösen .......................................................................................................... 34

0.4.2.2. weitere Misch-Verfahren .............................................................................. 38

0.4.2.3. Dekantieren, Sichten und Filtern ................................................................. 39

0.4.2.4. Destillieren .................................................................................................. 40

0.4.2.5. Extrahieren .................................................................................................. 42

0.4.2.5.x. Hochdruck-Extraktion ........................................................................... 42

Exkurs: überkritischer Zustand von Gasen ............................................................. 42

0.4.2.6. weitere Trenn-Verfahren ............................................................................. 43

0.5. chemische Reaktion ............................................................................................... 44

0.5.x. einfache Thermodynamik chemischer Reaktionen ....................................... 48

0.5.x. Reaktions-Kinetik ............................................................................................. 51

0.5.x.1. Abhängigkeit der Reaktions-Geschwindigkeit .............................................. 51

Temperatur-Abhängigkeit ..................................................................................... 51

0.5.x.2. das chemische Gleichgewicht ...................................................................... 52

0.5.x.2.x. Abhängigkeit des chemischen Gleichgewichtes .................................... 53

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 3 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1. Cohlenstoff ................................................................................................. 54

1.1. Element Cohlenstoff ............................................................................................... 55

1.2. anorganische Verbindungen des Cohlenstoffs .................................................... 58

1.2.1. Cohlenmonoxid ................................................................................................ 58

1.2.2. Cohlendioxid .................................................................................................... 59

1.2.3. Cohlensäure / Carbonat ................................................................................... 60

1.3. organische Verbindungen des Cohlenstoffs ........................................................ 62

2. Kohlenwasserstoffe .................................................................................. 63

2.1. gesättigte Kohlenwasserstoffe .............................................................................. 64

2.1.1. Alkane ............................................................................................................... 64

2.1.1.1. Bau der Alkane ............................................................................................ 64

2.1.1.1.1. Molekül-Rümpfe – die Alkyle ................................................................ 71

2.1.1.1.2. verzweigte Alkane................................................................................. 72

2.1.1.1.3. ringförmige Alkane – Cycloalkane ........................................................ 74

2.1.1.2. Eigenschaften der Alkane ............................................................................ 76

2.1.1.2.1. physikalische Eigenschaften ................................................................. 76

Exkurs: Elektronegativität nach PAULI .................................................................... 78

2.1.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkane ............................. 78

Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Elementar-Analyse ........................................ 82

2.1.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkane ....................................... 83

2.1.1.3.1. Methan ................................................................................................. 83

2.1.1.3.2. Propan, Butan....................................................................................... 83

2.1.1.3.3. Stearin .................................................................................................. 83

2.2. ungesättigte Kohlenwasserstoffe .......................................................................... 84

2.2.1. Alkene ............................................................................................................... 85

2.2.1.1. Bau und Struktur ......................................................................................... 85

2.2.1.2. Eigenschaften der Alkene ............................................................................ 87

2.2.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkene ............................. 88

2.2.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkene ....................................... 90

2.2.1.3.1. Ethen .................................................................................................... 90

2.2.1.3.2. Lycopen ................................................................................................ 90

2.2.2. Alkine ................................................................................................................ 91

2.2.2.1. Bau und Struktur der Alkine ......................................................................... 91

2.2.2.2. Eigenschaften der Alkine ............................................................................. 92

2.2.2.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkine .............................. 92

Nachweis von Mehrfachbindungen mittels BAEYERscher Probe / BAEYERschem

Test: ..................................................................................................................... 93

2.2.2.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkine ........................................ 93

2.2.2.3.1. Ethin ..................................................................................................... 93

Exkurs: Festlegung von Oxidationszahlen .............................................................. 94

2.2.3. Aromaten - Arene ............................................................................................. 95

2.2.3.1. Bau und Struktur der Aromaten ................................................................... 95

Beispiele für (einfache) Aromaten: ....................................................................... 97

2.2.3.2. Eigenschaften der Aromaten / Arene ........................................................... 98

2.2.3.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Aromaten / Arene ............ 98

3. Derivate der Kohlenwasserstoffe ........................................................... 102

3.1. Halogenderivate .................................................................................................... 103

3.1.1. einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe .................................................... 103

3.1.1.1. Eigenschaften und Verwendung einfach halogenierter Kohlenwasserstoffe104

3.1.2. mehrfache halogenierte Kohlenwasserstoffe .............................................. 106

3.1.2.1. Eigenschaften und Verwendung von mehrfach halogenierten

Kohlenwasserstoffen .............................................................................................. 107

3.1.3. chemische Eigenschaften der Halogen-Kohlenwasserstoffe ..................... 110

3.1.4. biologische und ökologische Probleme mit Halogen-Kohlenwasserstoffen112

Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Spektroskopie ............................................. 113

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 4 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2. Sauerstoff-Derivate (organische Sauerstoff-Verbindungen) ............................. 114

3.2.1. Alkanole (Alkohole) ........................................................................................ 114

3.2.1.1. Bau und Struktur der Alkanole ................................................................... 114

3.2.1.2. Herstellung der Alkanole ........................................................................... 117

3.2.1.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanole ........................ 118

3.2.1.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanole .................................. 125

3.2.1.4.1. einwertige Alkanole ............................................................................ 125

3.2.1.4.1.1. Ethanol ............................................................................................ 125

3.2.1.4.1.2. Methanol .......................................................................................... 126

3.2.1.4.1.3. Amylalkohole ................................................................................... 127

3.2.1.4.1.3. Phenol ............................................................................................. 127

3.2.1.4.1.4. Vitamin A ......................................................................................... 127

3.2.1.4.2. wichtige mehrwertige Alkanole ........................................................... 129

3.2.1.4.2.1. Ethandiol (Glycol) und Diethylenglycol (Diglycol) ............................. 129

3.2.1.4.2.2. 1,2,3-Propantriol (Propan-1,2,3-triol, Glycerol, Glycerin, Glyzerin) .. 129

3.2.1.4.2.3. Pentite und Hexite ........................................................................... 130

3.2.2. Alkanale (Aldehyde) ....................................................................................... 131

3.2.2.1. Bau und Struktur der Alkanale ................................................................... 131

3.2.2.2. Herstellung der Alkanale ........................................................................... 132

3.2.2.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanale ........................ 133

3.2.2.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanale .................................. 138

3.2.2.5. Derivate der Alkanale ................................................................................ 139

3.2.3. Alkansäuren (Carbonsäuren) ........................................................................ 141

3.2.3.1. Bau und Struktur der Alkansäuren ............................................................ 141

3.2.3.2. Herstellung der Alkansäuren ..................................................................... 142

3.2.3.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkansäuren .................. 142

3.2.3.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäuren ............................ 144

3.2.3.4.1. einwertige Alkansäuren ...................................................................... 144

3.2.3.4.2. mehrwertige Alkansäuren ................................................................... 149

3.2.3.4.3. die besondere Gruppe der Fettsäuren ................................................ 149

3.2.3.5. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäure-Derivate ................ 150

3.2.3.5.1. Derivate der Alkansäuren ................................................................... 150

Seifen ................................................................................................................. 151

3.2.3.5.2. Derivate der Fettsäuren ...................................................................... 152

3.2.3.5.2.1. Wachse ........................................................................................... 152

3.2.3.5.2.2. Fette - Triglyceride ........................................................................... 152

3.2.3.5.2.3. Phospholipide .................................................................................. 152

3.2.4. Ether ................................................................................................................ 153

3.2.4.1. Diethylether (Diäthyläther, Ether) .............................................................. 154

3.2.5. Ketone (Alkanone) ......................................................................................... 155

3.2.6. Ester ................................................................................................................ 157

3.2.7. substituierte Aromaten mit Sauerstoff im Substituenten ........................... 159

3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen ..................................................................... 161

3.2.9. Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker) ............................................................ 162

?Einfachzucker (Monosaccharide) ..................................................................... 162

?Mehrfachzucker (Oligosaccharide) ................................................................... 163

3.3. Stickstoff-Derivate ................................................................................................ 165

3.3.1. Aminosäuren .................................................................................................. 165

3.3.2. Aminobasen ................................................................................................... 170

3.3.3. stickstoffhaltige Heterocyclen ...................................................................... 171

3.3.4. weitere Stickstoff-Derivate von Kohlenwasserstoffen ................................ 172

3.4. Schwefel-Derivate ................................................................................................. 174

3.5. diverse weitere gemischte Derivate der Kohlenwasserstoffe ........................... 175

3.5.x. Alkaloide ......................................................................................................... 175

3.5.x. Neurotransmitter ............................................................................................ 176

3.5.x. psychogene Stoffe ......................................................................................... 177

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 5 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.5.x. Medikamente .................................................................................................. 178

3.5.x. Hormone ......................................................................................................... 180

3.5.x. Farbstoffe ....................................................................................................... 180

3.5.x. ??? .................................................................................................................. 181

Exkurs: Stoff-Erkennung über Farbstoff-Reaktionen ............................................ 183

4. Makromoleküle......................................................................................... 185

4.1. Bildungsreaktionen ............................................................................................... 185

Polyaddition ............................................................................................................ 185

Polymerisationen .................................................................................................... 185

Polysubstitutionen .................................................................................................. 185

Polykondensation ............................................................................................... 185

4.2. wichtige natürliche Makromoleküle ..................................................................... 187

4.2.1. Kohlenhydrate (Polysaccharide) ................................................................... 187

4.2.2. Polypeptide (Eiweiße) .................................................................................... 187

4.2.3. DNS ................................................................................................................. 189

4.3. künstliche Makromoleküle ................................................................................... 190

Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Plasten / Elasten im

Hauswirtschaftlichen bzw. Ernährungs-Bereich .................................................. 192

5. Stöichiometrie .......................................................................................... 193

Gesetz von den konstanten Proportionen (PROUST; 1794) ................................. 193

Gesetz von den äquivalenten Proportionen (RICHTER; 1791) .............................. 193

Gesetz von den multiplen Proportionen (DALTON; 1808) .................................... 193

6. Tabellen, Zusammenfassungen, Begriffsbestimmungen .................... 194

6.1. Nomenklatur (Namensgebung) ............................................................................ 194

Substitutive und radikalofunktionelle Nomenklatur der wichtigen funktionellen

Gruppen ................................................................................................................. 195

organische Stoffe und ihre Namen ......................................................................... 196

6.2. Reaktionsarten in der organischen Chemie ........................................................ 197

6.3. Namen diverser Chemikalien in verschiedenen Sprachen usw. ....................... 199

6.3. Begriffe und Begriffsbestimmungen, Definitionen ............................................. 201

Literatur und Quellen: ................................................................................. 205

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 6 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0. Vorbemerkungen

Auswahl der Inhalte nach Bedeutung für Biologie bzw. Ernährungslehre

deshalb systematisch unvollständig (Hinweise auf fehlende Gruppen im Einleitungstext zur

Stoffgruppe)

Gliederung so, wie Inhalte gebraucht werden (wenn keine Bedeutung für …, dann keine

Aufnahme in die Gliederung (selten nur Querverweise oder Links)); Gliederungsebenen sind

chemisch orientiert aber doch didaktisch betont gewählt; praktische Verwendbarkeit und

Übersichtlichkeit (für unseren Zweck) geht vor abstrater wissenschaftlicher Strenge, sonst

besteht auch die Gefahr der ellenlangen Gliederungen (1.4.2.1.2.1. Irgendwas). Leider

klappt das aber nicht immer. Kompromiß!!!

Stoffe bzw. Stoffgruppen, die auch Inhalt des Faches sind, werden nicht weiter betrachtet –

es sei denn, es gibt allgemeingültige Basisinhalte

einheitliches Niveau für ein gutes bis sehr gutes Grundwissen, bei alternativer Benutzung

von Schul-Lehrbücher, Internet-Plattformen usw. usf. muss man selbst einschätzen, ob das

dargebotene Niveau dem eigenen Zweck entspricht

Kursleiter der Zielkurse (Biologie bzw. Ernährungslehre) können den Umfang (mit-

)bestimmen (Themenvorgabe od. Reduktion des Skripts (siehe Nutzungsbestimmungen /

Lizenz)

für Selbststudium und Nachschlagezwecke

das Lösen der Aufgaben ist bei Selbststudium zu empfehlen; zuerst Abgleich mit Gleichgesinnten

und Gleichbetreffenen, günstig für Selbstkontrolle und selbstorganisiertes Lernen;

Kursleiter der Zielkurse (Biologie bzw. Ernährungslehre) werden sicher bereit sein, die Lösungen

nachzukontrollieren bzw. im Streitfall zu schlichten

einige Soffgruppen (z.B. Kohlenhydrate) werden auf dem Minimal-Niveau (z.B. für Biologen)

betrachtet. Für die Ernährungslehre erfolgt eine ausführliche Betrachtung in einem speziellen

Skript (z.B. Skript: Ernährungslehre).

Durch spezielle Zeichen an der Kapitel-Überschrift wird die Eignung für die einzelnen Interessenten

angezeigt. Der Erdball steht für Allgemeinwissen bzw. Grundwissen für die Biologen

wie die Ernährungswissenschaftler (Trophologen). Das DNS-Molekül steht für die Biologie

und der Löffel – na dreimal dürfen Sie raten – natürlich für die Ernährungswissenschaft

(Trophologie). Im Kästen neben dem Interessenbereich ist die konkrete Bedeutung angegeben.

Ein + steht für sehr wichtig, ein – für eine geringere Bedeutung. Den Durchschnitt –

das Mittelmaß kennzeichnen wir mit dem –Zeichen.


Manche Themen sind hier in der allgemeinen, organischen Chemie so knapp dargestellt,

dass sie für die Einzelwissenschaft völlig unzureichend sind. In solchen Fällen ist das Gebietssymbol

dann durchgestichen und die Bedeutungsmaße fehlen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 7 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Hier muss man sich in der speziellen Literatur der jeweiligen Wissenschaft genauer informieren.

In speziellen Skripten zur Biologie und Ernährungslehre werden diese Sachverhalte

dann ausführlich dargestellt. Natürlich darf ein interessierter Leser die Kapitel auch durcharbeiten.

Aber man darf nicht dem Irrglauben aufsitzen, der Inhalt würde dann auch für alle

Fachfragen schon ausreichen.

auf eigentlich wichtige Sachverhalte, wie z.B. Reaktionsmechanismen, wird hier verzichtet,

weil für den direkten Umgang in der Biologie oder Ernährungslehre solche Kenntnisse meist

nicht gebraucht werden (ev. Hinweise auf weiterführende Literatur oder Verweise, Stichwort

z.B für Lexika, Internet etc.)

So werden echte "Chemiker" sicher auch die Darstellung der verschiedenen Stoffe vermissen.

Für die Herausbildung von verwertbaren Kenntnissen für die Ernährungslehre und die

Biologie spielen solche Vorgänge eine untergeordnete Rolle. Der aufmerksame Leser wird

viele Darstellung in Ausgangsstoffklassen finden. Dort sind dann auch immer Links auf die

dargestellte Stoffklasse angezeigt, obwohl dies didaktisch eigentlich nicht immer sinnvoll ist.

Aber dieses Skript will ja auch kein gewöhnlicher Organik-Büchlein sein.

wo allgemeine Grundkenntnisse aus anderen Wissenschaften gebraucht werden, die von

grundlegender Bedeutung für das Verständnis eines Sachverhaltes sind, dann werden diese

meist als Exkurs näher erläutert. Die Sachverhalte sollen nicht nur einfach aufgezählt und

gepredigt, sondern auch verstanden werden. Die Auswahl erfolgt nach meinen Lehr-

Erfahrungen. Besonderer Wert wird auch auf solche Sachverhalte gelegt, die in der populären

Literatur zu oberflächlich oder vielleicht auch falsch dargestellt werden.

Sollten wichtige Stoffe oder Stoffgruppen mit allgemeinem Interesse fehlen, dann ist ein

Hinweis an die / den Autor(en) gewünscht.

Spezialwissen gehört in spezielle Literatur. Deren Autoren sind weitaus kompetenter.

Experiment

Dieser Versuch kann mit Haushaltsmitteln und auch zuhause durchgeführt werden!

Trotzdem bitte unbedingt die allgemeinen Regeln und Vorsichtsmaßnahmen beim Experimentieren

beachten!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 8 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Labor-Arbeiten mit Lebensmitteln

In der "normalen" Chemie gelten viele Sicherheits-Vorschriften, die prinzipiell auch für unsere

Lebensmittel-Experimente gelten.

Das Experimentieren mit Lebensmitteln kommt aber nicht ohne das Schmecken aus. Sollten

solche Versuche durchgeführt werden sollen, dann müssen einige spezielle Regelungen

getroffen werden, die für eine ausreichende Hygiene und Reinheit sorgen. Weiterhin müssen

die Gefahren durch Reststoffe (Normal-Chemikalien, …) weitgehend ausgeschlossen

werden.

Für Untersuchungen von Lebensmitteln sollten unbedingt die folgenden Regelungen und

Hinweise eingehalten werden:

Sollte bei Experimenten probiert werden oder die Lebensmittel später verwendet werden,

dann sollte in einer Küche, Lobor-Küche oder zumindestens in einem vorher gereinigten

und gelüfteten Labor gearbeitet werden!

Verwenden Sie extra Schutz-Kleidung (extra oder frisch gewaschener Kittel, Kopfbedeckung

(Haube, Kochmütze, …))

Verwenden Sie extra / neue Chemikalien-Sätze (Gefäße möglichst kennzeichnen z.B.

mit einem "L")! Die angebrauchten Chemikalien können dann später im "Normal"-Labor

aufgebraucht werden! Verwenden Sie – wenn verfügbar – extra saubere Chemikalien

für die Lebensmittel!

Verwenden Sie extra Geräte (möglichst kennzeichnen z.B. mit einem "L")! Geräte können

dann später im "Normal"-Labor weiterverwendet (endgenutzt) werden!

Geräte, die auch zu anderen Zwecken genutzt werden müssen vor der Nutzung für Lebensmittel

nochmals extra reinigen (abwischen, ausspülen, lüften, …)

Probieren Sie immer nur ihre eigenen Produkte und solche, die von anderen explizit

freigegeben wurden (kleines Schildchen mit Beschriftung, um was es sich handelt!)!

Probieren Sie nach der optischen Prüfung zuerst immer nur kleine Mengen! Nur was

einwandfrei aussieht und schmeckt, kann dann auch weiter probiert werden!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 9 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Labor-Arbeiten mit lebenden Materialien

Im Biologie-Labor gelten die typischen Regeln für Chemie-Labore. Zum Schutz der Menschen

müssen noch einige hygienische Maßnahmen eingehalten werden. Aber auch der

Tierschutz muß beachtet werden. Unnötiges Quälen von Tieren kann nicht geduldet werden.

Für das Arbeiten mit lebenden Organismen oder frischen Teilen sollten unbedingt die folgenden

Regelungen und Hinweise eingehalten werden:

Mikroorganismen unter dem Abzug hantieren, PETRI-Schalen mit Nährmedien nach

dem Beimpfen mit Klebeband sichern und im Beisein von Schülern, Auszubildenden

od. Studenten nicht mehr öffnen

Tier-Versuche möglichst vermeiden und deren Anzahl auf ein Minimum reduzieren, Tiere

zum Sezieren möglichst schnell und Schmerz-los töten

für medizinische Untersuchungen möglichst kein Chemie- oder mikrobiologisches Labor

benutzen

Geräte für Untersuchungen an Menschen oder zur Proben-Entnahme vorher desinfizieren,

nur einmal (für eine Person) benutzen und nach dem Gebrauch zur Reinigung und

erneuten Desinfektion geben

Untersuchungen mit menschlichen Materialien, Proben usw. möglichst immer auf eigenes

Gewebe / eigene Körper-Flüssigkeiten beschränken, kein Blut od. anderes Material,

was prinzipiell infiziert sein kann, von anderen Personen benutzen

alle biologischen Materialien ordnungsgemäß und sauber entsorgen (ev. Bestimmungen

für größere Tierkörper oder Materialmengen beachten!)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 10 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.1. Wiederholung: Stoffe - makroskopisch

Einführungs-Experiment

Untersuchen Sie die Zusammensetzung Brause-Pulver (Stoffgemisch! s.a.

Packungsangaben) durch verschiedene Trennungsmethoden! Neben den

vorgegebenen dürfen Sie auch eigene Verfahren anwenden! Ziel ist es, die

Komponenten einzeln vorliegen zu haben bzw. identifizieren zu können!

Notieren Sie vor, während und nach dem jeweiligen Versuch alle ihre Beobachtungen!

(Vor der Verwendung Packung gut durchschütteln!)

a) Rütteln (leicht eiern) auf einem großen Teller (ersatzweise: PETRI-

Schale) und prüfen der Fraktionen unter dem Mikroskop und mit der

Finger-Anleck-und Schmeck-Methode!

b) Zugabe in ein Glas mit stehendem Wasser! Nicht rühen, später dann mit

Glasstab ganz vorsicht und nur wenig rühren! Dekantieren Sie nach der

Beendigung der Blasenbildung und untersuchen Sie den Überstand und

den Bodensatz getrennt auf Geschmack und ev. andere Eigenschaften!

nach: Q: WAGNER, Uni Bayreuth, Chemie-Didaktik

Dieser Teil des Skriptes dient nur zur Reaktivierung bekannten Wissens. Auf weiterführende

Erklärungen wird hier weitgehend verzichtet. Wir wollen hier vor allem die eventuell verlorengegangenen

Begriffe und Schreibweise wiederholen, standardisieren und auf den neuesten

(?) Stand bringen. Zugleich werden damit die Schreibungen in diesem Skript vorgestellt.

Trotzdem gehen wir bei vielen Besprechungen auch auf die Grundlagen und die grundlegenden

Sachverhalte ein. Hierbei soll vor allem das Grund-Verständnis für biologische und

trophologische Inhalte gelgt werden.

0.1.1. Stoffe und ihre Klassifikation

Stoff

Probe

Reinstoff

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 11 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Element

chemisches Symbol

Stoffgemisch

(Haupt-)

Bestandteil

≥ 50 %

fest fest

fest flüssig

(Neben-) Bestandteil

≤ 50 %

fest gasförmig

flüssig fest

flüssig flüssig

flüssig gasförmig

gasförmig fest

gasförmig fest + flüssig

gasförmig flüssig

gasförmig gasförmig

homogen

(weder mit dem Auge oder unter dem

Licht-Mikroskop sind die verschiedenen

Bestandteile zu unterscheiden)

Legierung

Bronze, Amalgam

Glas

Na-Ca-Silikat

Suspension

heterogen

(mit dem Auge oder unter dem Mikroskop

sind die verschiedenen Bestandteile zu

unterscheiden)

Gemenge

Schlamm

Creme, feste Emulsion

Butter

Schwamm

Schwamm, Bimsstein

Lösung

Kochsalz-Lösung

Boden

Lösung

Emulsion

Ethanol-Lösung

Margarine, Milch

Lösung

Lösung

Chlorwasserstoff- Selter (Mineral-

Lösung (Salzsäure) wasser)

Rauch

Zigaretten-Rauch

Gas

Luft, Abgase

Schlagsahne, Ei-Schnee

Schaum

Seifen-Schaum

Aerosol / Nebel

Nebel

Das Kriterium für die Homogenität eines Stoffgemisches ist schwer zu halten. Auch die Beispiel-Gruppen

und Einzel-Beispiele sind nicht allgemeingültig.

In Lebensmitteln sind oft verschiedene Bestandteile miteinander vermischt. Man unterscheidet

bei ihnen:

grob-disperse

fein-disperse

und

molekular-disperse

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 12 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Systeme. Dispers bedeutet dabei, dass zwei oder mehr Stoffe fein ineinander verteilt sind,

ohne dass sie sich wirklich ineinander lösen. Es handelt sich eher um mehr oder weniger

feine Mischungen, deren Einzel-Komponenten als abgegrenze Einheiten noch vorhanden

sind. Diese abgrenzbaren Einheiten heißen Phasen. Wenn z.B. Öl und Wasser zusammengegeben

werden, dann bilden beide Flüssigkeiten zwei – ineinander unlösliche – Phasen.

Bei grob-dispersen System finden wir Teilchen mit einer Größe über 1 µm (= 0,000.000.1 m =

0,000.1 mm) vor. Die Teilchen sind im Licht-Mikroskop sichtbar. Beim aufstreichen auf einen

Objekt-Träger oder eine andere glatte Oberfläche entsteht ein Eindruck von gewisser Stupfheit

(raue Oberfäche, feines Schleifpapier).

Die fein-dispersen Systeme hinterlassen eher einen schlickigen Eindruck (feines Polier-

Mittel). Mit Teilchen-Größen zwischen 1 und 100 nm (= 0,000.000.000.1 m = 0,000.000.1 mm =

0,000.1 µm) ist eine optische Trennung im Mikroskop nicht mehr möglich. Die Körnchen sind

maximal noch als kleine Pünktchen zu identifizieren.

Einzelne Moleküle oder kleine Kristall-Strukturen sind in den molekular-dispersen Systemen

die größten Elemente. Die Teilchen sind unter 1 nm groß. Eine Trennung durch Schwerkräfte

( Zentrifugieren oder Sedimentieren) ist nicht mehr möglich.

Zusätzlich werden die Systeme auch nach ihren Verformungs- und Fließ-Eigenschaften

(rheologischen Merkmalen) unterteilt.

Die einzelnen Begriffs-Welten gehen dabei häufig ineinander über. Nicht immer ist eine absolute

Zuordnung und Klassifizierung möglich.

makro-rheologische Eigenschaften:

viskose (zähflüssig)

elastisch (Gummi-artig)

plastisch (erstarte Flüssigkeit, Glas-Zustand)

mikro-rheologische Unterscheidung in:

reine Flüssigkeit

reine Schmelze

Lösung

kolloidale Suspension

disperse Systeme

Verbindungen

Kristall-Arten

regelmäßige Struktur

Gegensatz sind amorphe Körper mit unregelmäßigem Aufbau

6 Kristall-Klassen

32 Kristall-Systeme

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 13 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.2. Wiederholung: grundlegende physikalische Sachverhalte

0.2.1. Kräfte zwischen den Teilchen

0.2.2. Teilchen-Bewegung

Diffusion

allg. durch Gardienten-Gefälle bedingt (Treibkräfte)

bedeutsamster Gradient sicher die Konzentration

auch andere Gradienten real, z.B. Temperatur, Dichte, Ladung, Partial-Drücke

FICKsches Diffusions-Gesetz

Stoffmenge Diffusions

koeffizien t Fläche Konzentrationsgrad

Zeit

0.2.3. Energie und Energie-Austausch

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 14 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.3. Wiederholung: Atombau und das Periodensystem der

Elemente

0.3.1. Atom-Modelle – eine kurze Geschichte

Q: commons.wikimedia.org (Emichan)

In gut 3000 Jahren Naturwissenschaftsgeschichte hat sich unser Bild von den Atomen stark

verändert. Hier soll diese Entwicklung von der Antike bis zur Moderne aufgezeigt werden. An

den einzelnen Modellen wollen wir vor allem ihre Vorteile gegenüber ihren Vorläufern klar

stellen, aber auch aufzeigen, wo die Probleme in den neuen Modellen stecken. Jedes Modell

oder jede Theorie muß sich dann auch noch an der Praxis messen lassen. Stimmen Beobachtungen

und Messungen nicht mit den theoretischen Aussagen und Berechnungen

überein, dann ist weiteres Forschen unumgänglich. Auch unser heutiges Atom-Modell ist

nicht fertig und endgültig.

Der Grieche LEUKRIT () behauptete als erster, dass die Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen.

Den Begriff Atom postulierte DEMOKRIT (Griechenland; etwa 460 – 371 v.u.Z.) und

meinte damit einen kleinstes, unteilbares Teilchen (griech.: a-tomos = un-teilbar). Nach seiner

Ansicht gab es nur Atome und leeren Raum. Die Atome bewegen sich im Raum, stoßen

aneinander und können sich vereinigen und auch wieder trennen. Die Eigenschaften der

Stoffe sollten sich aus den Anziehungen und Abstoßungen und der Art der Atome erklären

lassen. Die verschiedenen Stoffe seien aus verschiedenen Arten von Atomen zusammengesetzt,

die sich z.B. in der äußeren Form unterscheiden.

Die Atom-Theorie von DEMOKRIT fand im religiösen Griechenland dieser Zeit keine Beachtung.

Sein philosophischer Gegner war EMPEDOKLES (), der die Lehre der vier Elemente

(Feuer, Wasser, Luft und Erde) begründete und verbreitete.

Bis ins Mittelalter änderte sich an der Grundtheorie nichts. Manchmal wurde ein fünftes Element

() mit in die Theorie einbezogen. Aus dem unstillbaren Wunsch der mittelalterlichen

Fürsten und Könige nach Gold entstanden die Vorläufer der heutigen Chemie. Die Alchimisten

– wie sie sich selbst nannten – versuchten aus den verschiedensten Stoffen und mit

abenteuerlichen Methoden Gold herzustellen. Nach der 4- bzw. 5-Elemente-Theorie sollte

dies auch möglich sein. Gewissenhaft notierten die Alchimisten ihre Versuche und versuchten

sich auch an Erklärungen und Voraussagen für neue Experimente. Aber irgendwie passte

das alles nicht zusammen.

?? BROWNsche Molekularbewegung / Nebelkammerversuche

Exkurs: DALTON’s Experimente zu den Massenverhältnissen bei chemischen

Reaktionen

Anfang des 19. Jahrhunderts (1803) griff der englische Chemiker John DALTON (1766 –

1844) die Theorie von DEMOKRIT wieder auf. Aus seinen berühmten Experimenten zu den

Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schloß er, dass sich immer bestimmte

Anzahlen von Atomen miteinander verbunden oder diese wieder freigegeben wurden. Bestimmte

Stoffe konnten nicht weiter zerlegt werden – sie schienen aus einer Art von Atomen

zu bestehen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 15 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


DALTON's Atom-Theorie bestand aus vier Kernaussagen:

1. Stoffe bestehen aus kleinsten – nicht weiter teilbaren – Teilchen, den Atomen.

2. Die Atome eines Elementes sind durch gleiche Masse und gleiches Volumen gekennzeichnet.

Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse

und Volumen.

3. Atome können durch chemische Reaktionen nicht geteilt, zerstört, erzeugt oder

vernichtet werden.

4. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu in den

Reaktionsprodukten angeordnet. Dies erfolgt in bestimmten Zahlenverhältnissen.

In weiteren Arbeiten entwickelte DALTON eine kinetische Gas-Theorie. Gasteilchen (Atome)

bewegen sich wie Kugeln in einem leeren Raum. Durch den Aufprall an Gefäßwänden entsteht

der Gas-Druck.

Aus DALTON's Arbeiten wurden dann später das Gesetz von den konstanten Proportionen

durch PROUST (1794) sowie RICHTER's Gesetz von den äquivalenten Proportionen (1791)

abgeleitet. Das DALTONsche Gesetz von den multiplen Proportionen (1808) komplettierte

dann die Reihe der grundlegenden stöichiometrischen Gesetze.

Aufgaben:

1. Wiederholen Sie die folgenden Gesetze! Geben Sie jeweils ein bis zwei Beispiele

an!

a) Gesetz von den konstanten Proportionen

b) Gesetz von den multiplen Proportionen

c) Gesetz von den äquivalenten Proportionen

Im Widerspruch zu DALTON’s Theorie stand die Entdeckung der Radioaktivität durch Henri

BEQUEREL (). Er stellte 1897 fest, dass sich Atome bei radioaktiven Vorgängen umwandeln

können. Die Radioaktivität selbst hatte er gerade ein Jahr davor entdeckt.

Exkurs: THOMSON’s Versuche mit Vakuumröhren

Grenzfall der COMPTON-Streuung für Photonen mit geringen Energien

Der Britte Joseph John THOMSON (1856 – 1940) entdeckte

bei Experimenten mit stromdurchflossenen Vakuumröhren,

dass die Strahlen dieser Röhren aus kleinsten

Teilchen bestehen.

Bis dahin nahm man an, dass elektrischer Strom eine Art Flüssigkeit

wäre.

Die THOMSONsche Vorstellung von einem Atom entsprach

einem Rosinenkuchen bzw. einer Wassermelone

(Rosinenkuchen- bzw. Plumpuddig-Modell). Der positive und

massebehaftete Teil entsprach dem Teig bzw. dem

Fruchtfleisch. Die Rosinen bzw. die Kerne entsprachen

den negativen Elektronen. Die Elektronen sind locker und

zufällig in der Atom-Masse (in Bedeutung von Teig) verteilt.

THOMSONsches Atom-Modell

Q: de.wikipedia.org (Night Ink)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 16 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Trotzdem war man zu dieser Zeit immer noch nicht von der Existenz von Atomen überzeugt.

In den nachfolgenden Jahren überschlugen sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse. Das

Forscher-Ehepaar Marie und Pierre CURIE untersuchten Uran. Dabei konnten sie die Radioaktivität

nachweisen und auch die Umwandlung in ein anderes Element (eine andere Atom-

Art).

Dem theoretischen Physiker Ludwig BOLTZMANN (1844 – 1906) gelang es 1900 unter

Ausnutzung der Theorie der Atome bestimmte Eigenschaften () von Gasen und Kristallen zu

berechnen. Er lieferte aber keine praktischen Beweise für seine Aussagen und Berechnungen,

so dass seine Ansichten sehr umstritten waren. Hinzu kam, dass er Erkenntnisse und

Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung (Stochastik) mit einbrachte. Dies führte zu weiteren

Verwirrungen in den wissenschaftlichen Ansichten dieser Zeit.

Exkurs: BOLTZMANN’s Theorien zur Thermodynamik

Ebenfalls im Jahr 1900 untersuchte der deutsche Physiker Max PLANCK die Schwarzkörperstrahlung.

Seine wichtigste Erkenntnis war dabei, dass die Energie immer in bestimmten

Portionen abgestrahlt oder absorbiert wurde. Diese Energieportionen nannte er Quanten

(quantum ). PLANCK begründete damit die Quantenphysik (Quantenmechanik).

Albert EINSTEIN (1879 – 1855) beschäftigte sich 1905 mit der Erklärung der BROWNschen

Molekularbewegung. Er führte dabei aus, dass die scheinbar willkürlichen Richtungsänderungen

der beobachteten (relativ großen) Teilchen durch Zusammenstöße mit kleinen (unsichtbaren)

Teilchen (z.B. Atomen) erklärbar sind. Die beobachteten Phänomene bei der

Molekularbewegung passten auch gut zu den Theorien von BOLTZMANN. Unklar blieb aber

die Rolle der Elektronen und die Phänomene der Radioaktivität konnten auch noch nicht abschließend

beschreiben werden.

Mit einem radioaktiven Teilchenstrahl wollte der britische Physiker Ernest RUTHERFORD

(1871 – 1937) die Atome einer sehr dünnen Gold-Folie untersuchen. Wenn die Atome massive

Teilchen sind, dann müßten sie den radioaktiven Teilchenstrahl eigentlich absorbieren.

Eventuell wäre eine glatte Durchstrahlung denkbar. Bei stieß er auf ein seltsames Phänomen.

Der Großteil der Strahlung ging zwar glatt durch die Gold-Folie, aber links und rechts

neben dem Durchstrahlpunkt zeichneten sich weitere Einzelstrahlen ab.

Exkurs: RUTHERFORD’s Experiment

Als Strahlen-Quelle (1) benutzte

RUTHERFORD radioaktives

Blei. Dieses strahlt -, - und

-Strahlen aus. Durch ein

elektrisches Feld hinter der

Austrittsöffnung werden die -

Strahlen zum negativen Pol

und die -Strahlen zum positiven

Pol abgelenkt. Die -

Strahlen fliegen weitgehend

unverändert weiter. Für das

Experiment werden die -

Strahlen (3) benutzt. Sie werden

innerhalb einer abgedun-

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 17 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


kelten Experimentier-Kammer

auf eine extrem dünne Gold-

Folie (5) gelenkt. Gold war zur

der Zeit, das Metall, was man

sehr dünn auswalzen und

hämmern konnte.

Q: de.wikipedia.org (Sundance Raphael)

Die Folie bestand aus ungefähr 1000 Atom-Schichten. Die durchgelassenen oder gestreuten

-Teilchen wurden dann von einem Film-Material (4) aufgefangen, wo sie einen schwarzen

Fleck hinterlassen. Das Film-Material wurde ringförmig um die Gold-Folie (Aufstrahl-Punkt

(6)) angebracht.

RUTHERFORD folgerte nun, dass die Atome gar nicht

massiv seien. Scheinbar bestanden sie aus kleinen,

massiven Zentralpunkten, welche die Strahlung zu einem

bestimmten Anteil ablenkten. Der Rest des Atom

war einfach nur leerer Raum. Im Jahr 1906 konnte

RUTHERFORD dann auch die Größenverhältnisse

sehr genau ermitteln. Der Kern hat einen Durchmesser

von ungefähr 10 -10 m (= 10 pm = 0,0001 µm). Die Hülle

hat einen rund zehntausendmal größeren Radius. Stellt

oben: Erwartung nach dem

THOMSON-Modell

unten: Erklärungsversuch

von RUTHERFORD

Q: de.wikipedia.org (Fastfission)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 18 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


man sich einen Atomkern in Kirschkerngröße (d = 0,5

cm) vor, dann wäre die Hülle so groß (d = 300 m), dass

das Rote Rathaus von Berlin gut darin Platz finden

würde. Das Volumen des Kerns ist somit nur rund ein

Billiardenstel (1/10 15 ) der Hülle.

RUTHERFORDsches Atom-Modell

Q: de.wikipedia.org (Night Ink)

Über seine Experimente konnte RUTHERFORD weiter ermitteln, dass der Kern positiv geladen

ist und die Hülle die entgegengesetzte negative Ladung gleicher Größe besitzt. Die positiven

Ladungen im Atomkern nannte er Protonen.

Obwohl man nun festgestellt hatte, dass die Atome gar

nicht unteilbar sind, behielt man den Namen bei.

Im Modell von RUTHERFORD umkreisten die Elektronen

den Atomkern. Dies war schon deshalb notwendig,

weil sonst die negativen Elektronen zum positiven Kern

fliegen würden (COULOMB-Kraft als Zentripetalkraft).

Nur durch eine entsprechend schnelle Kreisbewegung

und die daraus resultierende Zentrifugalkraft ließ sich

zu dieser Zeit der stabile Aufenthalt der Elektronen in

der Hülle erklären. Mit den Bahnen konnte man nun

auch die Absorption bzw. die Emission (Abstrahlung)

von Energie durch die Elektronen (Atome) erklären.

Nahmen die Elektronen Energie von außen auf (Absorption),

dann mußten sie sich – bedingt durch die

nun höhere Energie – schneller und höher (weiter ent-

fernt vom Kern) bewegen.

RUTHERFORDsches Atom-Modell

Q: de.wikipedia.org (Cburnett)

Nach einer Energieabgabe konnten sie eine Bahn dichter am Kern einnehmen. Zu dieser

Theorie standen aber die Emmisions- und Absorptionsspektren der Atome im Widerspruch

(BALMER, LYMAN und andere). Sie zeigten je nach Atom immer nur bestimmte Farb-Linien.

Eine Farblinie steht dabei immer für eine bestimmte Energiemenge. Auch die PLANCKschen

Erkenntnisse von der Quantelung der Energie widersprachen dem Atommodell und wurden

durch die Spektren gestützt.

Im weiterentwickelten Atom-Modell (1913) von Niels

BOHR (1885 – 1963) durften sich die Elektronen nur

noch auf bestimmten Bahnen bewegen. So konnte er

die definierten Energiesprünge der Elektronen erklären.

Die Bahnen umgeben den Kern in der gesamten

Kugelform. Die Elektronen befinden sich also auf Schalen.

Jede Schale konnte eine bestimmte Anzahl von

Elektronen aufnehmen. Die Atome streben immer eine

Vollbesetzung der Schale mit Elektronen an. Dieser

Zustand ist dann besonders stabil. Nun ließen sich

auch viele chemische Vorgänge erklären.

BOHRsches Atom-Modell

für das Wasserstoff-Atom

Q: de.wikipedia.org (JabberWok)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 19 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Mit dem deutschen Physiker Arnold SOM-

MERFELD (1868 - 1951) entwickelte BOHR

sein Atom-Modell weiter, um die ungenügende

Übereinstimmung des alten Modells

mit den Meßwerten bei größeren (komplexeren)

Atomen zu erklären. Im BOHR-

SOMMERFELDschen Atom-Modell

(1915/1916) konnten bestimmte Elektronen

elliptisch-exzentrische Bahnen einnehmen.

Hiermit ließen sich verschiedene chemische

und physikalische Eigenschaften (z.B.:

Feinstruktur des Wasserstoff-Spektrums) deuten.

Auch heute ist gerade das BOHR-

SOMMERFELDsche Atom-Modell dazu geeignet,

die Zusammenstellung der Elemen-

te im Periodensystem zu erklären.

BOHRsches Atom-Modell

für ein Chlor-Atom

Q: commons.wikimedia.org (Sundance Raphael)

Erklärung der Entstehung von RÖNTGEN-

Strahlung mit dem Atom-Modell von BOHR

Q: commons.wikimedia.org (Cepheiden)

BOHR-SOMMERFELDsches Atom-Modell

Q: de.wikipedia.org (Cepheiden)

Bei der Überprüfung des RUTHERFORDschen Atom-Modells durch Walther BOTHE und seinen Studenten Herbert

BECKER fanden diese eine neuartige Energie-reiche Strahlung. Sie hatten Beryllium mit -Teilchen bestrahlt.

Statt dem erwarteten Bor erhielten sie außerdem Cohlenstoff. Die beobachtet Strahlung hatte gewissen

Parallelen zur g-Strahlung, aber auch deutlich andere Eigenschaften (z.B. keine Ladung). Erst Jahre später

konnten die ungewöhnlichen Eigenschaften die "Beryllium-Strahlung" aufgeklärt werden. James CHADWICK

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 20 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


(1891 - 1974) gelang der Nachweis, dass es sich bei der Strahlung um Teilchen handelte, die genauso schwer,

wie Protonen waren. Sie verhielten sich aber elektrisch neutral. Er nannte die Teilchen deshalb Neutron. 1935

bekam CHADWICK den NOBEL-Preis für Physik für seine Entdeckung.

Für die Berechnung der Energiezustände und –orbitale benutze SCHRÖDINGER eine –

später nach ihm benannte – sehr komplizierte – Gleichung (SCHRÖDINGER-Gleichung;

SCHRÖDINGER-Funktion). Aus den Lösungen dieser Funktion (Wahrscheinlichkeits-Funktion) ergaben

sich unterschiedliche Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für das jeweils berechnete Elektron

im Hüllenraum.

Diese Aufenthaltswahrscheinlichkeiten

entsprechen bildlich Wolken. Sie

wurden Orbitale genannt. Mit den Orbitalen

lassen sich Bindungen und

ihre räumliche (sterische) Anordnung

klären. Die SCHRÖDINGERschen

Orbitale sind das gängige Hüllenmodell

der Atome für die moderne Chemie.

Um weitere physikalische und chemische

Merkmale von Atomen und Stoffen

zu deuten, wurden die Atom-

Modelle immer weiter entwickelt. Hier

verlassen wir aber eigentlich den Bereich

der Chemie und kommen zu

Physik.

Werner HEISENBERG gelang es, aus den gemessenen

Spektren mathematisch-physikalische Zusammenhänge

herauszufiltern und in physikalischen Gesetzen zu formulieren.

Heraus kam ein Formel-Konglomerat für Frequenz,

Energie, Intensität und Polarisation.

Eine wichtige Erkenntnis von HEISENBERG war das

Meßproblem beim Untersuchen von Elektronen. Während

Physiker bei großen Körpern mit ihren Messgeräten

praktisch keine Beeinflussung am Beobachtungsgegenstand

hervorriefen, sah dass bei den extrem kleinen

Elektronen ganz anders aus.

Orbital-Modell (Orbitale; Beispiele)

Q: de.wikipedia.org (Benjah-bmm27)

Atom-Modell

Q: de.wikipedia.org ()

So ist es laut HEISENBERG unmöglich, gleichzeitig Position und Geschwindigkeit eines

Elektrons zu bestimmen. Bestimmte man die Position, beeinflußten die Messtechniken die

Geschwindigkeit und umgekehrt. Für das SCHRÖDINGER-Modell war aber die Kenntnis

beider Werte aber wichtig. HEISENBERG formulierte diese Unbestimmbarkeit als Unschärferelation.

Heute verstehen wir Elektronen nicht mehr als Objekte auf festen Bahnen sondern

als Teilchen, die sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeiten an bestimmten Stellen

in der Hülle aufhalten.

In den nachfolgenden Jahrzehnten bis heute konzentriert man sich nun auf die Erforschung

der Elementarteilchen selbst. Wie sind sie aufgebaut und wie interagieren sie. Letztendlich

suchen die Physiker eine Weltformel, mit der sie die großen physikalischen Phänomene

(Gravitation, ) beschreiben können.

In einem ersten Schritt erkannte () das Neutron als neutrales Elementarteilchen des Kerns.

Mit Neutronen ließ sich erklären, dass soviele positive Teilchen im Kern so harmonisch miteinander

zurecht kamen. Die Neutronen verstehen wir heute als Kittmasse. Sie halten die

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 21 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Protonen zusammen und bestimmen mit den Protonen den wesentlichen Teil des Atomgewichts.

Die Anzahl der Protonen bestimmt die Kernladungszahl und damit die Element-Art. Atome

mit der gleichen Kernladungszahl bilden ein Element. In den Kernen können aber unterschiedliche

Anzahlen von Neutronen sein. Da die Neutronen im Prinzip genauso schwer, wie

die Protonen sind, bestimmen sie die Atom-Masse ebenfalls mit. Atomkerne eines Elements

mit unterschiedlichen Neutronenzahlen sind also auch unterschiedlich schwer. Solche unterschiedlichen

Atome nennen wir Isotope. Manche Protonen-Neutronen-Kombinationen sind

instabil. Sie zerfallen spontan unter Abstrahlung von kleineren Einheiten. Eine solche Einheit

ist z.B. ein Helium-Kern. Den Helium-Kern haben wir schon als eine Form der Radioaktivität

kennen gelernt. Wenn instabile Atomkerne zerfallen, dann kann also radioaktive Strahlung

entstehen. Meist zerfallen die radiaktiven Kerne in kleinere – aber stabile – Atomkerne. So

entstehen neue Elemente. Durch Beschuß mit Neutronen kann man den Zerfall von Atomkernen

forcieren.

Andere Kombinationen aus Protonen und Neutronen sind sehr stabil. Sie bilden die stabilen

oder langlebigen Isotope. Diese zerfallen erst in sehr langen Zeiteinheiten (Halbwertszeiten

).

Beispielhaft soll hier die Nuklid-Karte für die kleinen – besonders für Lebenwesen wichtigen

– Atome gezeigt werden:

Q: http://atom.kaeri.re.kr/ton/nuc6.html

Aufgaben zur Nuklid-Karte:

1. Wieviele Isoptope sind für das Element Cohlenstoff bekannt?

2. Wieviele Isotope haben eine Atommasse von 12 u? Nennen Sie diese und notieren

Sie das Symbol einschließlich der Kernladungszahl und der Massenzahl!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 22 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Atom-/Welt-Modelle der modernen Physik

Atom-Physiker suchen nach ihrem eigenen Gott. Dieser ist eine einzige Formel, mit der man

alles im Universum berechnen kann. Derzeit kennen die Physiker vier elementare Kräfte, die

sie einzeln schon gut umreißen können, die:

elektrische und elektromagnetische Kraft

Gravitation

schwache Kernkraft (schwache Wechselwirkung)

starke Kernkraft (starke Wechselwirkung, Gluonen-Kraft, Farb-Kraft)

Aber die alles umfassende Urkraft oder Weltformel fehlt den Physikern noch.

Die Kräfte stellen sich uns als Felder dar. Jedes Feld hat seine eigene Teilchart als Überträger-Teilchen.

So werden die elektrischen Kräfte durch Elektronen und die elektromagnetischen

durch Photonen übertragen.

Die Gravitation hat die Gravitronen als Kraft-übertragende Teilchen. Sie durchdringen die

Massen und sorgen für eine Anziehungs-Kraft. Gravitations- und elektromagnetische Kräfte

bzw. Felder wirken über große Entfernungen. Sie sind uns bekannt und wir haben mehr oder

weniger konkrete Vorstellungen von ihnen. Die starke und die schwache Kernkraft liegen

weit außerhalb der Vorstellungen eines typisch naturwissenschaftlich gebildeten Bürgers.

Sie wirken innerhalb von Atomen.

Die Gluonen sind die Feld-Teilchen für die starke Kernkraft. Diese wirkt zwischen den Teilchen

(Protonen und Neutronen) eines Atom-Kerns und sorgt für seine Stabilität.

Die Felder der schwachen und der starken Kernkraft heißen YANG-MILLS-Felder. Bei der

schwachen Kernkraft, die z.B. , wirken die W- und Z-Teilchen (W- u. Z-Bosonen) als verbindende

Elemente im Feld.

Für den Zusammenhalt der Quarks innerhalb eines Elementarteilchens sorgen die schwachen

Kernkräfte.

Für ein vollständiges Atom-Modell können wir mit den elektromagnetischen Kräften den Zusammenhalt

des Atom-Kerns und der Atom-Hülle erklären. Für den Zusammenhalt von

Neutronen und Protonen im Kern bracht man die schwache Kernkraft.

Protonen sind recht stabile Gebilde. Sie haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 10 33

Jahren (Halbwertzeit 10 31 – 10 32 a). Irgendwann können sie sich in ein Neuton und ein Elektron

umwandeln:

p + n + e -

Aber Physiker geben sich nicht mit dem breit akzeptierten und nutzbaren Modell von Elementarteilchen

(Protonen, Neutronen, Elektronen, …) zufrieden. Sie wollen auch noch wissen,

wie diese wohl im Inneren aufgebaut sind. Gegenwärtig geht die breite Wissenschaft

von der Existenz von sogenannten Quarks aus. Jeweils drei Quarks bilden ein Elementarteilchen.

Man kennt bzw. vermutet (einige konnten noch nicht experimentell nachgewiesen werden) z.Z.

drei Paare von Quarks, die sich durch jeweils mindestens eine elementare Eigenschaft unterscheiden:

Das Proton besteht also z.B. aus zwei up-Quarks (u) und einem

down-Quark (d). Sie sind durch starke Kern-Kräfte miteinander

verbunden. Diese Kräfte werden von den Gluonen

vermittelt, in denen sie sozusagen schwimmen (dunkelgrauer

Kreis).

Das ganze Gebilde hat einen Durchmesser von 1,7 * 10 -15 m

(1,7 fm (Femtometer)). Die Masse des Protons (1,7 * 10 -27 kg

(1,7 yg bzw. cg (beide: Yoktogramm))) wird zu 5% aus der Masse

der Quarks und zu 95% aus der Bindungs-Energie zwischen

Quarks und Gluonen sowie ender Bewegungs-

Energien gebildet.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 23 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Q: de.wikipedia.org (Arpad Horvath)

In den neuesten Theorien reduzieren die Teilchen- und theoretischen Physiker die Teilchen

allesamt auf kleine, fast punktförmige Energie-Pakete. Man stellt sie sich wie superkurze

Saiten (Strings, Energie-Fäden) vor. Die Länge liegt an der Grenze dessen, was Physiker

erfassen (allerdings nicht wirklich messen) können, der sogenannte PLANCK-Länge (0,01*10 -33 m =

0,01 µµµµµmm (mit vielleicht vorstellbaren Einheiten-Vorsätzen ausgedrückt)). Sie schwingen jeweils in

Abhängigkeit von ihrer Energie unterschiedlich und erwecken dadurch für uns den Eindruck

eines bestimmten Teilchens. Der endgültige Nachweis für die String- und Superstring-

Theorie steht zwar noch aus, aber vieles spricht derzeit für diese physikalische Welt-

Erklärung.

interessante Internet-Links:

http://www.marcoschwarz-online.de/physik/nukliddaten.htm (Programm zur Erzeugung von Nuklidkarten)

http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/ (interaktive Nuklidkarte (engl.))

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 24 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.3.2. ein modernes und praktisches Atom-Modell für Chemiker

Für Chemiker reicht bzw. am Geeignetsten ist das Wellenmechanische Atom-Modell. Viele

Dinge kann man zwar schon ganz gut mit einfacheren Modellen erklären, aber in der organischen

Chemie spielen die Raumstrukturen von Substanzen eine große Rolle. Da bleibt uns

nur das Wellenmechanische Modell, um sinnvoll das räumliche Aussehen der Moleküle u.ä.

zu erklären.

Für chemische Zwecke werden genauere Kenntnisse zum Atom-Kern nicht gebraucht. Alle

chemischen Vorgänge spielen sich in der Atom-Hülle ab. Eigentlich bräuchten wir auch nur

die äußeren Schalen bzw. die äußerste Schale, um die chemischen Sachverhalte zu bearbeiten.

Trotz alledem gehen wir systematisch vor.

0.3.3. das Periodensystem der Elemente

0.3.4. (neue) Stoff-bezogene Begriffe aus der Atom-Welt

Element

Isotop

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 25 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4. Wiederholung: Stoff, Eigenschaften und Arbeitmethoden

Jeder (reine) Stoff ist durch eine einzigartige Kombination vonn Merkmalen und Eigenschaften

charkterisiert. Zwei (verschiedene) Stoffe unterscheiden sich immer mindestens in einer

Eigenschaft.

Wir unterscheiden physikalische, chemische und biologische (oft auch als physiologische)

Eigenschaften.

konstitutive Eigenschaften ()

Zu den physikalischen Eigenschaften von Stoffen zählen wir:

Farbe (Emission und Absorbtion von Licht), Transparenz

Glanz

Dichte

Aggregatzustand

Schmelztemperatur (Schmelzpunkt, Erweichungspunkt, Erstarrungstemperatur, …)

Siedetemperatur (Siedepunkt, Kochpunkt, Kondensationstemperatur, …)

Schmelzenthalpie, Verdampungsenthalpie

Wärmeleitfähigkeit, (spezifische) Wärmekapazität

Taupunkt

elektrische Leitfähigkeit, spezifischer elektrischer Widerstand

Oberflächenspannung

Magnetisierbarkeit (Remanenz), magnetische Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit)

Viskosität, Fluidizität

optische Aktivität

Schallgeschwindigkeit

Brechungsindex,

kritische Temperatur, kritischer Druck, kritische Dichte

Verformbarkeit

Härte

Sättigungsdampfdruck


Bei den chemischen Eigenschaften kennen wir:

Löslichkeit (in verscheidenen Lösungsmitteln / anderen Stoffen)

Lösungsenthalphie

Bildungsenthalpie, freie Bildungsenthalpie (nach GIBB's)

Verbrennungsenthalpie

Entropie

Reaktivität (gegenüber anderen Stoffen, allgemein)

Redoxpotential

Säure- bzw. Base-Konstante


Nur für lebende Systeme relevant sind die biologischen bzw. physiologischen Eigenschaften:

Geruch

Geschmack

Resorbierbarkeit


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 26 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die Werte für die einzelnen Größen sind charakteristisch und zumeist in Tabellen dokumentiert.

Man nennt sie auch Stoffkonstanten.

Weiterhin kennen wir Eigenschaften von Stoff(prob)en bzw. eines Systems (Wirkgemeinschaft

mehrerer Einzelkomponenten), die sich daraus ergeben, wie viel des Stoffes gerade

betrachtet werden:

additive Eigenschaften

physikalisch:

Masse

Volumen

Druck

osmotischer Druck

Temperatur

(Dichte) (bei Veränderung der Körnigkeit etc.)

(innere) Energie

Entropie

Magnetisierung

Polarisation


chemisch:


biologisch / physiologisch:

Giftigkeit (Toxizität)

Ökotoxidizität

Weil sie vom Zustand des Stoffes abhängig sind, bzw. seinen aktuellen Zustand bestimmen,

nennen wir sie Zustandsgrößen.

Wieder andere Eigenschaften sind (ausschließlich) nur von der Teilchen-Zahl (im jeweiligen

System) abhängig. Sie werden kolligative Stoff-Eigenschaften genannt. Dazu gehören:

Dampfdruckerniedrigung / Siedepunktserhöhung

Gefrierpunktserniedrigung

osmotischer Druck


kombinierte Eigenschaften ()

Man kann die Stoffeigenschaften auch nach ihrer Beobachtbarkeit unterscheiden. Makroskopische

Eigenschaften sind ohne vergrößernde Geräte direkt an der Stoffprobe meß- oder

beobachtbar. Dazu gehören Masse, Farbe, Aggregatzustand usw. Mit Hilfe von Mikroskopen

usw. können wir noch weitere innere Eigenschaften erschließen. Sie werden wegen der

Notwendigkeit von "Mikroskop"-ähnlichen Geräten mikroskopische Eigenschaften genannt.

In diese Kategorie fallen z.B. der Kristall-Bau, die Bindungsstärke oder die Isomerie.

Aufgaben:

1. Informieren Sie über solche Stoffeigenschaften, die Sie nicht kennen bzw.

erläutern können! (Prüfen Sie Ihre "Vorstellungen" in Partnerarbeit!)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 27 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.1. Wiederholung bedeutsamer Stoffeigenschaften

0.4.1.1. Aggregatzustand

auch Zustandsform

BROWNsche Molekularbewegung (Wärme-Bewegung der Teilchen)

Umwandlung der Aggregatzustände ist mit

Energie-Aufnahmen bzw. –Abgaben verbunden

für Übergang in den höheren Aggregatzustand

wird Energie gebraucht

entsprechende Umkehrung beim Übergang

zu niedrigeren Aggregatzustand

Ausnutzung z.B. bei der Frostschutz-

Beregnung (z.B. bei Nachtfrösten in der Blüte-Zeit)

beim Frieren eines Kilogramms

Wasser werden rund 330 kJ freigesetzt (an

die Umgebung (einschließlich der Pflanze

abgegeben)

Derzeit sind noch zwei andere Aggregatzustände bekannt, die aber derzeit nur eine minimale Rolle in der Chemie

spielen. Die Fortsetzung der Reihe fest – flüssig – gasförmig endet beim Aggregatzustand Plasma. In einem

Plasma sind Atom-Kerne und –Hüllen voneinander getrennt, was nichts anderes heißt, als dass die Elektronen

neben den Atomkernen in einem gasförmigen Zustand schweben. Da alle Bestandteile eines Plasma's freibewegliche

Ladungsträger sind, sind Plasmen elektrisch sehr aktiv. Das Leuchten von Plasma-Lampen, Nordlichtern

und Blitzen kennt wohl jeder.

Das andere Ende der Aggregatzustands-Skala wird derzeit vom EINSTEIN-BOSE-Kondensat bestimmt. Dieser

5. Aggregatzustand ist durch seine extreme Homogenität gekennzeichnet. Alle seine Bausteine – die Bosonen –

befinden sich im gleichen Quantenzustand. Sie bilden einen idealen Kristall, in dem die Elektronen sich ohne

Widerstand frei bewegen können ( Supraleitfähigkeit).

Der Zustand wird erst erreicht, wenn sich Stoffe nur ganz kurz vor dem absoluten Nullpunkt der Temperatur befinden.

In der derzeitigen Praxis sind das ungeführ 100 µK (= 0,0001 K).

Die Bedeutung der beiden "neuen" Aggregatzustände wird in der nächsten Zeit deutlich größer werden. Dies ist

schon dadurch gegeben, dass im Universum rund 99 % der sichtbaren Materie im Plasma-Zustand vorliegt.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 28 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.1.2. elektrische Leitfähigkeit

Voraussetzung für die Fähigkeit eines Stoffes den Strom zu leiten, sind frei bewegliche Ladungs-Träger.

Das können zu Einen freie Elektronen sein, wie wir sie im Metall vorfinden.

Zum Anderen kommen frei bewegliche Ionen in Frage. Diese gibt es in (wässrigen) Lösungen

und in Salz-Schmelzen.

Stoff elektrische Leitfähigkeit

[1 / *cm]

Silber 6,7 * 10 5

Cupfer 6,0 *10 5

Aluminium 4,0 *10 5

Eisen 1,0 *10 5

Germanium 2,0 * 10 -2

Silizium 2,0 *10 -5

Selen 1,0 * 10 -6

Cupferoxid 5,0 * 10 -7

Glas 1,0 * 10 -11

Diamant 1,0 * 10 -16

Polyethylen (PE) 1,0 * 10 -17

Quarz 1,0 * 10 -17

Wasser (reinst)

Wasser (Leitungswasser)

0.4.1.3. Viskosität und Oberflächenspannung

Viskosität (engl.: ) ist das Maß für die Zähflüssigkeit.

Die Intensität der zwischenmolekularen Anziehungskräfte

(molekulare Haftung, Kohäsion, innere Reibung) bestimmt

die Größe der Viskosität. Als zwischenmolekulare

Kräfte kommen die VAN-DER-WAALS-Kräfte und polare

Kräfte (z.B. Wasserstoff-Brücken oder Ionen-

Anziehungen) in Frage. Im Allgemeinen sind polare Kräfte

rund um den Faktor 10 stärker als kovalente Beziehungen.

Bei entsprechender Molekülgröße und –struktur

können aber auch ohne weiteres ganz andere Verhältnisse

auftreten (s. Tab. Viskosität). Schön zu sehen ist

der Effekt bei Decan, das mit seinen 10 Cohlenstoff-

Atomen schon ungefähr den Wert von Wasser erreicht.

Bei Wasser sind es polare Kräfte (Wasserstoff-Brücken-

Bindungen), welche die Viskosität bestimmen.

Grobeinteilung

Leiter

Halbleiter

Isolator

Kräfte zwischen den Teilchen

einer Flüssigkeit

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 29 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die früher gebräuchliche Einheit poise läßt sich leicht in das SI-Einheitensystem umsetzen. Ein poise (P) entspricht

0,1 Pa s (Pascal-Sekunden). In technischen Tabellenbüchern findet man häufig noch die Einheit cP

(centipoise). Die Werte sind dann wertgleich zu den Angaben in Pa s.

Weniger gebräuchlich ist der Kehrwert der Viskosität, die Fluidizität. Sie beschreibt die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit.

Die Viskosität der meisten

Flüssigkeiten nimmt mit der

Erhöhung der Temperatur

(extrem) ab.

Durch Zusätze – sogenannte

Additive – versucht

man bei kritischen Anwendungen

(z.B. Maschinenöle)

die Viskosität konstant

zu halten. Die meisten Additive

sind Polymere (Polymerisationsprodukte)

mit

Molekülmassen zwischen

10.000 und 20.000 u. Sie

vernetzen die Flüssigkeit

gewissermaßen. Bei so

großen Molekül-Massen

spielt dann auch die Eigenbewegung

(Bewegung der

der Molekülbestandteile) kaum

noch eine Rolle.

An der Oberfläche einer Flüssigkeit (/ eines Fluids) haben

die Teilchen weniger Umgebungspartner (s.a. obere Abbildung).

Dadurch konzentrieren sich ihre Anziehungskräfte

auf andere Oberflächen-Teilchen und auf solche, die

unmittelbar in der nächsttieferen Ebene liegen. Die Beziehungen

(Kohäsionskräfte) sind dadurch deutlich größer, als

in der Tiefe (im Flüssigkeitsinneren). Der Effekt, der sich

durch diese Kräfte ergibt, nennen wir Oberflächenspannung.

Für viele Zwecke ist es notwendig, die Oberflächenspannung

zu verringern. Dieses kann durch Zusatz von Detergenzien

(z.B. Tenside und Seifen) erreicht werden.

Temperatur-Abhängigkeit der Viskosität

Q: de.wikipedia.org (Prolineserver)

die Oberflächenspannung von

Wasser trägt z.B. Wasserläufer

Q: de.wikipedia.org (Markus Gayda)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 30 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Detergenzien sind Oberflächenaktive

Substanzen, die sich an den

Grenzflächen zwischen die Moleküle

schieben und dort die zwischenmolekularen

Kräfte herabsetzen.

Gleichzeit verstärken sie die Kontaktmöglichkeiten

zwischen den

Phasen, so dass fast solche Verhältnisse

entstehen, wie in deren

Inneren.

Die Oberflächenspannung ist ebenfalls

von der Temperatur abhängig.

Mit zunehmender Temperatur sinkt

die Oberflächenspannung im Allgemeinen.

Dies ist vor allem der größeren

Eigenbewegung der Teilchen

und den damit steigenden Teilchenabständen

geschuldet. In der Konsequenz

sinken die Kohäsionskräfte

zwischen den Teilchen.

Temperatur-Abhängigkeit

der Oberflächenspannung von Wasser

Q: de.wikipedia.org (Stan J. Klimas)

Aufgaben:

1. Interpretieren Sie die Temperatur-Abhängigkeit der Viskosität von Quecksilber!

2. Erstellen Sie ein Diagramm, in dem Sie die Viskosität in Abhängigkeit von

der Anzahl der Cohlenstoff-Atome für die folgenden Substanzen darstellen!

(Pentan = C5; Hexan = C6; Heptan = C7; Octan = C8; Nonan = C9;

Decan = C10)

Heben Sie sich das Diagramm für die Besprechung der Alkane und seiner

homologen Reihe auf!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 31 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Stoff dynamische Viskosität

(20 °C) [Pa s]

Oberflächenspannung

(gegen Luft, 20 °C) [mN / m]

Aceton (Propanon) 0,316 (25 °C) 23,50

Benzen (Benzol) 0,601 (25 °C) 28,87

Bitumen 10 7 – 10 14

Decan 0,920

Dodecan 1,520

Ethanol (Alkohol) 1,200 22,30

Ethansäure (Essig, Essigsäure) (80 %ig) 2,310 (25 °C) 27,60

Glas 10 18 – 10 20

Glycerol (Glycerin) 1,490 63,40

Heptan 0,410 18,40

Hexan 0,320

Methanol 22,60

Nonan 0,711

Octan 0,538

Pentan 0,224 (25 °C) 16,00

Petroleum 0,650

Quecksilber 1,554 480,00

Tetrachlorkohlenstoff (Tetra) 0,969 26,80

Schmieröl, leicht 113,800 (15 °C)

Schmieröl, schwer 660,600 (15 °C)

Wasser 1,520 (5 °C)

Datenquellen: /14, de.wikipedia.org/

0.4.1.4. Masse und Volumen

Eigenschaften einer konkreten Stoff-Probe

Dispensierung (Portionierung) einer Flüssigkeit

1,297 (10 °C)

1,002

0,891 (25 °C)

Stoff od. Substanz ≈ Tropfen ≈ Tropfen- ≈ Tropfen ≈ Tropfenfür

1 g Masse [g] für 1 ml Volumen [ml]

Ethanol (96 %ig) 65

Ethanol (70 %ig) 56

Glycerol (85 %ig) 24

Paraffin (dickflüssig) 50

Rizinus-Öl 40

Wasser 20 0,5 0,3

Zuckersirup 18

72,75

67,90 (50 °C)

62,60 (80 °C)

Dichte

[g/ml] (20 °C)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 32 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.1.x. Farbigkeit

Spektren

Emission

Absorption

Fluoreszenz

"farbige" Atom-Gruppen

\ _

C = O

/

Carbonyl-

Gruppe

_ _

- N = N -

|O|

//

- N

\

|O|

Azo-Gruppe Nitro-

Gruppe

_ _

- N = O

Nitroso-

Gruppe

| | | |

- C = C – C = C –

| | | |

Farb-verstärkende / -vermehrende (auxochrome) Atom-Gruppen

_

- O - H

Hydroxyl-

Gruppe

H

_/

- N

\

H

Amino-

Gruppe

|O|

//

- C

\

Carboxyl-

Gruppe

|O|

//

- C

\

|O – H

|O|

||

- S – O – H

||

|O|

Säure-Gruppe Sulfonsäure-

Gruppe

aromatische

Strukturen

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 33 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.2. Wiederholung von wichtigen Arbeitsmethoden für und mit

Stoffgemischen

0.4.2.1. Lösen

Das Lösen eines Stoffes (Substanz, Solute od. Substrat genannt) in einem anderen (Lösungsmittel

od. Solvens genannt) wird oft als physikalischer Vorgang gefasst. Dies ist nicht

ganz exakt, aber eine sinnvolle Vereinfachung. Praktisch lassen sich alle Merkmale einer

chemischen Reaktion feststellen.

Voraussetzung für einen Lösungs-Vorgang ist das Vorhandensein eines passenden Lösungsmittels.

Wasser ist sicher eines der am Meisten verwendeten Lösungsmittel, aber nicht

das Einzige. Im Prinzip können flüssige Lösungsmittel sowohl feste, als auch flüssige oder

gasförmige Stoffe lösen. Auch eine Lösung eines gasförmigen Stoffes in einem gasförmigen

Lösungsmittel ist denkbar. Meist gehen wir aber von einem flüssigen Lösungsmittel aus.

Dies gilt vor allem dann, wenn kein Lösungsmittel extra angegeben wurde.

Abstrakt formuliert ist eine Lösung, die homogene Verteilung eines Stoffes in einem anderen.

Eine Abtrennung durch Filterung ist nicht mehr möglich. Der gelöste Stoff wird in seine

Grundbausteine zerlegt (Ionen-Kristalle in Ionen, Molekül-Kristalle / -Substanzen in Moleküle).

Handelt es sich um eine bloße Verteilung des einen Stoffes in dem anderen, dann sprechen

wir genauer von einer Dispersion. Lösungsmittel und Substanz gehen im Prinzip keine Beziehungen

ein. Die Verteilung beruht ausschließlich auf der Wirkung der BROWNschen Teilchen-Bewegung

(Wärme-Bewegung der Teilchen). Es handelt sich also um einen rein physikalischen

Vorgang (Diffusion). Als Beispiele sein hier die Lösung von Methan in Wasser

und . Methan löst sich z.B. deshalb recht gut in Wasser, weil seine (kleinen) Moleküle gut in die Raum-Struktur

des Wassers passen.

Ein chemisches Lösen eines Stoffes z.B. von Natrium in Wasser beruht vorrangig auf einer

chemischen Reaktion. Es ändern sich der Stoff und die Teilchenarten. Aus Natrium wird

letztendlich Natriumhydroxid, das in Wasser zunächst ersteinmal in Form von Ionen (Natrium-Ionen

und Hydroxid-Ionen) vorliegt. Die Teilchen werden nach dem Umsetzen dann

ebenfalls durch Diffusion im gesamten Lösungsmittel-Raum verteilt. Bei einer gesamtheitlichen

Betrachtung des Vorganges muß man das Primat auf den chemischen Vorgang legen.

Es ist also eine chemische Reaktion. Andere Beispiele für chemische Lösungsvorgänge sind

Fluor in Wasser oder auch Ammoniak in Wasser.

Bei dem was man langläufig unter Lösen (Solvatation) versteht, meint man einen Vorgang,

der sich aus den üblichen physikalischen und schwachen chemischen Vorgängen zusammensetzt.

Die zu lösenden Teilchen gehen schwache Beziehungen zum Lösungsmittel ein.

Am typischen Lösungsmittel Wasser wollen wir dies hier genauer aufzeigen.

Das Lösungsmittel Wasser ist ein polarer

Stoff. D.h. seine Teilchen besitzen vollständige

(ganze) oder teilweise Ladungen. Im

Fall des Wassers sind es partielle Ladungen.

Sie ergeben sich aus der unterschiedli-

chen Elektronegativität der aufbauenden

Atome. Wasserstoff hat nach PAULI eine

Elektronnegativität von 2,1 und Sauerstoff

von 3,5. Somit zieht das Sauerstoff-Atom die

Bindungselektronen-Päarchen stärker zu

sich.

_

H – O|

|

H

H |O|

Im Ergebnis finden wir am Sauerstoff-Atom eine teilweise (partielle) negative Ladung. Die

Wasserstoff-Atome sind entsprechend teilweise positiv geladen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 34 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

H


Diese Ladungen treten mit den verschiedenen

Ladungen in anderen Stoffen in Wechselwirkungen.

Die Wasser-Moleküle lagern

sich an die Ladung an, umhüllen sie vollständig

und brechen sie dann aus ihrem

Stoff-Verband heraus. Die hydratisierten

(vom Wasser umhüllten) Teilchen können

sich danach frei im Lösungsmittel bewegen.

Stoffe, die keine oder sehr wenig Polaritäten

(vollständige od. teilweise Ladungen) besitzen

(z.B. Fette, Wachse, Benzin), lösen sich

nicht in Wasser. Für sie sind unpolare Lösungsmittel

nötig. Typische Beispiele sind

Benzin, Petroleum, Benzen (Benzol), Ether

und Tetra(chlorkohlenstoff).

Lösung eines Ionen-Kristalls (unten rechts)

Die Lösungs-Vorgänge bei diesen Stoffen beruhen nicht auf den elektrostatischen Kräften,

sondern auf den unpolaren VAN-DER-WAALS-Kräften.

Angetrieben von den Stößen anderer gelöster Teilchen oder des Lösungsmittels bewegen

sie sich langsam zufällig durch das gesamte Medium. Damit kommt es dann zu einer

gleichmäßigen Verteilung des einen in dem anderen Stoff (Substanz in Lösungsmittel).

Als Eselsbrücke kann man sich merken: "Gleiches löst sich in Gleichem!" oder anders

"Gleich und Gleich gesellt sich gern." Für die altsprachigen Leser (und die Angeber): "similia similibus

solventur" (lat.: Ähnliches löst sich in Ähnlichem).

Mit dem Hinzufügen der ersten Substanz in das Lösungsmittel,

bzw. mit dem ersten Anlösen der Substanz

innerhalb des Lösungsmittels, entsteht eine (ungesättigte)

Lösung.

Für jede Substanz gibt es maximale Menge, die das Lösungsmittel

aufnehmen kann. Ist der Punkt der maximalen

Lösung erreicht, sprechen wir von einer gesättigten

Lösung. Wird weitere Substanz dazugegeben, dann

setzt sich diese auf dem Grund ab. Der Rückstand löst

sich zwar auch wieder auf, dafür gehen aber auch andere

Teilchen als Niederschlag in den Rückstand über. Es

herscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Lösen

und Ausfallen.

Unter der Löslichkeit l verstehen wir die größtmögliche

Menge (Masse) eines Stoffes (Substanz, S), der sich in

einem anderen – dem Lösungsmittel (LsgM, LM) löst (in

einer definierten Masse (üblich 100 g = mLsgM)). Zumeist wird hier

von Wasser ausgegangen. Das Lösungsmittel muss

immer mit notiert sein.

m

S

l

m


LsgM

g[LsgM

]

Aus dieser Löslichkeit leitet sich die – praktisch vielfach

verwendete – Angabe in Masse-Prozent ab:

mS

100%

l%

L 100%

m

LsgM



g

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 35 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


% od. m %

Dies ist auch die übliche Ausdrucksweise. Man sagt z.B. dieser oder jener Stoff ergibt maximal

eine 30 %ige Lösung. Was nichts anderes bedeutet, als das sich maximal 30 g der

Substanz in 100 g Lösungsmittel gelöst haben.


Löslichkeit l [g [Salz]/100 g [Wasser]]

Cl - Br - I - Na

-

NO3

2-

SO4

2-

CO3

+ 35,8 90,5 184,0 88,0 19,4 21,6

K + 34,4 54,0 144,3 31,6 11,1 112,0

+

NH4

29,7 77,0 172,0 187,7 75,4 100,0

Mg 2+ 54,3 101,5 148,0 70,5 26,7 0,18

Ca 2+ 74,5 142,0 204,0 127,0 0,2 0,0015

Ba 2+ 37,5 104,0 170,0 9,0 0,00025 0,0017

Cu 2+ 70,6 122,0 122,0 21,0

Ag + 0,00015 0,000014 0,000003 218,0 0,8 0,0003

Zn 2+ 367,0 447,0 432,0 327,0 54,0 0,00006

Hg 2+ 6,6 0,6 0,01 127,0

Daten-Q: Tabellen und Formeln.-Volk u. Wissen Verl. 1980

Daneben kann die Löslichkeit auch als Volumen-basierte Größe ausgedrückt werden:

Volumen-Anteil (sprich: phi):

Zur semiquantitativen Benennung der Löslichkeit schlägt das Deutsche Arzneibuch Nr. 10

die folgenden Bereiche vor:

Benennung der

Löslichkeit

notw. Volumenteile [ml]

Lösungsmittel für 1 Masse-

teil [g] Substanz (DAB 10)

Löslichkeit [g/ml]

(Masse-Konzentration)

sehr leicht löslich < 1 > 1

leicht löslich 1 – 10 1,0 – 0,1

löslich 10 – 30 0,1 – 0,3

wenig löslich 30 – 100 0,3 – 0,01

schwer löslich 100 – 1.000 0,01 – 0,001

sehr schwer löslich 1.000 – 10.000 0,001 – 0,000.1

praktisch unlöslich > 10.000 < 0,00001

Die Zahlen-Verhältnisse der Teilchen in einer Lösung spiegelt der Molenbruch (sprich: chi;

vereinfacht wird auch x verwendet) wieder:

S

S



n

n

Lsg

n

S

n

n

LsgM

Das Mol-Prozent ist die resultierende Prozentgröße auf Teilchenzahlen-Ebene:

Mol%

n

100%

S

%

n

Lsg

Ein Molenbruch von 0,05 besagt, das 5 von 100 Teilchen z.B. von der gelöste Substanz

stammen. Für das Lösungsmittel wäre der Molenbruch dann 0,95.

In der Chemie wird besonders die Konzentration eines Stoffes gerne als Maß verwendet.

S

c molar [ M ]

V

n

Lsg

mol



l


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 36 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Neben der Einheit Mol pro Liter findet man vielfach die verkürzte Angabe molar. Bei der

Schreibung hat sich eine verkleinerte (kleinere Schriftgröße) für das Zeichen (M) eingebürgert.

Damit soll eine Verwechslung mit dem Präfix M (für: Mega = 10 6 ) vermieden werden.

Eine 1 M Lösung ist also 1 molar bzw. enthält 1 mol pro l. Diese spezielle Art der Konzentrations-Angabe

wird Molarität genannt. Daneben gibt es noch die Normalität, bei der die aktiven Teilchen

(z.B. Protonen, Wasserstoff-Ionen) betrachtet werden. So ist z.B. eine 1M Schwefelsäure-Lösung 2N (2 normal),

weil beim Lösen der Schwefelsäure immer jeweils 2 Wasserstoff-Ionen (Protonen) freiwerden.

Eher selten wird die Molalität verwendet. Dabei werden die Anzahl Mole betrachtet, die in jeweils 1kg Lösungsmittel

gelöst sind.

Die Konzentration eignet sich besser als Angabe von Substanz-Lösungsmittel-Verteilungen,

da chemische Reaktionen immer vom Kontakt der Teilchen abhängen. Bei geringer Konzentration

ist die Chance für einen Kontakt deutlich geringer, als bei höherer Konzentration

(mit entsprechend mehr gelösten Teilchen).

Die maximale Konzentration (Sättigungs-Konzentration, c s ) wird aber eher selten tabelliert.

Der Löse-Vorgang und auch die maximale Lösungsmenge sind von der Temperatur abhängig.

Die Geschwindigkeit des Lösevorgangs unterliegt der RGT-Regel (VANT-HOFFschen

Regel). Danach erhöht sich die Geschwindigkeit ungefähr um das 2 bis 3fache, wenn die

Temperatur um 10 K (= 10 grd (veraltet!)) steigt. Selten werden auch Geschwindigkeitszuwächse

um das 10fache registriert. Die Umkehrung der Regel gilt ebenfalls.

Etwas komplizierter verhält es sich mit der Temperatur-abhängigkeit der gelösten Substanz-

Mengen.

Hier kommt das eigentliche Reaktionsgeschehen eines Lösungsvorgangs zum Tragen. Beim

Lösen eines Stoffes spielen zwei energetische Einzelvorgänge eine Rolle.

Zum Ersten wird Energie

für das Aufbrechen der

Bindungen (Gitter-

Energie; z.B. die Ionenbeziehung

in einem Salz-

Kristall) benötigt. Zum

Zweiten wird bei der Hydratisierung

Energie frei.

Die Bildung von Substanz-Lösungsmittel-

Clustern bringt einen

energetischen Vorteil, der

mit einer Verringerung der

inneren Energie verbunden

ist.

Die Beträge der beiden

Vorgänge sind sehr unterschiedlich.

Mal übersteigt

die Hydratisierungs-

Energie die Energie zum

Aufbrechen der Stoffbindungen.

Die Lösung ist

am Ende wärmer, als das

Lösungsmittel zu Anfang.

Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit (Solubility)

Q: de.wikipedia.org (Walkerma)

Insgesamt handelt es sich um einen exothermen Vorgang. Bei solchen Lösungsvorgängen

wirkt eine äußere Temperaturerhöhung kontraproduktiv. Die Menge an maximal lösbarer

Substanz sinkt mit steigender Temperatur. Zu Stoffen, die sich so verhalten, gehören: Natriumhydroxid

oder Cersulfat.

Beim Ammoniumnitrat ist sowohl das Aufbrechen der Substanz-Bindungen, als auch die

Hydratisierung ein endothermer Vorgang. Die Energie für den Lösungsvorgang wird dem

Lösungsmittel entzogen – es kühlt sich ab. Hier ist eine Temperaturerhöhung förderlich. Mit

zunehmender Temperatur steigt dann auch die Menge an der lösbaren Substanz.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 37 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Zu den Stoffen mit energetisch fast ausgeglichenen Teilreaktionen zählt Natriumchlorid

(Kochsalz). Die Menge Substanz für gesättigte Lösung ist bei solchen Stoffen im Allgemeinen

mit zunehmender Temperatur fast unverändert.

Eine scheinbare Ausnahme ist das Natriumsulfat (Na2SO4, GLAUBER-Salz, Karlsbader

Salz) . Zuerst (0 – 32 °C) nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur expotentiell zu.

Oberhalb von 32 °C kommt es dann zu einem langsamen Abfall der Löslichkeit. Um diesem

besonderen Effekt zu verstehen, muß sich genau ansehen, was gelöst wird. Im allgemeinen

Umgang mit Natriumsulfat wird meist einfach unterschlagen, dass dieses Salz Kristall-

Wasser besitzt. Richtig ist also eigentlich die folgende Formel für das (Wasser-haltige) Natriumsulfat

Na2SO4 * 10 H2O. Erwärmt man das reine Wasser-haltige Natriumsulfat, dann

schmilzt es überraschenderweise schon bei 32 °C (andere Salze erst bei Temperaturen über 400 °C).

Bei dieser Temperatur tritt das Wasser aus dem Kristall-Verband aus und nun kann sich das

"restliche" Natriumsulfat darin lösen. Es handelt sich also nicht um eine Schmelze, sondern

um eine Löse-Vorgang im eigenen Kristall-Wasser!

Neben polaren und unpolaren Lösungsmitteln gibt es auch solche, die beides enthalten. Typische

Beispiele sind Ethanol und Aceton. Sie lösen beide Arten von Substanzen.

Sie werden auch Lösungs-Vermittler genannt.

Aufgaben:

1.

2. Geben Sie jeweils ein Kristall Kaliumpermanganat (gleich groß) in Bechergläser

mit unterschiedlich warmen Wasser (z.B. Zimmertemperatur und 80

°C)! Beobachten Sie die Gläser, ohne sie zu bewegen!

3. Informieren Sie sich, was eine übersättigte Lösung ist! Wie kann man sie

herstellen? Warum fallen die übermäßig gelösten Teilchen nicht aus?

0.4.2.2. weitere Misch-Verfahren

homogenisieren:

… ist die Herstellung einer feinen, gleichgestaltigen (homogenen) Phase aus zwei oder mehr

ineinander mischbaren Stoffen (meist zumindest eine Flüssigkeit dabei)

suspendieren:

… ist die Herstellung einer feinen, gleichgestaltigen Verteilung eines oder mehrerer Feststoffe(s)

in einer Flüssigkeit. Suspensionen sind i.A. instabil und es kommt zur Sedimentation

(Absetzen, Ausfallen) bzw. zum Aufsteigen des / der Feststoffe(s).

Eine Stabilisierung ist durch erneutes Durchmischen, Energiezufuhr (erhöhte Teilchen-

Beweglichkeit), aber auch Temperatur-Erniedriegung (Behinderung der Absetz-

Bewegungen) und durch Lösungs-Vermittler möglich. Je feiner die Feststoffe sind, umso

stabiler sind die meisten Suspensionen. Oft gibt es dann abar Probleme bei der Herstellung,

weil die feinen Feststoff-Teilchen die Oberflächenspannung nicht durchdringen können.

dispergieren:

.. ist die Herstellung einer feinen gleichgestaltigen Verteilung von zwei oder mehr Flüssigkeiten

ineinander, die sich normalerweise nicht miteinander mischen / ineinander lösen. Üblicherweise

setzen sich die Flüssigkeiten – entsprechend ihrer Dichte - übereinander ab und

bilden Phasen. Diese Schichten werden durch mechanisches Mischen in Tröpfchen umgewandelt.

Die Tröpfchen bilden zum Umgebungs-Medium aber immer noch ein Zwei-Phasen-

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 38 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


System mit klaren Phasengrenzen. Beim gegenseitigen Berühren von stofflich gleichen

Tropfen kommt es dann häufig zum Zusammenfließen (Aggregation). Am Ende liegen die

ursprünglichen Phasen wieder getrennt vor (Koaleszenz).

Die bekanntesten Dispensionen im Lebensmittel-Bereich sind die Emulsionen, die aus Fetten

und Wasser (od.ä.) hergestellt werden. Für die Mischung Öl und Wasser ergeben sich

zwei verschiedene Grundtypen der Emulsion. Für eine Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O-Typ)

wird weniger Wasser in das Öl eingemischt. Die resultierenden Tröpfchen bestehen dann

aus Wasser und sind von dem überschüssigen Fett umgeben. Bei Öl-in-Wasser-Emulsion

(O/W-Typ) sind die Tröpfchen entsprechend aus Öl und die Umgebung Wasser.

Eine Stabilisierung ist durch erneutes Durchmischen, Energiezufuhr (erhöhte Teilchen-

Beweglichkeit), aber auch Temperatur-Erniedriegung (Behinderung der -Bewegungen) und

durch Lösungs-Vermittler möglich. Je feiner die Verteilungen ineinander sind, umso stabiler

sind die meisten Dispensionen.

begasen:

… ist das feine Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit. Dies kann durch direktes drücken

des Gases in die Flüssigkeit passieren oder auch durch Aufschlagen der Flüssigkeit.

0.4.2.3. Dekantieren, Sichten und Filtern

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 39 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.2.4. Destillieren

nur möglich, wenn ein Flüssigkeiten-Gemisch oder eine Lösung für die einzelnen Komponenten

unterschiedliche Siedepunkte (KP, KP, Kochpunkt) besitzen.

niedriger siedende Komponente geht in einem höheren (molaren) Anteil in die Dampf-Phase

über

manche Stoff-Gemische zeigen eine Anpassung der (molaren) Anteile an die jeweilige Siede-Temperatur.

Sie können nicht vollständig getrennt werden. Man nennt sie azeotrope

Gemische. Azeotrop bedeutet frei übersetzt so viel wie "unzersiedbar".

Ein typisches Azeotrop sind Alkohol-Wasser-Gemische. Eine Mischung von 96 % Ethanol

und 4 % Wasser lässt sich Destillation nicht weiter trennen. Das Erreichen dieses Punktes

kann man an einem Siedepunkt von °C erkennen. Bei niedriger konzentrierten Gemischen

geht zuerst mehr Ethanol über (aufkonzentrieren). Ausgehend von einer höherkonzentrierten

Lösung geht mehr Wasser über (runterkonzentrieren).

weitere typische Beispiele Herstellung von (echtem) destilliertem Wasser, Trennung der

Erdöl-Bestandteile (Rektifikation), technische Zerlegung von Luft in die Einzelgase

In natürlichen Rohstoffen für eine Destillation (z.B. Weine) befinden sich noch viele andere

und z.T. sehr verschiedene Stoffe. Bei einer Destillation gehen nun zuerst niedrig siedende

Komponenten über. Dies sind z.B. Methanol (Methylalkohol) und Ethanal (Acetaldehyd).

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 40 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Beide sind sehr giftig. Deshalb verwirft man den ersten Teil (Vorlauf) des Destillates. Praktisch

sind das meist rund 15 %. Ähnlich verhält es sich mit dem letzten Teil (Nachlauf). Er

enthält die schwersiedenden, sogenannten Fusel-Öle. Sie sorgen z.B. für die Unverträglichkeit

von Spirituosen ("Kopf", Magenschmerzen).

Die beste Trennung erreicht

man mit Hilfe der

fraktionierten Destillation.

Dabei werden in

einer Anlage feine

Temperatur-Unterschiede

erzeugt, die sich auf

einzelne Stufen oder

Bereiche der Destillations-Kolonneauswirken.

In diesen Einzel-

Bereichen können sich

dann genau die Stoffe

aufkonzentrieren, deren

Siedetemperatur in

dem Bereich gerade

unterschritten wird.

Rektifikations-Kolonne zur Luft-Zerlegung

Q: de.wikipedia.org (Mordechai1)

Aufgaben und Übungen:

1. Vor Ihnen liegen Stoffgemische, welche jeweils die folgenden Stoffe enthalten:

a) Wasser, Salz

b) Öl, Wasser

c) Seesand, Zucker, Wasser

d) Öl, Benzin

e) Seesand, Zucker, Eisen (Pulver bzw. Feilspäne)

f)

Informieren Sie sich über die Eigenschaften der Einzelkomponenten!

Geben Sie Verfahren zum Trennen an, um letztendlich die Einzel-

Komponenten zu erhalten! Wenn nötigt, begründen Sie auch, in welcher

Reihenfolge Sie die Verfahren einsetzen wollen!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 41 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.2.5. Extrahieren

0.4.2.5.x. Hochdruck-Extraktion

physikalisch-chemisches Verfahren, beruht auf unterschiedlicher Löslichkeit eines Stoffes in

verschiedenen Medien

als Extraktions-Mittel wird überkritisches CO2-Gas verwendet, ab 500 bar hat es die gleichen

Lösungs-Eigenschaften, wie Hexan – einem weit verbreiteten, unpolaren, organischen Lösungsmittel

mit überkritischem CO2 lassen sich diverse Fett-lösliche (lipophile, hydrophobe) Stoffe extrahieren

(herauslösen) z.B. Aromen, Fette, Coffein, Nikotin, Cholesterol, …

Vorteile: wirkt bakteriostatisch, toxikologisch weitgehend unbedenklich, Reaktions-träge,

nicht brennbar, begrenzt Umwelt-belastend (zumindestens biologisch abbaubar), leicht und

kostengünstig verfügbar, leichte Abtrennbarkeit von extrahierten / gelösten Stoffen,

praktisch genutzt für die Entfettung von Stärke, Entfernung von Cholesterol aus Ei-Pulver

und Butter, Reinigung von Enzym-Präparaten

besonders umfassender Einsatz bei der Destraktion (kombinierte Destillation und Extraktion)

von Coffein zur Erzeugung von Coffein-freiem bzw. –reduziertem Kaffee

Exkurs: überkritischer Zustand von Gasen

Normalerweise kann man Gas durch erhöhten Druck oder herabgesetzter Temperatur verflüssigen.

Bei den Gasen gibt es aber eine Stoffspezifische

Temperatur oberhalb derer die Verflüssigung

auch bei höchsten Drücken nicht

mehr möglich ist. Interessanterweise verhalten

sich die hochkomprimierten Gase wie Flüssigkeiten.

Sie sind aber weiterhin im gasförmigen

Zustand.

Die Dichte ähnelt der, des verflüssigten Gases,

während z.B. die Viskosität, die des (gasförmigen)

Gases entspricht.

für CO2 liegt die kritische Temperatur bei 31,15

°C und einem Druck von 7,375 MPa (73,75

bar)

schematisches Phasen-Diagramm für CO2

Q: de.wikipedia.org (Sponk)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 42 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.4.2.6. weitere Trenn-Verfahren

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 43 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.5. chemische Reaktion

Physikalische Sachverhalte (z.B. Merkmale, Eigenschaften und Vorgänge) haben wir nun

zur Genüge wiederholt. Wenden wir uns nun unserem eigentlichen Inhalt – der Chemie – zu.

Die Abgrenzung zwischen Physik und Chemie ist nicht so einfach, wie es auf den ersten

Blick scheint. Bei Wissenschaften beschäftigen sich u.a. mit Stoffen. Sie analysieren ihre

Eigenschaften und Veränderung. In der Schule werden Änderungen an den Zuständen (fest,

flüssig und gasförmig) im Allgemeinen der Physik zugeschrieben. Kommt es dagegen zu

veränderten (neuen) Stoffen, dann sind wir eher im Gebiet der Chemie. Betrachtet man z.B.

radiaktive Vorgänge, dann tut sich ein kleines Problem auf. Durch Radioaktivität kann es zur

Bildung neuer Stoffe kommen. Der radioaktive Zerfall von zeigt dies beispielhaft:

Trotzdem werden solche Vorgänge heute eher selten der Chemie zugerechnet. Traditionell

scheint es in einigen Bundesländern eine historische bedingte Zuordnung der Kernvorgänge

zur Chemie zu geben. Diesem Ansatz folgen wir hier nicht.

In der modernen Wissenschaft sieht man die Chemie als Physik der Elektronenhüllen. Chemische

Veränderungen sind also immer mit Veränderungen der Elektronen-Hüllen und –

Zuständen verbunden. Somit fallen die Kernreaktionen, Radioaktivität usw. aus dem chemischen

Interesse heraus.

Der aufmerksame Leser wird nun gleich anmerken, dass ja auch die Ionen-Bildung oder die

Absorptions- und Emmissions-Vorgänge Veränderung der Elektronen-Hüllen sind. Natürlich

ist das richtig. Hier sind wir im Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Meist verknüpft

man einfach die Merkmale "Veränderung der Elektronen-Hüllen" und "Veränderung der Stoffe",

dann kann man eine gut funktionierende Definition aufstellen.

Aufgaben:

1. Definieren Sie die Wissenschaft / den Begriff Chemie!

2. Vergleichen Sie Ihre Definition mit mindestens drei anderen aus Internet und

Literatur!

Vorgang / Sachverhalt Veränderungen /

Beobachtungen

Schmelzen von Eis Übergang vom festen

in den flüssigen Aggregatzustand

Verdunsten von Wasser Übergang vom flüssigen

in den gasförmigen

Zustand

Sieden von Wasser Übergang vom flüssigen

in den gasförmigen

Zustand

Entladung der Atmosphäre

(bei einem Gewitter)

Leuchten eines Stoffes

(in der Flamme / nach dem Erhitzen)

Lösen von Salz in Wasser

Erhitzen von Salz

(bis zur Schmelze)

Vorgangs-Art

physikalisch

physikalisch

physikalisch

Blitze und Donner physikalisch

Abgabe von Licht in

bestimmter Farbe

physikalisch

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 44 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Lösen von Zucker in Wasser

Erhitzen von Zucker

(bis zur Braunwerdung)

Erhitzen von Schwefel

(bis zur Braunwerdung)

Bildung eines Amalgam

(Lösen eines Metalls in Quecksilber)

Schmelzen von Kerzenwachs

Brennen einer Kerze

Farbveränderung eines Indikators in

Anwesenheit z.B. einer Säure

Bräunung von Fleisch beim Anbraten

Farbigwerden der Blätter im Herbst

Merkmale:

Stoffumwandlung

Energieumwandlungen /-Veränderungen

Veränderungen der Bindungen

Veränderungen der Teilchen und / oder ihrer Arten

Das Merkmal der Stoffumwandlung ist meist relativ leicht nachzuvollziehen. Im Verlauf einer

chemischen Reaktion verändern sich die Stoffe. Da jeder Stoff mit charakteristischen Eigenschaften

asugestattet ist, können wir durch Vergleich der Eigenschaften der Ausgangsstoffe

mit denen der Reaktionsprodukte Veränderungen erkennen. Mit Hilfe der neuen Eigenschaften

(der entstehenden Stoffe) können wir auch die Art der Reaktionsprodukte bestimmen.

Den energetischen Verlauf einer chemischen Reaktion stellt man in einem Energie-

Schemata dar.

Betrachten wir zuerst einmal den Verlauf der Reaktion (Vergasung von Kohle) von glühender

Kohle mit Wasserdampf (Wassergas):

C + H2O CO + H2 ↑ RH = 131 kJ / mol

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 45 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die Ausgangsstoffe C und H2O

haben vor der Reaktion ein bestimmtes

Energie-Niveau. Dieses

ist weitaus größer als 0 kJ / mol

und es läßt sich nicht genau bestimmen.

Bekannt sind aber die

sogenannten Bildungsenthalpien

für diese Stoffe. Da alle Elemente

den Wert 0 kJ / mol besitzen, hat

man eine realtive Bezugsgröße.

Hier soll nochmals betont werden, dass

eine Bildungsenthalphie von 0 kJ / mol

nicht bedeutet, dass der Stoff keine Energie

besitzt. Die besitzt er natürlich, aber

wir können diesen Wert nicht genau bestimmen.

Chemisch lassen sich Elemente

nicht aus anderen "kleineren" Teilchen

bilden, deshalb ist die Bindungsenthalphie

definitionsgemäß auf 0 kJ/mol gesetzt.

Für einen effektiven Zusammenstoß

müssen die Teilchen die Aktivierungs-Energie

EA besitzen. Nur

mit ihr kann es zum Umbau der

chemischen Bindungen kommen.

Eventuell muss den Ausgangsstoffen noch Energie zugeführt werden, damit genug Teilchen

eine ausreichende Energie besitzen. Sie können dann genügend effektive Zusammenstöße

im Stoffgemisch ausführen.

Nun gibt es zwei mögliche Fälle. Entweder die Reaktion benötigt Energie, wie es z.B. in der

vorgestellten Reaktion der Fall ist. Dann wird nicht der gesamte Teil der zugeführten Energie

wieder abgegeben. Die Reaktionsprodukte haben dann ein höheres Energie-Niveau als die

Ausgangsstoffe. Eine Reaktion, die Energie für ihren Ablauf bindet ("verbraucht"), nennen wir

endotherm.

Im zweiten Fall ist der Reaktionsverlauf von einer Energie-Abgabe begleitet (z.B. Licht,

Wärme, elektrische Energie). Diese Energie-Abgabe übersteigt auch die eventuell zugeführte

Energie (zur Aktivierung der Reaktion). In so einem Fall nennen wir die Reaktion

exotherm. Exotherme Reaktionen erkennt man an einem Minus-Zeichen vor dem Energie-

Betrag.

Die Veränderungen der Bindungen lassen sich am Aufbrechen von Bindungen ("Lösen der

Bindungen") und am Neuknüpfen solcher festmachen. In unserem Beispiel werden die Bindungen

zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen (des Wassers) aufgebrochen.

Neue Bindungen entstehen im molekularen Wasserstoff und im Cohlenmonoxid(-Molekül).

Auch die Bindungs-Arten ändern sich. Im Cohlenstoff finden wir die Atom-Bindung. Im Wasser

sind die Atome über eine Atombindung mit teilweisen Ionen-Charakter (auch: polare

Atom-Bindung) verknüpft. In den Reaktionsprodukten finden wir ebenfalls die Atom-Bindung

(Wasserstoff-Molekül) und eine polare Atombindung. Diese ist hier aber weitaus schwächer

ausgebildet, als beim Wasser-Molekül.

Im gewissen Sinne hätten wir damit auch das letzte Merkmal der chemischen Reaktion mit

abgehandelt. Die Teilchen bzw. ihre Arten haben sich deutlich geändert. Aus einem Feststoff

(Atom-Gitter) und einem Molekül entstehen zwei neue Moleküle.

Zur Unterscheidung von chemischen Reaktionen hat man diverse Möglichkeiten. Jede rückt

besondere Aspekte einer chemischen Reaktion (bzw. einer Gruppe von Reaktionen) in den

Vordergrund.

Reaktions-Arten

Synthese (Bildungs-Reaktion)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 46 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Analyse (Zerlegungs- bzw. Spaltungs-Reaktion)

Kombination aus Analyse und Synthese (Umwandlung)

Reaktions-Arten (nach ihrem charakteresierendem Verlauf)

Säure-Base-Reaktionen (Reaktionen mit Protonen-Übergang)

Redox-Reaktionen (Reaktionen mit Elektronen-Übergang)

photochemische Reaktionen (Licht-abhängige Reaktionen)

Komplex-Reaktionen (Bildung, Umwandlung und Zerlegung von Komplexen)

Reaktions-Arten (nach dem energetischen Verlauf)

endotherme Reaktion (Reaktionen mit/unter Energie-Aufnahme)

exoterme Reaktion (Reaktionen mit /unter Energie-Abgabe)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 47 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.5.x. einfache Thermodynamik chemischer Reaktionen

Die (chemische) Thermodynamik beschäftigt sich mit den energetischen Veränderungen, die

während einer chemischen Reaktion auftreten. Dabei interessieren uns die Energien, die in

den Stoffen drin stecken sowie die Energie-Mengen, die bei Reaktionen aufgenommen oder

abgegeben werden.

Die Thermodynamik ist keine leichte Kost. Schon der Begriff Energie stellt uns vor große

Verständnis-Probleme. Wer hat sie schon mal gesehen oder beobachtet. Wir können lediglich

ihre Wirkungen fühlen, beobachten und messen.

Energie ist neben Raum, Zeit und Information einer der zentralen Begriffe in der Physik (Naturwissenschaft).

Hier ist es die Größe, die trotz aller Zeit-Abhängigkeiten der Naturgesetze

unverändert bleibt (eine Art Inhaltsgröße).

Definiert wir die Energie heute als abstrakte Größe zur Beschreibung von Veränderungen an

und in Systemen. Energie kann nur umgewandelt werden. Es werden viele verschiedene

Energieformen beschrieben, von denen:

potentielle Energie (Lage-Energie)

kinetische Energie (Bewegungs-Energie)

elektrische Energie

chemische Energie

thermische Energie (Wärme(-Energie))

zu den bedeutesten zählen.

Vereinfacht – und populärer verständlich – wird Energie als das bezeichnet, was es einem

System ermöglicht, Arbeit zu verrichten, Licht auszustrahlen, Wärme abzugeben, magentische

Felder aufzubauen usw. usf.

Die verschiedenen Energie-Unterschiede sind die Ursache aller physikalischen Vorgänge.

Es wird immer ein Ausgleich der Energie-Differenzen (Potentiale, Gradienten) angestrebt.

Unter Normalbedingungen (300 K) ist z.B. die elektrische und die chemische Energie mit

einer der höchsten (organisiertesten / geordnetesten) Energieformen. Bei jeder Energie-

Umwandlung entsteht immer mehr oder weniger Wärme. Wie wir noch sehen werden, kann

aber die Wärme nicht wieder vollständig in eine andere Energie-Form umgewandelt werden.

Die niedrigste Form der Energie ist somit die Wärme. Letztendlich wird nur noch Wärme-

Energie über bleiben, die dann völlig gleichmäßig im Universum verteilt ist (Tendenz-

Richtung aller Energie-Umwandlungen). Mitlerweile werden auch andere Theorien diskutiert,

die nicht vom Wärme-Tod des Universums ausgehen. Die theoretische Physik hat hier noch

ein riesiges Spielfeld.

Als Formelzeichen verwenden wir für die Energie das E (seltener auch: W (Arbeit bzw.

Wärme)). Die genormte SI-Einheit ist das JOULE (Zeichen: J; gesprochen: dschuhl) nach

dem Physiker James Prescott JOULE (1818 – 1889). Aus traditionellen Gründen kursieren

und halten sich noch verschiedene andere Einheiten, von denen den Biologen, Chemikern

und Trophologen besonders die Kalorie nahe liegt.

Umrechnungen und Namen weiterer Energie-Einheiten:

Zeichen ausgeschrieben

gesprochen

Nm NEWTON

Meter

njutonmeter

Ws WATT Sekunde

wattsekunde

cal CALORIE

kalorie

Umrechnung(en) Zeichen ausgeschrieben

gesprochen

1 Nm = 1 J erg

erg

1 Ws = 1 J

1 kWh = 3,6 * 10 6 J

1 cal = 4,187 J

eV Elektronen

VOLT

elektronenvolt

Umrechnung(en)

1 erg = 0,1 *10 -6 J

1 eV = 1,6 * 10 -19 J

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 48 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Dass Energie nicht geschaffen oder vernichtet werden kann, haben wir schon gesagt. In der

Physik wird dieser Sachverhalt durch den Energie-Erhaltungs-Satz beschrieben. Ganz anders

als sonst üblich ist dieser Satz kein Gesetz. Der Energie-Erhaltungs-Satz (1. Hauptsatz

der Thermodynamik) ist derzeit nicht beweisbar. Er gilt aber als der wichtigste Grundsatz der

Naturwissenschaften. Bis heute ist aber noch kein einziger Verstoß gegen dieses Quasi-

Gesetz beobachtet worden. Nach unserem derzeitigen Erkenntnisstand gilt es auch im gesamten

Universum.

In einem Energie-Niveau-

Schemata (s.a. Abb. rechts) werden

die verschiedenen Energie-

Niveaus der reagierenden Stoffe

sowie ev. Zwischen-Schritte / -

Situationen dargestellt. Zu beachten

ist dabei, dass ein Energie-

Niveau-Schemata niemals bei einer

0-Energie beginnt. Diese kann

ein Stoff / ein chemisches System

niemals erreichen. (Selbst in der Physik

ist das Erreichen einer 0-Energie für

einen Stoff etc. nicht möglich.) Wir können

somit auch praktisch nicht die

genaue Energie ermitteln, die ein

Stoff hat. Was aber möglich ist –

und von der Physik zur Perfektion

gebracht wurde – ist die Ermittlung

von Energie-Differenzen. Gibt ein

Stoff Energie ab oder nimmt er sie

auf, dann lässt sich das sehr genau

feststellen.

Auf die ausführliche Beschreibung weiterer thermodynamischer Größen, wie z.B. der Entropie,

verzichten wir an dieser Stelle. Sie sind zwar von zentraler Bedeutung im Verständnis

für die Freiwilligkeit oder den Zwang bei chemischen Reaktionen bzw. für die Gesamt-

Betrachtung der energetischen Umsätzungen (bis in die Regionen des Gesamtweltalls).

Aber ein Grundverständnis für die Energetik chemischer Reaktionen lässt sich auch weitgehend

ohne sie erzielen.

alternative Formulierungen der thermodynamischen Hauptsätze:

HS Formulierung

0. Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht,

so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.

1. Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

2. Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar.

3. Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.

Q: de.wikipedia.org

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 49 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


HS Formulierung

0.

1.

2.

3.

Q:

HS Formulierung

0.

1.

2.

3.

Q:

interessante Links:

zum Thema und Begriff "Energie": (Prof. LESCH in der Sendung "alpha-Centauri" (BR ))

http://www.br-online.de/br-alpha/alpha-centauri/alpha-centauri-energie-2002-ID1208353667920.xml

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 50 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.5.x. Reaktions-Kinetik

Reaktionsordnung

Reaktion 0. Ordnung

Reaktion 1. Ordnung

Reaktion 2. Ordnung

Reaktion 3. Ordnung

Reaktionen höherer Ordnung

0.5.x.1. Abhängigkeit der Reaktions-Geschwindigkeit

Temperatur-Abhängigkeit

VAN'T-HOFFsche Regel / RGT-Regel (ReaktionsGeschwindigkeits-Temperatur-Regel)

Steigert man die Temperatur um 10 K (früher: 10 grd), dann erhöht sich die Reaktions-

Geschwindigkeit zumeist um das zwei- bis dreifache. In seltenen Fällen kann die Geschwindigkeit

bis zum zehnfachen steigen.

alternativ: Steigt die Temperatur einer Reaktion um 10 K, dann drittelt bis halbiert sich zumeist

die Reaktionszeit. In seltenen Fällen kann die Reaktionszeit auch nur noch ein Zehntel

betragen.

Q10-Wert: Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperaturveränderung um 10 K

Q

10

RG



RG

T T

T





10K

T

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 51 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


0.5.x.2. das chemische Gleichgewicht

Zu fast jeder chemischen Reaktion gibt eine Rück-Reaktion. Aus den Produkten werden

wieder die Edukte. Da die Produkte, in dem Augenblick, wo sie neu gebildet wurden auch

wieder miteinander reagieren können, beginnt praktisch sofort nach der Produkt-Bildung

auch wieder die Rückbildung der Edukte.

Chemische Reaktionen sind also im Allgemeinen umkehrbar, d.h. Hin- und die Rück-

Reaktion laufen gleichzeitig ab. Ausnahmen gibt da vor allem bei photochemischen Reaktionen.

Wie wir schon gesehen

haben, ist die Reaktions-Geschwin

Stoffmenge

Reaktion A B

digkeit besonders von 100,00

A

der Konzentration der

Stoffe abhängig. Da

gleich zu Anfang der

B

Produkt-Bildung nur

sehr wenige Produkte

vorhanden sind, wird

50,00

die Rück-Reaktion

auch nur schleppend

anlaufen. Je mehr

dann aber von den

0,00

Zeit

Produkten da sind,

umso stärker ist auch

die Rück-Reaktion.

Irgendwann ist der

Punkt erreicht, in

dem die Geschwindigkeiten

von Hin-

und Rück-Reaktion

genau identisch sind.

Wir sprechen dann

vom chemischen

Gleichgewicht. Dieses

ist ein dynamisches

Gleichgewicht.

Ständig werden irgendwo

im Reaktions-Gefäß

neue

Produkte gebildet,

während woanders

wieder Produkte die

Rück-Reaktion ein-

gehen.

Reaktionsgeschwindigkeit

25

20

15

10

5

0

Reaktion A B

Hinreaktion

Rückreaktion

Betrachtet man die Konzentrationen der reagierenden Stoffe, dann erkennt man das chemische

Gleichgewicht am waagerechten und parallelen Verlauf der Graphen zueinander. Auch

aus der Sicht der Konzentrationen ist das Gleichgewicht dynamisch. Zwar werden ständig

neue Teilchen gebildet, aber der Zerfall (aller Teilchen) der Reaktionsprodukte ist genauso

groß. Beide Konzentrationen ändern sich nicht, werden aber ständig durch neue / andere

Teilchen aufrechterhalten.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 52 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

Zeit


0.5.x.2.x. Abhängigkeit des chemischen Gleichgewichtes

Konzentrations-Abhängigkeit

Temperatur-Abhängigkeit

Druck-Abhängigkeit

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 53 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1. Cohlenstoff

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 54 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1.1. Element Cohlenstoff

Das Element Cohlenstoff (Kohlenstoff) findet man im Periodensystem der Elemente (PSE)

unter der Ordnungszahl 6 (6C). Dies bedeutet, dass jedes Atom 6 Protonen und 6 Elektronen

beinhaltet. Im Atom-Kern können neben den Protonen noch 6 bis 8 Neutronen sein.

Damit ergibt sich eine Massezahl von 12 bis 14 u (1 u … atomare Masseeinheit = 1,661 * 10 -

27 kg = 1,661 * 10 -24 g). Somit geben sich die Isotope 12 C, 13 C und 14 C. Davon ist das 14 C-Isotop

wegen seiner Radioaktivität und der dazu gehörenden Halbwertzeit von Jahren für viele Untersuchungen

interessant. C14-Messungen (exakt: 14C-Messungen) werden z.B. für die Alterbestimmung

benutzt. Im Bereich von tausend bis einigen hundertausend Jahren lässt sich damit

das Alter von biologischen Resten sehr gut bestimmen.

Als Element der IV. Hauptgruppe

sind die Möglichkeiten zur Ionen-Bildung sehr eingeschränkt. Die dafür notwendige Energie

wäre beachtlich. Beim Cohlenstoff finden wir eine deuliche Tendenz zur Atombindung. , vier

Außen-Elektronen Vierbindigkeit (sozusagen Grundregel der organischen Chemie)

1. Periode Möglichkeit von Mehrfachbindungen, keine d-Orbitale keine weiteren Bindungen

über d-Valenzen

Ionen-Bildung sehr aufwändig

Normalerweise sind zwei Außen-Elektronen auf dem 2s-Orbital und zwei Elektronen auf zwei

der drei 2p-Orbitale verteilt. Im angeregten Zustand (z.B. durch einfache Zusammenstöße der Atome

oder bei äußerer Energiezufuhr) verteilen sich die Elektronen gleichmäßig auf alle Orbitale der 2.

Schale. Durch Hybridisierung (Verschmelzung) des s- und der drei p-Orbitale entstehen vier

gleichartige sp 3 -Hybrid-Orbitale. Dadurch entstehen vier gleichartige Bindungs-Möglichkeiten.

Orbital

p Energiezufuhr Hybridisierung

s

Normal-Zustand angeregter

Zustand

Das kugelförmige s-Orbital und die drei hantelförmigen p-

Orbitale ergeben im hybridisierten Zustand insgesamt vier

ebenfalls hantelförmige Hybrid-Orbitale. Diese ordnen sich

wegen der maximalen gegenseitigen Abstoßung (der negativ

geladene Elektronen) im Raum so an, dass ein maximaler

Abstand zwischen ihnen besteht (GILLESPIE-Modell, Elektronenpaar-Abstoßungs-Modell).

Es ergibt sich ein Tetraeder

(Tetraeder-Modell). Im Zentrum befindet sich der Cohlenstoff-Atomkern.

Die Spitzen entsprechen den Bindungsrichtungen.

Der Raumwinkel beträgt zwischen den Bindungen

beträgt 109°28'.

Unter speziellen Bedingungen sind auch Doppel- oder Dreifachbindungen

zwischen Cohlenstoff-Atomen möglich. Diese

beruhen auf spezielle Hybridisierungen und werden bei den

ungesättigten Kohlenwasserstoffen ausführlich behandelt.

Die Bindungswinkel weichen dann vom Tetraeder-Winkel ab.


hybridisierter

Zustand

Mittelstellung zwischen Lithium einem gutem Elektronen-Donator (Elektronen-Abgeber) und

Fluor einem starken Elektronen-Akzeptor (Elektronen-Aufnehmer). Cohlenstoff neigt kaum

zur Aufnahme oder Abgabe seiner Außenelektronen. Deshalb finden wir in organischen Ver-

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 55 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


indungen auch vorrangig Cohlenstoff-Atome mit anderen Atomen über Atombindungen

verbunden. Mit einigen Partner werden polare Atombindungen eingegangen. Sehr selten

sind polare Bindungen (Ionen-Beziehungen).

keine Elektronenlücke (wie z.B. Bor (linker Nachbar im PSE)

kein freies Elektronenpaar (z.B. wie rechter Nachbar im PSE: Stickstoff)

Bindungen sehr stabil, allgemein wenig reaktionsfreudig

Bindung mit anderen Atomen und zu sich selbst im Bereich von 200 – 400 kJ/mol

ausgeprägte Bindungsfähigkeit zu sich selbst (also C-C-Bindungen, auch aus dem Elementbereich

heraus), in verschiedenen Varianten Einfachbindungen (C-C), Doppelbindungen

(C=C) und Dreifachbindungen (CC).

Gute Bindungsmöglichkeiten zu anderen Atomen: H, O, S, N, P, Cl, Br, I, F, …

irdische Bedingungen – sehr gute Bedingungen für C-Chemie

natürliche Modifikationen

Graphit

Ruß entsteht normalerweise bei Verbrennung von organischen Verbindungen unter Sauerstoff-Mangel,

sonst vorrangig Cohlendioxid und bei einsetzendem Sauerstoff-Mangel auch

Cohlenmonoxid)

Schmelzpunkt 3800 °C

Siedepunkt 4200 °C

Q: www.3dchem.com

Diamant

natürlich nur unter extrem hohem Druck und Temperaturen (in Gesteinen), sehr hart, farblos,

brennbar!, in Biologie und Ernährungslehre aber ohne Bedeutung

größte Härte Härtestufe 10 nach MOHS

Handelsmaß ist Karat ( = 1/5 g)

nur 5 % der Weltproduktion wird in der

Schmuckindustrie umgesetzt

Hauptnutzung in der Schleif- und Bohr-

Industrie

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 56 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Q: www.3dchem.com

Fullerene

auch im Ruß enthalten, sehr stabil, brennbar, verhält sich chemisch wie Graphit, deshalb

keine besondere Bedeutung für Biologie und Ernährungslehre

Q: www.3dchem.com

künstliche Modifikationen (Cohle-Fasern, …) keine Bedeutung in der Biologie, in der Ernährungslehre

nur sehr geringe Anknüpfungspunkte z.B. Kochgeschirr

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 57 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1.2. anorganische Verbindungen des Cohlenstoffs

Zu den anorganischen Verbindungen des Cohlenstoff zählen seine Oxide, die Kohlensäure

und deren Salze sowie die Carbide.

1.2.1. Cohlenmonoxid

Dieses Oxid des Cohlenstoffs hat eher eine untergeordnete

Bedeutung in Biologie und Ernährungslehre. Cohlenmonoxid

(CO) entsteht bei der unvollständigen Verbrennung (unter Sauerstoff-Mangel)

von elementaren Cohlenstoff.

2 C + O2 2 CO ; RH = - 172 kJ / mol

In der Industrie benutzt man auch die Redoxreaktion:

bearb. drews;

Orig. "CO2": Q: www.3dchem.com

C + CO2 2 CO ; RH = + 173 kJ / mol Symproportionierung

zur Herstellung von Cohlenmonoxid (bei der Eisen-Herstellung im Hochofen-Prozeß). Außer als Synthese-Gas

wird es besonders als Brenn-Gas (Stadtgas; im Hochofenprozeß) verwendet. Die

Verbrennung liefert sehr viel Energie:

2 CO + O2 2 CO2 ; RH = -566 kJ / mol

Es ist ein farbloses, geschmackloses, geruchloses, wasserunlösliches und giftiges Gas. Seine

besondere Giftigkeit basiert auf seiner erhöhten Affinität zum Sauerstoff-Transporteur

Hämoglobin in unserem Blut. Diese ist ungefähr 300x größer als die von Sauerstoff zu Hämoglobin.

Außerdem ist die Bindung von Cohlenmonoxid irreversibel, d.h. sie bricht nicht

wieder auf. Bei Sauerstoff passiert dies in Abhängigkeit vom Partialdruck (anderes Maß für

die Sauerstoff-Konzentration) in den Sauerstoff-bedürftigen Organen. Schon 0,2 % CO in

der Umgebungsluft bewirken über einen längeren Zeitraum eine Vergiftung. Deshalb ist die

regelmäßige Kontrolle von Öfen oder offenen Feuern (Kaminen) während der Benutzung

und auch durch den Schornsteinfeger sehr wichtig und u.U. lebensrettend. Wenn Cohlenmonoxid

als Stadtgas verwendet wird, dann werden Geruchsstoffe beigemischt, um eine

versehentliche Vergiftung zu verhindern.

CO hat ein Litergewicht von 1,25g. Damit ist es leichter als Luft. Die Bindung

im CO-Molekül ist für Cohlenstoff recht ungewöhnlich. Sie ist nur dreibindig.

Üblich sind sonst vier Bindungen. Desweiteren handelt es sich beim CO- |C ≡ O|

Molekül um einen Dipol. Das Molekül besitzt zwei entgegengesetzte Ladungen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 58 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1.2.2. Cohlendioxid

Wird Cohlenstoff vollständig oxidiert, dann entsteht Cohlendioxid

(CO2):

C + O2 CO2 ; RH = -394 kJ / mol

Q: www.3dchem.com

Weiterhin eignet sich Cohlenmonoxid als Ausgangsstoff für die Herstellung von Cohlendioxid.

Da Cohlenmonoxid noch nicht vollständig oxidiert ist, läßt es sich verbrennen:

2 CO + O2 2 CO2 ; RH = -566 kJ / mol

Das farblose Gas Cohlendioxid ist wasserlöslich. Der größte Anteil an der Löslichkeit beruht

dabei auf die physikalische Gas-Lösung im Wasser. Weiterhin bildet sich dabei die sehr instabile

Cohlensäure (Kohlensäure, H2CO3; 1.2.3. Cohlensäure / Carbonat).

Das Molekül des Cohlendioxids ist linear gebaut. Im Zentrum

liegt das C-Atom. Die beiden Sauerstoff-Atome besitzen eine

partielle negative Ladung, da sie durch ihre relativ hohe Elektronegativität

(3,5 im Vergleich zu 2,5 bei C) die Elektronen recht

stark zu sich ziehen.

_- + -_

O = C = O

¯ ¯

Cohlendioxid ist die Cohlenstoff-Quelle der Pflanzen. Als Endprodukt der Zellatmung wird es

beim Menschen hauptsächlich mit der Ausatemluft ausgeschieden. Hier beträgt die Konzetration

den 140-fachen Wert des normalen Wertes in der Erdatmosphäre (rund 0,04%).

Cohlendioxid ist nicht giftig – wirkt aber erstickend. Da es schwerer als Luft ist, ist besonders

bei geschlossenen Räumen und Senken (kleine Täler, Kuhlen, …) mit einem geringen Luftaustausch

erhöhte Vorsicht angebracht.

Die normale Ausatemluft von Tieren und auch die des Menschen enthält 4 bis 5 % CO2. Mehrfaches Ein- und

Ausatmen der gleichen Luft wirkt also auch erstickend. Deshalb dürfen z.B. Schnorchel eine bestimmte Länge

(Innenvolumen) nicht überschreiten, da sonst die Menge der erneuerten Luft zu gering wird. Als "Erste Hilfe"-

Maßnahme bei einer unwillkürlichen Hyperventilation (Hechelatmung) wird deshalb das Überstreifen einer Plastiktüte

genutzt. Durch mehrfaches Ein- und Ausatmen der gleichen Luft steigt der CO2-Gehalt und die natürliche

Atemregulation kann wieder einsetzen.

Bei – 78 °C (und erhöhtem Druck) wird Cohlendioxid fest. Dabei wird nicht erst der flüssige Aggretgatzustand

eingenommen, sondern sofort der feste. Bei steigenden Temperaturen sublimiert

festes Cohlendioxid wieder sofort in die Gas-Form. Festes Cohlendioxid wird wegen

seines besonderen Feststoff-Gas-Übergangs als Trockeneis bezeichnet. Früher verwendete

man es häufig als Kühlmittel.

Für die Nutzung in der Schweißtechnik (Schutzgas) oder in der Getränke-Industrie (sogenannte

Kohlensäure) wird cohlendioxid unter erhöhtem Druck verflüssigt. Heute findet man es u.a.

auch in speziellen Feuerlöschern. Bei deren Benutzung ist unbedingt darauf zu achten, dass

durch die schlagartige Entspannung des komprimierten Cohlendioxids ein stark kühlender

Schnee entsteht. Dieser hat eine Temperatur um die -70 °C und kann extreme Erfrierungen

verursachen! Bei der Nutzung als Feuerlöschmittel nutzt man natürlich genau diese extreme

Herunterkühlung des brennenden Objektes (unter den Flammpunkt) und die erstickende

Wirkung des Gases.

Aufgaben:

1. Erklären Sie die besondere Eignung von Cohlendioxid für die Verwendung

in Feuerlöschern! (Beim Öffnen der unter Druck stehenden Stahl-Flasche

bildet sich fester CO 2-Schnee. Warum eigentlich?)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 59 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1.2.3. Cohlensäure / Carbonat

Cohlensäure entsteht bei der Lösung von Cohlendioxid in

Wasser:

CO2 + H2O H2CO3

Sie ist eine sehr instabile Substanz und ist nur unter Druck

längere Zeit in Wasser haltbar. Bei normalem Druck (1 atm =

1013,25 hPa) zerfällt Cohlensäure wieder in Wasser und

Cohlendioxid:

H2CO3 H2O + CO2

Q: www.3dchem.com

In Lösung dissoziiert die Cohlensäure schrittweise in zwei Hydronium-Ionen und das Carbonat-Ion.

Als Zwischenprodukt bildet sich das Hydrogencarbonat-Ion.

H2CO3 + H2O H3O + -

+ HCO3

-

HCO3 + H2O H3O + 2-

+ CO3

______________________________________

H2CO3 + 2 H2O 2 H3O + 2-

+ CO3

Wir sprechen bei der Cohlensäure von einer zweiwertigen (zweibasigen) Säure.

Von einer gewissen biologischen und trophologischen Bedeutung sind die schwerlöslichen

Carbonate, wie z.B. Calcium- und Magnesiumcarbonat. Gerade das Calciumcarbonat macht

uns als Wasserhärte und Kesselstein zu schaffen. In vielen biologischen Systemen ist es

Schutz- und Verstärkungsmittel aber nicht wegzudenken. Z.B. bestehen Schalen von Muscheln

und Schnecken zu einem Großteil aus diesem Material. Aber auch in Knochen oder

in den Chitin-Panzern von Insekten trägt es zur Verfestigung der Strukturen bei.

Die Bildung von Carbonaten erfolgt über die üblichen Salzbildungsreaktionen. Eine Möglichkeit

ist die Reaktion von Calcium-Ionen (z.B. aus der Base) mit gelöstem Cohlendioxid (Carbonat-Ion):

Ca 2+ + 2 OH - + 2 H3O + 2-

+ CO3

CaCO3 + H2O Neutralisation

Interessant ist, dass bei weiterer Zuführung von Cohlendioxid die Bildung von Hydrogencarbonat-Ionen

aus den Carbonat-Ionen gefördert wird. Die Hydrogencarbonate sind Salze, die

eine wesentlich bessere Löslichkeit in Wasser zeigen, als Carbonate.

CaCO3 + H2O + CO2 Ca 2+ -

+ 2 HCO3

So können Carbonate auch wieder aufgelöst werden. Zu beachten ist dabei aber, dass es

sich um ein empfindliches Gleichgewicht handelt. Schon eine Temperatur-Erhöhung treibt

das Cohlendioxid aus dem Gemisch. Es bildet sich sofort wieder schwerlösliches Carbonat.

Noch besser geht das Auflösen von Carbonaten mit starken Säuren. Diese verdrängen die

schwache Kohlensäure aus ihren Salzen. Das Auflösen von Kesselstein mit Essigsäure

(od.ä.) ist nichts anderes.

CaCO3 + 2 CH3 – COOH 2 CH3 – COOCa + H2O + CO2

Calciumcarbonat Essigsäure Calciumacetat

(Kesselstein) (z.B.: Kaffeemaschinen-

reiniger od. pur (Essig))

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 60 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Aufgaben:

1. Vergleichen Sie die Oxide des Cohlenstoff in einer Tabelle!

2. Stellen Sie Gleichungen zur Bildung von Magnesiumcarbonat und der Auflösung

des Salzes mit Cohlendioxid (Cohlensäure) auf!

für das gehobene Anspruchsniveau:

3. Wieso kann es zur Bildung von Hydrogencarbonat-Ionen kommen, wenn

man Cohlendioxid in ein Carbonat-Wasser-System einbläst? Stellen Sie passende

chemische Gleichungen auf!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 61 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1.3. organische Verbindungen des Cohlenstoffs

Bis in Allchimisten-Zeiten wurden die organischen Stoffe den Lebewesen zugeschrieben.

Nur sie wären in der Lage diese zu produzieren. Eine Herstellung aus einfachen, anorganischen

Reagenzien sollte nicht möglich sein.

Die Isolierung vieler – häufig in Lebewesen und ihrer Produkten – vorkommender Substanzen

gelang schon recht früh (z.B. 1769; SCHEELE; Weinsäure; usw. usf.). Als Bauelemente

konnte man schon die Elemente Cohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel,

verschiedene Halogene und Phosphor identifizieren. Die Stoffe aus den Lebewesen schienen

mit einer gewissen Lebenskraft ("vis vitalis") versehen zu sein.

Der Begriff organische Stoffe wurde 1807 von schwedischen Forscher Jöns Jakob BER-

ZELIUS (1779 – 1848) für solche Substanzen vorgeschlagen, die aus der belebten Natur

stammten (und den aus der unbelebten - anorganischen – entgegenstanden).

1828 belehrte der deutsche Chemiker Friedrich WÖHLER die Naturwissenschaftler – und

vor allem die Vitalisten – eines Besseren. Er stellte aus einer als anorganisch geltenden

Substanz den "organischen" Harnstoff her.

trocknes Erhitzen

NH4OCN CO(NH2)2

Ammoniumcyanat Harnstoff

Dem Ammoniumcyanat haftete aber noch so ein gewisser organischer Hauch an.

H. KOLBE gelang dann die Synthese von Essigsäure aus eindeutig mineralischen (anorganischen)

Stoffen (Cohlenstoff, Schwefel, Chlor und Wasser).

Nach kurzer wissenschaftlicher Diskussion war der Damm gebrochen und der Vielzahl organischer

Synthesen war keine Grenze mehr zu setzen. Die Zahl der organischen Substanzen

– und zwischen natürlicher und künstlicher Herkunft – wird nur noch selten unterschieden –

ist auf mehrere Millionen gestiegen. Im Vergleich dazu liegt die Zahl der anorganischen Stoffe

bei nur wenigen Hunderttausenden.

Organische Stoffe werden heute deshalb als die Verbindungen des Cohlenstoffs definiert

(bei Ausschluß der Oxide, Mineralsäuren und ihrer Salze und einige wenige spezielle Verbindungen

mineralischen Ursprungs). Die Definition als Chemie der Kohlenwasserstoffe und

ihrer Derivate (Abkömmlinge) ist ebenfalls weit verbreitet.

Eine Trennung in anorganische und organische Chemie ist im Wesentlichen historisch bedingt.

Die Sonderstellung der (organischen) Cohlenstoff-Chemie läßt sich aber durch die

Vielzahl von Verbindungen (2008: über 29.000.000) gegenüber den gerade mal 800.000

restlichen (anorganischen) Stoffen aufrechterhalten.

Wichtige Teilbereiche der organischen Chemie sind u.a.:

Petrolchemie

Kunststoffchemie

Gartenbau-, Landwirtschafts- und Forstchemie

Farbstoffchemie

Arneimittelchemie

Waschmittelchemie

Biochemie

Lebensmittelchemie

Allgemein kann sagen, dass organische Stoffe beim Erhitzen weit eher sieden, schmelzen

oder sich zersetzten, als anorganische Verbindungen. Typisch ist auch ihre Brennbarkeit

(wesentlich seltener bei anorganischen Stoffen).

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 62 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2. Kohlenwasserstoffe

nur aus C und H zusammengesetzt (KWS)

werden (oft) als Stammverbindungen angesehen, abgewandelte Stoffe mit anderen Atomen

sind dann Derivate (Abkömmlinge)

Unterscheidung nach Bau:

Endform des Moleküls (I)

o unverzweigt

o verzweigt

Endform des Moleküls (II)

o kettenförmig (aliphatisch)

o ringförmig (cyclisch)

Art der enthaltenden Bindungen (zwischen den C-Atomen)

o nur Einfachbindungen (gesättigt)

o eine oder mehrere Mehrfachbindungen (ungesättigt)

Sonderform: aromatisch (cyclisch mit Mehrfachbindungen)

Unterscheidung nach Eigenschaften


Farbstoffe

Tenside


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 63 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.1. gesättigte Kohlenwasserstoffe

2.1.1. Alkane

Alkane sind Kohlenwasserstoffe mit ausschließlich Einfachbindungen im Cohlenstoff-Gerüst.

Alle weiteren Bindungen sind mit Wasserstoff belegt. Alkane wurden früher als Paraffine (parum

affinis = lat. wenig verwandt) bezeichnet. Heute benutzt man den Begriff Paraffin meist eher

für längerkettige Alkane.

2.1.1.1. Bau der Alkane

Name der Verbindung setzt sich aus dem Stamm und einem Suffix (Endung) zusammen.

Der Stamm beschreibt die Anzahl der enthaltenen Cohlenstoff-Atome in einem Molekül. Dazu

werden folgende Stämme benutzt:

Anzahl

C-

Atome

Namensstamm

Anzahl

C-

Atome

Namensstamm

Anzahl

C-

Atome

Namensstamm

1 Meth- 11 Undec- 30 Triacont-

2 Eth- 12 Dodec- 40 Tetracont-

3 Prop- 13 Tridec- 50 Pentacont-

4 But- 14 Tetradec- 60 Hexacont-

5 Pent- 15 Pentadec- 70 Heptacont

6 Hex- 16 Hexadec- 80 Octacont-

7 Hept- 17 Heptadec- 90 Nonacont-

8 Oct- 18 Octadec- 100

9 Non- 19 nonadec-

10 Dec- 20 Eicos-

Als Endung wird –an verwendet. Diese steht für gesättigte Kohlenwasserstoffe. Auch im

Stoffgruppennamen Alkane kennzeichnet es den gesättigten Zustand aller Bindungen des

Cohlenstoffs untereinander.

Die Namensstämme für die Cohlenstoff-Atom-Anzahl und die Endungen für die

Stoffgruppen sind notwendig für das Verständnis vieler Begriffe und den Charakter

vieler organischer Stoffe. Ihre Beherrschung (1-10 bzw. fett gedruckte)

ist deshalb als obligatorisch anzusehen!!!

Einfache lineare Alkane haben die allgemeine Formel CnH2n+2 , wobei n die natürlichen

Zahlen (1, 2, 3, …) vertritt.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 64 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die organische Chemie kennt folgende wichtige (lineare) Alkane:

Anzahl Name Summen- Verwendung

C-Atome

formel

1 Methan CH4 Stadtgas (Erdgas)

2 Ethan C2H6

3 Propan C3H8 Flaschen- / Camping-Gas

4 Butan C4H10 Feuerzeug-Gas, Flaschen- / Camping-Gas

5 Pentan C5H12 Feuerzeug-Benzin

6 Hexan C6H14 Leichtbenzin (Kerosin)

7 Heptan C7H16 Leichtbenzin

8 Octan C8H18 Benzin

9 Nonan C9H20 Benzin

10 Decan C10H22

11 Undecan C11H24

12 Dodecan C12H26 Diesel

13 Tridecan C13H28 Diesel

14 Tetradecan C14H30 Diesel

15 Pentadecan C15H32 Schweröl, Heizöl

16 Hexadecan C16H34 Schweröl, Heizöl

17 Heptadecan C17H36

18 Octadecan C18H38 Stearin, Kerzenwachs, Hartparaffin

19 Nonadecan C19H40 Hartparaffin

20


Eicosan C20H42 Hartparaffin

Neben den offiziellen Namen, die nach den Vorschriften der IUPAC (International Union of

Pure and Applied Chemistry) gebildet werden, gibt es oft auch ältere, umgangssprachliche

oder populäre Namen. Diese werden Trivialnamen genannt. Die meisten sind neben den offiziellen

Namen zugelassen. Viele Chemiker – aber auch Techniker usw. – verwenden oft

lieber die Trivialnamen. Sie sind kürzer, oft eingängiger und eindeutiger (in der Aussprache).

Die Nomenklaturvorschriften der IUPAC wurden 1980 weitgehend geregelt und sollten in der

reinen Chemie vorrangig benutzt werden.

Die Summenformeln sind bei der Vielzahl organischer Verbindungen wenig informativ. Wie

wir später sehen werden, gibt es sehr viele Summenformeln, die zu mehreren Stoffen passen.

Zum genauen Aufzeigen der molekularen Struktur haben sich mehrere Darstellungs-

Modelle (Formeln) herauskristallisiert.

Die meist am übersichtlichste Variante ist die vollständigen Strukturformeln:

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 65 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Anzahl

C-Atome

Name vollständige Strukturformel

1 Methan H

|

H – C - H

|

H

2 Ethan H H

| |

H – C – C - H

| |

H H

3 Propan H H H

| | |

H – C – C – C - H

| | |

H H H

4 Butan H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - H

| | | |

H H H H

5 Pentan H H H H H

| | | | |

H – C – C – C – C – C - H

| | | | |

H H H H H

6 Hexan H H H H H H

| | | | | |

H – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | |

H H H H H H

7 Heptan H H H H H H H

| | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | |

H H H H H H H

8 Octan H H H H H H H H

| | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | | |

H H H H H H H H

9 Nonan H H H H H H H H H

| | | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | | | |

H H H H H H H H H

10 Decan H H H H H H H H H H

| | | | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | | | | |

H H H H H H H H H H

Man sieht schnell ein, dass solche Formeln für den täglichen Gebrauch etwas unpraktisch

sind. Deshalb haben sich Vereinfachungen durchgesetzt. In den verkürzten Strukturformeln

werden alle Anhänge an einem C-Atom – außer benachbarte C-Atome – zusammengefasst.

Treten Wiederholungen von Zusammenfassungen auf, dann dürfen auch diese

wieder zusammengefast werden.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 66 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Anzahl

C-Atome

Name verkürzte Strukturformel

1 Methan CH4

2 Ethan CH3 – CH3

3 Propan CH3 – CH2 – CH3

4 Butan CH3 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]2 – CH3

5 Pentan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]3 – CH3

6 Hexan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]4 – CH3

7 Heptan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]5 – CH3

8 Octan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]6 – CH3

9 Nonan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]7 – CH3

10 Decan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]8 – CH3

Wie man gut erkennen kann, unterscheiden sich zwei aufeinanderfolgende Alkane immer

durch die Baugruppe – CH2– . Solche Stoffe bilden dann eine homologe Reihe (homo = lat.

gleich, logos = lat. Sinn, Lehre).

Weitere Begriffs-bestimmende Merkmale für eine homologe Reihe sind eine charakteristische allgemeine Formel,

gleiche chemische Eigenschaften (z.B. 2.1.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkane),

deren jeweilige Reaktionsfreudigkeit i.A. in der Reihe abnimmt sowie physikalische Eigenschaften (z.B.

2.1.1.2.1. physikalische Eigenschaften der Alkane), die sich kontinuierlich in der Reihe ändern oder auch bleiben.

Aber auch die verkürzten Strukturformeln sind mit einem erheblichen Schreibaufwand verbunden.

Und Chemiker sind insgeheim ein "faules" Völkchen. Also haben sie sich auf eine

noch einfachere und z.T. klarere Schreibung geeinigt, die zudem Sparsamkeit und Übersichtlichkeit

in sich vereint. In Gitterstrukturformeln schreibt man nur noch das C-Atom-

Gerüst auf. Selbst die C-Atome werden weggelassen. An jedem C-Stoff-Atom wird ein Knick

in der Linie gemacht. Somit entspricht immer eine Ecke bzw, ein Knick einem C-Atom. Alle

Wasserstoff-Atome, die direkt an ein C-Atom gebunden sind werden ebenfalls einfach weggelassen.

Jeder Chemiker weiss um die Vierbindigkeit des Cohlenstoffs und ersetzt die

freien Bindungen dann einfach im Geist mit H-Atomen.

Anzahl

C-Atome

Name Gitter-Strukturformel

1 Methan wird aber nicht genutzt, da eine Verwechslung mit einem

freien Elektron denkbar wäre

2 Ethan – wird aber selten genutzt, da z.B. eine Verwechslung

mit einem freien Elektronpaar denkbar wäre

3 Propan

/\

4 Butan

/\/

5 Pentan

/\/\

6 Hexan

/\/\/

7 Heptan

/\/\/\

8 Octan

/\/\/\/

9 Nonan

/\/\/\/\

10 Decan

/\/\/\/\/

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 67 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Zur Darstellung der dreidimensionalen Molekülstruktur mittels Gitter-Strukturen kommen

noch einige Darstellungsvereinbarungen dazu. Die beschreiben wir dann später, wenn sie

wirklich gebraucht werden.

Trotzdem ist die räumliche Anordnung für Chemiker sehr interessant, da erfahrungsgemäß

die äußeren Strukturen besonders gut reagieren können.

Die wichtigsten räumlichen Modelle sollen hier kurz vorgestellt werden:

Kugel-Modell

Kalotten-Modell

Kugel-Stab-Modell

elektrostatische Molekül-Oberfläche

wasserundurchdringliche Moleküloberfläche - Gitternetz

sigma Elektronenbereich – elektrostatisch

Q: commons.wikimedia.org

(Algarech); bearb.: drews

Q: lpmfs.lpm.uni-sb.de

Q: lpmfs.lpm.uni-sb.de

Q: lpmfs.lpm.uni-sb.de

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 68 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die räumlichen Modelle holen uns schnell aus der abstrakten zweidiemensionellen Papier-

Ebene in die Realität zurück. Da sieht ein komplexeres Molekül schnell mal anders aus, als

man es vielleicht vermuten würde. Deshalb werden wir ab und zu auch mal ein räumliches

Molekül-Modell mit einstreuen.

Bei den veschiedenen Darstellungen fällt auf, dass die

Cohlenstoff-Atome nicht einfach eine Kette bilden, sondern

eher eine Zick-Zack-Linie.

Schauen wir uns dazu zuerst einmal das Methan-Molekül in

einer anderen Darstellung an. Die Bindungen – es handelt

sich ja um negativ geladene Elektronen-Paare – stoßen

sich maximal voneinander ab. Im Raum entsteht ein Tetrader,

in dessen Zentrum der Cohlenstoff-Atomkern steckt.

Die Spitzen zeigen die Bindungs-Richtungen an. Hier sitzen

die Wasserstoff-Atome. Auch deren positiv geladenen Kerne

(nur ein Proton) nehmen zueinander einen möglichst

großen Abstand ein.

Die kugelförmigen s-Orbitale des Wasserstoff-Atoms (grünlich)

verschmelzen mit den hantel- bzw. keulenförmigen

sp 3 -Hybrid-Orbitalen (ocker-gelblich) zu Bindungen (gemeinsam

genutzte Elektronen-Paare).

Modellhaft kann man sich die maximale Abstoßung der

Bindungen an vier prallen Luftballons ( vier Bindungen)

vorstellen, die alle mit ihren Öffnungen zusammengebunden

( Atomkern) sind. Sie ordnen sich so an, dass jeder

Ballon den gleichen Raum ( geringste Energie) einnehmen

kann.

Bei längeren Molekülen ordnen sich auch die Wasserstoff-

Atome der Nachbar-Atome immer so an, dass sie sich maximal

voneinader abstoßen.

Dies gilt auch für die Nachbar-Atome bzw. deren Anhänge.

Die Bindung

zwischen den C-

Atomen ist praktisch

drehbar.

Eine Drehung

bedeutet aber

erhöhte Abstoßung

bei den H-

Atomen. Dazu

wäre zusätzliche

Energie notwendig.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 69 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Q: www.3dchem.com

stabile und instabile Anordnung

von zwei CH3-Gruppen zueinander

Moleküle nehmen

– wie Atomen

usw. – immer

die Konstellation

ein, die

mit einer möglichst

geringen

Energie verbunden

ist. So liegen

praktisch

immer – mehr

oder weniger -

langgestreckte

Moleküle vor.

Die Wasserstoff-Atome bzw. andere angelagerte Atome sind immer leicht versetzt (gestaffelt)

angeordnet. Bei äußeren Einwirkungen (z.B. durch Erwärmung, Kontakt mit anderen

Teilchen), kann es auch zur Verdrehung an der C-C-Achse kommen. Liegen die Wasserstoff-Atome

in Linie hintereinander (ekliptisch), dann liegt eine energetisch sehr ungünstige

Konformation vor. Die Wasserstoff-Atome stoßen sich ab und nehmen wieder die normale

gestaffelte Stellung ein.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 70 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Zur Darstellung der Verdrehungsstrukturen

nutzt man in der organischen Chemie gern

die Sägebock- oder NEWMAN-Projektion.

Bei dieser stellen Auge und die betrachtete

C-C-Bindung eine gedacht Linie dar. Das

Molekül wird nun so auf dem Blatt Papier

positioniert, dass die Linie sektrecht auf der

Projektionsebene (Blatt) steht. Das sichtbare

C-Atom wird als Kreis angedeutet und die

Substituenten außerhalb des Kreises angeordnet.

Die Bindungen werden als Strahlen

vom Kreismittelpunkt nach außen gezeichnet.

Für das unsichtbare, hintere C-Atom

werden nur die noch sichtbaren Bindungsstrahlenenden

mit den Substituenten dargestellt.

Verdeckte Bindungen werden leicht verdreht aufgezeichnet.

Für Butan in verschiedenen Konformationen

sähe die NEWMAN-Projektion etwa so aus,

wobei die gestaffelte Form energetisch

stabiler ist.

2.1.1.1.1. Molekül-Rümpfe – die Alkyle

Für unsere nachfolgenden Betrachtungen brauchen wir Molekül-Teile der Alkane. Besonders

bei Reaktionen, aber auch bei Benennungs-Fragen spielen diese eine große Rolle in der organischen

Chemie. Bei der fast nur theoretischen Stoffgruppe der Alkyle geht man davon

aus, dass den Alkanen ein H-Atom fehlt. Meist ist dies ein endständiges. Das ist aber keine

Bedingung. Statt der Endung –an erhalten Alkyle die Endung –yl. Der aufmerksame Leser wird es

schon abgeleitet haben.

Die ersten Alkyle sind also:

Anzahl

C-Atome

Name verschiedene (Struktur-)Formel

1 Methyl H

|

H – C

|

H

2 Ethyl H H

| |

H – C – C

| |

H H

3 Propyl

/\.

4 Butyl CH3 – CH2 – CH2 – CH2

5 Pentyl

/\/\.

6 Hexyl CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2

7 Heptyl CH3 [– CH2 ]5 – CH2

8 Octyl CH3 [– CH2 ]6 – CH2

9 Nonyl CH3 [– CH2 ]7 – CH2

10 Decyl CH3 [– CH2 ]8 – CH2


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 71 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.1.1.1.2. verzweigte Alkane

Bei unseren bisherigen Betrachtungen sind wir davon ausgegangen, dass die C-Atome immer

schön hintereinander aufgereiht sind. Solche unverzweigten Alkane sind nur ein Teil der

Realität. Daneben gibt es verzweigte Alkane, bei denen ein C-Atom auch mal mit bis zu vier

anderen C-Atomen verbunden ist. In der Zusammenfassung ändert sich zwar die Summenformel

nicht, aber Namen und Eigenschaften sind jeweils neu und oft deutlich anders.

Ab vier C-Atomen im Molekül tritt das Phänomen der Isomerie (Struktur-Isomerie) auf. Die

Substanzen haben die gleiche Summenformel, aber andere Namen, Eigenschaften usw. usf.

Namen

Summenformel

Strukturformeln

n-Butan C4H10 H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - H

| | | |

H H H H

iso-Butan, 2-Methyl-Propan C4H10 H H H

\ | /

H – C – C – C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

Rein lineare Moleküle oder Molekül-Teile bekommen den Vorsatz n- (von: neo; steht für normal)

vor dem Namen. Der Vorsatz iso- deutet auf eine symetrische Verzweigung des Moleküls

hin.

Komplizierter sind die IUPAC-Namen. Dafür kann man aber aus den Namen später die

Struktur ohne große Verränkungen erstellen.

Die Namengebung folgt dabei den folgenden Regeln, die auch in dieser Reihenfolge verwendet

werden müssen:

Regel Darstellung für das

Beispiel

1. Der Namenstamm ergibt sich aus der

längsten möglichen C-Kette

H H H

\ | /

H – C – C – C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

2. Bennung der alkylischen Anhänge H H H

\ | /

H – C – C – C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

3. Zusammenfassung gleicher Anhänge

und Angabe eines Zahlensuffix

(z.B.: 2 .. di; 3 .. tri; …)

4. Sortierung der Anhänge nach dem Alphabet

5. Angabe der Positionen für die Anhänge

(Hier gilt die Regel zur Verwendung der kleinsten

Zahlen! Besonders für die quartiären und tertiären

C-Atome sollte dies so sein!)

entfällt hier

entfällt hier

H H H

\ | /

H – 1C –2C – 3C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

Namensbildung

Propan

Methyl-Propan

2-Methyl-Propan

fertiger Name 2-Methyl-Propan

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 72 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Ähnlich lassen sich die Namen in Strukturformeln umsetzen. Schauen wir uns das bei einem

etwas komplizierteren Beispiel an: 3,5-Diethyl-5-propyloctan

Regel Namensteil Formel

1. Der Namenstamm ergibt

die längsten mögliche C-

Kette

2. Nummerierung der Kette

3. (schrittweise) Bildung und

Positionierung der Anhänge

4. Auffüllen der restlichen

Bindungen mit H ( Vierbindigkeit

des Cohlenstoffs)

3,5-Diethyl-5propyloctan

3,5-Diethyl-5propyloctan

2x Ethyl an

die Positionen

2 und 4

3,5-Diethyl-5propyloctan

fertige Formel

Summenformel C15H32

- C – C – C – C – C – C – C – C -

- 1C – 2C – 3C – 4C – 5C – 6C – 7C – 8C –

H H

| |

H– C-H H-C-H

| |

H– C-H H-C-H

| |

- 1C – 2C – 3C – 4C –5C – 6C – 7C – 8C –

H H

| |

H–C-H H-C-H

| |

H–C-H H-C-H

| |

- 1C – 2C – 3C – 4C –5C – 6C – 7C – 8C –

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H

H H

| |

H–C-H H-C-H

| |

H H H–C-H H H-C-H H H H

| | | | | | | |

H - C – C – C – C - C – C – C – C – H

| | | | | | | |

H H H H H-C-H H H H

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H

H H

| |

H–C-H H-C-H

| |

H H H–C-H H H-C-H H H H

| | | | | | | |

H - C – C – C – C - C – C – C – C – H

| | | | | | | |

H H H H H-C-H H H H

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 73 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Kommen wir aber auf die Isomerie zurück. Die Eigenschaften der Isomere unterscheiden

sich voneinander.

Namen

Summenformel

Eigenschaften

n-Butan C4H10 Kp = –1°C

iso-Butan, 2-Methyl-Propan

i-Butan

C4H10 Kp = –12°C

Mit steigender Kettenlänge wächst auch die Zahl der (Struktur-)Isomere.

C-Atome Isomere C-Atome Isomere C-Atome Isomere

4 2 10 75 20 366.319

5 3 11 159

6 5 12 355 25 36.797.585

7 9 13 802

8 18 30 4111846763

9 35 15 4.347

2.1.1.1.3. ringförmige Alkane – Cycloalkane

Neben den Verzweigungen ist auch denkbar, dass sich ringförmige Strukturen bilden. Tatsächlich

gibt es auch solche Alkane, die als Cycloalkane (cyclus = lat.: Kreis) geführt werden.

In der organischen Chemie gibt es auch den Namen Naphthene für gesättigte, cyclische

Kohlenwasserstoffe. Die allgemeine Formel lautet CnH2n. In den Namen wird das cyclo-

vor den Stammnamen (normales Alkan, lt. Anzahl der C-Atome) gesetzt. Dabei sind erst ab drei C-

Atomen cyclische Strukturen denkbar.

Q: www.cem.msu.edu

Die die Bindungswinkel in den C-Ringen unter dem normalen Tetraeder-Winkel liegen sind

die Bindungen gespannt, was sich in einer erhöhten Reaktivität zeigt.

Erst ab sechs C-Atomen im Ring entstehen stabile Strukturen. Auch die Cycloalkane mit fünf

bzw. sieben Cohlenstoff-Atomen weisen noch gewisse Ringspannungen auf, diese können

aber schon vernachlässigt werden.

Für das Cyclohexan C6H12 werden zwei verschiedene (stabile) Raumstrukturen beschrieben.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 74 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Wannenform, Bootform Sesselform

Q: www.3dchem.com

Die jeweils unteren Abbildungen zeigen die Gitterstruktur-Formeln mit 3D-Informationen. Dicke

Linien kennzeichnen die vorne liegenden Bindungen. Bindungen, die aus der Ebene

herauslaufen würden, sind durch dünner bzw. dicker werdende Linien angedeutet. Manchmal

werden nach hinten laufende – oder hinten liegende – Bindungen noch zusetzlich durch

gestrichelte Linien dargestellt.

Die Sesselform ist energetisch günstiger und somit häufiger anzutreffen. Treten bei einem

Stoff verschiedene Raumstrukturen auf, dann nennen wir dies Konformationen. Je größer

Moleküle werden, umso bedeutsamer wird die Konformation-Isomerie. In der Biologie spielen

Konformationsunterschiede eine sehr große Rolle.

Durch die Wärmebewegung der Teilchen kommt es bei entsprechender Anregung zu Umwandlungen der Raum-

Strukturen ineinander:

Aufgaben:

1. Bilden Sie die Namen für folgende Alkane!

2. Stellen zu folgenden Namen die Formeln auf!

3. Skizzieren Sie die Isomere des Hexans in verkürzten oder Gitter-

Strukturformeln!

für das gehobene Anspruchsniveau:

4. Geben Sie zu folgenden Gitterstrukturformeln die IUPAC-Namen an!

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 75 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.1.1.2. Eigenschaften der Alkane

In den folgenden Abschnitten gehen wir vornehmlich von einfachen kettenförmigen Alkanen

aus. Wo andere Strkturformen eine Rolle spielen, wiesen wirdarauf explizit hin. Im Prinzip

gelten die Aussagen zu den kettenförmigen auch für die verzweigten und ringförmigen Alkane.

Meist ändern sich die Zahlenwerte. Die allgemeinen Regeln und Gesetzmäßigkeiten kelten

für alle Formen.

2.1.1.2.1. physikalische Eigenschaften

Betrachten wir zuerst einmal die Aggregatzustände der Alkane. Ableiten kann man diese

aus den Schmelzpunkten (Gefrierpunkt, Flusspunkt, Fp) und den Siedepunkten (Kochpunkt,

Kondenspunkt, Kp). Für den Aggregatzustan wird standardmäßig der Zustand angegeben,

in dem sich der Stoff bei 20 °C (293 K) (selten 25 °C (298 K)) befindet.

Anzahl Name Summen- Fp [°C] Kp [°C] Aggregat- Geruch

C-Atome

formelzustand

1 Methan CH4 -183 -162 gasförmig geruchlos

2 Ethan C2H6 -172 -89 gasförmig geruchlos

3 Propan C3H8 -187 -43 gasförmig geruchlos

4 Butan C4H10 -135 +1 gasförmig geruchlos

5 Pentan C5H12 -130 +36 flüssig Benzin-artig

6 Hexan C6H14 -94 +69 flüssig Benzin-artig

7 Heptan C7H16 -91 +98 flüssig Benzin-artig

8 Octan C8H18 -57 +126 flüssig Benzin-artig

9 Nonan C9H20 -51 +151 flüssig Benzin-artig

10 Decan C10H22 -30 +174 flüssig Benzin-artig

11 Undecan C11H24 -26 +195 flüssig

12 Dodecan C12H26 -12 +215 flüssig

13 Tridekan C13H28 -6 +234 flüssig

14 Tetradecan C14H30 +5 +253 flüssig

15 Pentadecan C15H32 +10 +271 flüssig

16 Hexadecan C16H34 +18 +288 flüssig geruchlos

17 Heptadekan C17H36 +23 +303 fest

18 Octadecan C18H38 fest geruchlos

20 Eicosan C20H42 +36 +205 *) fest geruchlos

60 Hexacontan C60H122 +331 *) fest geruchlos

+) im Vakuum bei 20 mbar; bei Normaldruck vorher zersetzlich

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 76 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit steigender C-Anzahl im Molekül sowohl

Schmelz- als auch Siedepunkt regelmäßig zunimmt. Die sehr kurzkettigen Alkane (C1 – C4)

sind auch noch gasförmig. Die mittelkettigen bis C17 von leicht- bis schwerflüssig. Ab C18

sind die Alkane dann fest. Man nennt sie auch Wachse, da sie in der Konsistenz dem Kerzenwachs

ähneln. Kerzenwachs ist auch nichts anderes als ein Gemisch langkettiger Alkane.

Aber wie lassen sich die Schmelz- und Siedepunkte erklären? Ein sehr großen Einfluß auf

den Siedepunkt haben zwei Faktoren. Einmal die Größe des Moleküls an sich – dies muss ja

mit soviel Energie versorgt werden, dass es sich frei – im Gas – bewegen kann. Zum Anderen

spielt der Zusammenhalt der Moleküle untereinander eine Rolle. Existieren nur schwache

Adhäsions-Kräfte (Haftungskräfte, ), dann wird das Heraustrennen einzelner Moleküle

leichter möglichsein. Bei starken Adhäsions-Kräften müssen diese ebenfalls durch die externe

Energiezufuhr überwunden werden, damit die Teilchen den flüssigen Zustand verlassen

können.

Die Molekülgrößen haben wir schon betrachtet, da ist uns das Verhalten schon klar. Nur

müssten ja eigentlich die Schmelz- und Siedetemperaturen immer gleichmäßig steigen, da

die Zunahme der Teilchengröße ja auch gleichmäßig erfolgt.

Die Unregelmäßigkeiten zu Beginn der Schmelzpunktkurve lassen sich nur teilweise durch stark voneinander

abweichenden Molekül-Geometrien erklären. Auch Zunahme-Effekte werden hier mit ins Spiel gebracht. Von

Methan zu Ethan verdoppelt sich fast das Molekulargewicht (100% Zuwachs), während von Ethan zu Propan nur

noch ein Zuwachs von 50 % zu verzeichnen ist. Mit zunehmender Kettenlänge wird der Zuwachs-Effekt immer

kleiner.

Je größer die Teilchen werden, umso mehr Kontaktflächen bieten sie den Nachbarn für Adhäsions-Effekte.

So sind die Unregelmäßigkeiten bei den Schmelz- und Siedepunkten z.T.

zu erklären. Die Adhäsions-Kräfte sind hier sogenannte VAN-DER-WAALS-Kräfte (VAN-

DER-WAALS-Wechselwirkungen, V-D-W-Bindungen). Diese basieren nicht auf Ladungen, sondern

auf der gemeinsamen Nutzung von Elektronen – ähnlich wie bei Bindungen. Zwischen

den Teilchen, Molekülen usw. treten kurzzeitig sehr kleine Dipole auf, die die Haftung verursachen.

Insgesamt sind die Kräfte hier rund 1000x geringer als bei Bindungen. Sie haben

einen sehr kleinen Wirkungsradius und nehmen mit der Entfernenung sehr schnell ab (mit der

sechsten Potenz).

Deshalb nehmen die VAN-DER-WAALS-Kräft bei höheren Temperaturen ebenfalls schnell

ab, da die Abstände zwischen den Molekülen – durch die immer größer werden Bewegungen

der Moleküle selbst – auch immer größer werden.

Bei sehr langkettigen Alkanen kommt es beim Erhitzen dazu, dass die Moleküle durch die

Bewegungen und die Haftungskräfte zu anderen Molekülen (VAN-DER-WAALS-Kräfte) eher

brechen, als in den gasförmigen Zustand überzugehen. In der Praxis arbeit man dann in einem

Vakuum. Die Teilchen haben nicht so einen großen Gegendruck (sonst ja der Luftdruck)

und gehen so eher in die gasförmige Phase über. Es reichen also schon kleinere

Temperaturen aus, was wiederum weniger Teilchen-Eigenbewegung bedeutet.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 77 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Prinzipiell könnten auch noch polare Kräfte zwischen den Molekülen wirken. Um die abzuschätzen,

betrachtet man die Elektronegativitätswerte der einzelnen Atome im Molekül und

vergleicht sie mit den jeweiligen Bindungspartnern. Je größer die Differenz, umso größer ist

die Fähigkeit des Partners mit dem größeren Elektronegativitätswert, die Elektronen aus der

Bindung zu sich zu ziehen. Das Ergebnis wäre eine negative (Voll-)Ladung oder eine Partial-

Ladung, wenn die Elektronen nur teilweise angezogen werden.

Beim Betrachten der Elektronegativitäten in Alkanen finden wir nur zwei Fälle:

Bindung C – C C – H

Elektronegativität (EN) 2,5 2,5 2,5 2,1

Differenz der EN-Werte 0 0,4

resultierende Polaritäten keine sehr schwach

+ -

resulierender Bindungs-Charakter Atom-Bindung

kovalente Bindung

C H

praktisch Atom-Bindung

Da die Differenz gleich Null oder sehr gering ist, liegen keine bzw. sehr geringe Polaritäten

vor. Aus der Praxis wissen wir, dass man Differenzen in dieser Größenordnung vernachlässigen

kann. Im Allgemeinen werden deshalb in den Kohlenwasserstoffen keine Polaritäten

betrachtet.

In der Reihe der Alkane verändern sich die Eigenschaften scheinbar relativ gleichmäßig und

systematisch. Auch hierrüber lässt sich der Begriff der homologen Reihe (homo = lat. gleich,

logos = lat. Sinn, Lehre) herleiten. Wie wir noch sehen werden, bezieht sich diese Homologizität

nicht nur auf physikalsiche Eigenschaften, sondern ist ein allgemeines Prinzip in der organischen

Chemie.

??? Löslichkeit in Wasser

??? Löslichkeit in organischen (unpolaren) Lösungsmitteln ()

??? Löslichkeit in organsichen (polaren) Lösungsmitteln ()

Exkurs: Elektronegativität nach PAULI

Die Elektronegativität (Abk. EN) ist ein Modell der Chemie,

(Ausnahme: in Metallhydriden: -1)

2.1.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkane

Die geringen Polaritäten und die vollständig abgesättigten Bindungen machen Alkane zu

sehr reaktionsträgen Stoffen. Durch Licht-Energie können aber an einzelnen Stellen Bindungen

zerlegt werden. Dabei entstehen zwei Radikale:

CH3 – CH2 – CH3 CH3– CH2 + CH3 homolytische Spaltung

der Bindung

Meist kombinieren sich die beiden Radikale sofort wieder (Rekombination).

CH3 – CH2 + CH3 CH3 – CH2 – CH3

Seltener induziert ein Radikal die Radikal-Bildung an einem Nachbar-Molekül.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 78 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


CH3 – CH2 – CH3 + CH3 CH3 – CH – CH3 + CH4

Treffen dann zwei solcher Molekül-Radikale aufeinander, können sie nun u.U. unsymetrisch

rekombinieren und es entstehen zwei verschiedene Produkte.

CH3 – CH – CH3 + CH3 – CH – CH3 CH3 – CH2 – CH3 + CH3 – CH = CH2

Alkan Alken (Propen)

Man nennt dies auch Disproportionierung (Dismutation).

Recht gut reagieren Halogen (F, Cl, Br, I) mit Alkanen. Auch hier müssen aber zuerst Radikale

gebildet werden. Gerade Halogen neigen unter Lichteinstrahlung sehr leicht zur Radikalbildung

( Fotochemie, fotoaktive Substanzen auf Filmen). Im Dunklen läßt sich die Spaltung auch thermisch

induzierern. Duzu sind dann Temperaturen um 250 °C notwendig.

Cl2 2 Cl

Diese Radikal-Bildungs-Reaktion ist der Ausgangspunkt einer Kettenreaktion (Startreaktion,

Kettenstart). Nun folgen die produktiven Reaktionen:

CH3 – CH2 – CH3 + Cl CH3 – CH2 – CH2 + HCl

CH3 – CH2 – CH2 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + Cl

Normalerweise findet die Reaktion an den Enden des Alkan-Moleküls zuerst statt, da diese

exponiert – der Chemiker sagt dazu: sterisch bevorteilt – sind.

Die Kettenreaktionen können sich nunständig wiederholen, da das reaktive Chlor-Radikal

am Ende wieder vorliegt. Reagiert ein Radikal mit einem anderen Molekül, dann bleibt immer

wieder ein Radikal übrig.

Treffen aber zwei Radikale aufeinander, dann kommt die Radikal-Bildung – und damit auch

die Kettenreaktion – zum Stillstand. Dies nennen wir Kettenabbruch. Dazu kommen alle

möglichen Radikal-Kombinationen in Frage:

2 Cl Cl2

2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH3 + CH3 – CH = CH2

CH3 – CH2 – CH2 + Cl CH3 – CH2 – CH2Cl

Praktisch wird bei den besprochenen Reaktionen am Propan (unserem Ausgangsstoff) ein

Wasserstoff-Atom durch ein Chlor-Atom ersetzt.

H H H

| | |

H – C – C – C - H

| | |

H H H

+

Cl - Cl

H H H

| | |

H – C – C – C - Cl

| | |

H H H

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 79 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

+

H - Cl

____________________________________________________________________

CH3 – CH2 – CH3 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + HCl

Solche Reaktionen heißen Substitution (substituere = lat.: ersetzen). Wird die Substitution durch

Radikale induziert, dann handelt es sich um eine radikalische Substitution. In der Literatur

findet man häufig die Abkürzung Sr dafür. Vom Wasserstoff abweichende Anhänge an den


Cohlenstoff-Atomen werden allgemein auch Substituent genannt. Oftmals sind sie über

Substitutions-Reaktionen an die C-Kette gelangt.

Die Anzahl der möglichen Reaktionsprodukte ist beachtlich ( 3.1.1. einfach halogenierte

Kohlenwasserstoffe). Natürlich können bei entsprechenden Bedingungen alle Stoffe auch

weiterreagieren ( 3.1.2. mehrfache halogenierte Kohlenwasserstoffe). So entstehen weitere

Substitutionsprodukte, die alle natürlich keine Kohlenwasserstoffe mehr sind. Sie sind sogenannte

Derivate (Abkömmlinge; derivare = lat.: ableiten) ( 3. Derivate der Kohlenwasserstoffe).

Kommen neben Cohlenstoff und Wasserstoff noch Halogen-Atome (F, Cl, Br od. I) im Molekül

vor, dann handelt es sich um Halogen-Derivate ( 3.1. Halogenderivate).

Bei der Disproportionierung bzw. bei der unsymetrischen Rekombination entstehen völlig

neue Kohlenwasserstoffe. Sie enthalten wegen des auftretenden Wasserstoff-Mangels (in

den Radikalen) eine Doppelbindung zwischen den Cohlenstoff-Atomen. Die gleichen Kohlenwasserstoffe

kann man aus Alkanen gewinnen, wenn man diese direkt dem Sonnenlicht

aussetzt oder noch besser – einer sogenannten thermischen Pyrolyse. Bei sehr hohen Temperaturen

(rund 800 °C) werden die Alkane dabei dehydriert, d.h. Wasserstoff abgespalten.

CH3 – CH2 – CH3 CH3 – CH = CH2 + H2

Propen

(Damit die Dehydrierung nicht bis zum reinen Cohlenstoff (Ruß) führt, wird Wasserdampf hinzugefügt. Durch

spezielle Katalysatoren lässt sich die Reaktion noch weiter gezielt führen.)

Bei der Dehydrierung wird wird eine Atomgruppe abgespalten, deshalb gehört eine solche

Reaktion zur Gruppe der Eleminierungen (eliminare = lat.: entfernen, über die Schwelle bringen).

Bei der Eliminierung an Alkanen entstehen immer sogenannte Mehrfachbindungen.

Dies können Doppel- oder Dreifachbindungen beim Cohlenstoff sein. Da nicht alle Bindungsmöglichkeiten

abgesättigt sind, spricht man auch von ungesättigten Kohlenwasserstoffen

( 2.2. ungesättigte Kohlenwasserstoffe).

Wie die meisten Kohlenwasserstoffe, brennen Alkane auch gut. Zumindestens von Methan

(Erdgas), Propan (Camping-Gas) und Butan (Feuerzeug-Gas) ist dies den Meisten auch bekannt.

Wesentlich mehr Alkane werden aber in Benzin und Diesel verbrannt – beides Gemische

aus relativ kurzkettigen, flüssigen Alkanen und deren Isomeren. Chemisch sind dies

Oxidationen – hier im Sinne der Reaktion mit Sauerstoff. Natürlich sind es praktisch Redoxreaktionen,

d.h. Reaktionen mit Elektronen-Übergang. Dies betrachtet man im Allgemeinen

bei den Verbrennungen aber nicht so vordergründig.

CH3 – CH2 – CH3 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O

Verbrennungen mit ausreichend Sauerstoff führt immer zu Bildung von Cohlendioxid und

Wasser. Der Alkan verbrennt vollständig.

Bei Mangel an Sauerstoff kommt es zur unvollständigen Verbrennung. Man erkennt dies an

einer rußenden Flamme (reiner Cohlenstoff) bzw. an der Bildung eines mehr oder weniger

großen Anteils an Cohlenmonoxid.

CH3 – CH2 – CH3 + 2½ O2 CO + 2 C + 4 H2O

Je nach verfügbarer Sauerstoff-Menge entstehen unterschiedliche Anteile C, CO und CO2.

Die Bildung von Cohlenmonoxid ist bei einer Verbrennung meist nicht gewünscht, da noch

reichlich Energie im Cohlenmonoxid verbleibt (CO ist brennbar) und vor allem, weil CO ein

sehr giftiges Gas ist. Die Giftigkeit beruht auf der nichtreversiblen Blockierung des Hämoglobins

(Hämoglobin = roter Blutfarbstoff). Das Bindungsvermögen (Affinität) von CO zum

Hämoglobin ist 300x größer, als die von Sauerstoff. Schon geringe Mengen führen also zu

nachhaltigen Beeinflussungen des Sauerstoff-Transportes in unserem Blut.

Aufgaben:

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 80 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


1. Zu welchen Reaktionen ist Ethan fähig? Stellen Sie die möglichen Reaktionsgleichungen

auf!

2. Stellen sie folgende Reaktionsgleichungen auf!

a) Substitution mit Chlor an Methan

b) vollständige Verbrennung von Butan

c) unvollständige Verbrennung von Pentan im Stoffmengen-Verhältnis Pentan

: Sauerstoff = 1 : 6

d) Reaktion von Brom mit Ethan unter Verwendung von Struktur-Formeln

3. Welche Reaktionsprodukte können bei der Photolyse von Butan entstehen?

4. Definieren Sie den Begriff homologe Reihe (umfassend)!

für das gehobene Anspruchsniveau:

5. Informieren Sie sich über den Kennwert Octan(-zahl) beim Benzin! Was bedeutet

er? Wie wird er ermittelt? …?

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 81 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Elementar-Analyse

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 82 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.1.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkane

Bei der Betrachtung wichtiger Vertreter beschränken wir uns auf solche, die im Bereich der

Biologie oder der Ernährungslehre von herausragender Bedeutung sind. In Ausnahmefällen

besprechen wir auch solche Vertreter, die zum tieferen Verständnis von Zusammenhängen

oder Details beitragen. Sollte der Bedarf an anderen Beispielen bestehen, verweisen wir auf

die typischen Chemie-(Lehr-)Bücher. In diesen wird weit systematischer vorgegegangen.

2.1.1.3.1. Methan

Hauptbestandteil im Erdgas und in den meisten Stadtgasen

Brennwert von über 35.000 kJ / m³

es bilden sich nur Wasser und Cohlendioxid als Abgase

bei Methan-Luft-Gemischen mit einem Methan-Anteil zwischen 6 und 12 % besteht Explosionsgefahr

(im Bergbau: schlagende Wetter)

im Dickdarm und Pansen von Wiederkäuern (Rinder, Schafe, …) gebildetes Darmgas ist

ebenfalls sehr Methan-haltig Treibhausgas

bei Fäulnis-Vorgängen unter Sauerstoff-Abschluß entsteht ebenfalls Methan (Sumpfgas, Biogas);

etwas geringer Brennwert (rund 27.000 kJ / m³) wegen diverser anderer Gase im

Gemisch (Cohlendioxid, Stickstoff, andere Gase in Spuren); große Bedeutung bei geschlossenen

Stoffkreisläufen, ökologischer und vorbildlicher energetischer Produktion

2.1.1.3.2. Propan, Butan

beliebte Gase für dezentralisierte Brennstellen (Camping, entlegene Häuser ohne Stadtgas-

Anschluß, Handwerk (Dachdecker, …), …)

Gase lassen sich schon bei geringen Drücken leicht verflüssigen ( Flüssiggas)

schwerer als Luft, deshalb nicht in unterkellerten Räumen / Gebäuden; bilden mit Luft explosive

Gemische

2.1.1.3.3. Stearin

Wachs-artige Eigenschaften, auch in dünnen Schichten Wasser-abweisend und Luft-dicht,

leicht zu entfernen und ungiftig Schutzschicht um Lebensmittel (z.B. Käse, …)

brennbar und einfach zu händeln (Kerze, Teelicht, …)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 83 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2. ungesättigte Kohlenwasserstoffe

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe enthalten mindestens eine Mehrfachbindung zwischen

zwei Cohlenstoff-Atomen. Wir kennen die Doppel- und die Dreifach-Bindung. Die Kohlenwasserstoffe,

die eine oder mehrere Doppelbindungen enthalten heißen Alkene ( 2.2.1.

Alkene), die mit einer oder mehreren Dreifachbindungen Alkine ( 2.2.2. Alkine).

Bei cyclischen Kohlenwasserstoffen kann dann noch eine besondere Situation auftreten. Bei

manchen Ringen treten die Doppelbindungen scheinbar alternierend – also abwechselnd mit

Einfachbindungen auf. Diese Konstellation bewirkt diverse besondere Eigenschaften. Besonders

intensiv sind die Eigenschaften-Sprünge dann zu beobachten, wenn bestimmte

Zahlen (3, 5, 7, …) an solchen Doppelbindungen auftreten. Die Stoffe mit so einer Konstellation

stellen eine ganz besondere Stoffgruppe dar – die Aromaten ( 2.2.3. Aromaten).

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 84 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2.1. Alkene

Charakteristisches Merkmal der Alkene ist mindestens eine Doppelbindung

(Zweifachbindung) zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen.

Doppelbindungen finden wir in biologisch bedeutsamen Molekülen sehr

häufig. Die Kohlenwasserstoff-Stoffklasse, die mindestens eine Doppel-

bindung im Molekül enthält, sind die Alkene. Der Klassensuffix ist –en.

\ /

C = C

/ \

Früher wurden die Alkene auch als Olefine bezeichnet. Auch heute findet man diese Benennung

noch im Bereich der technischen Chemie.

2.2.1.1. Bau und Struktur

Auch die Alkene bilden eine homologe Reihe. Aus praktischen Gründen erwähnen wir hier

nur die ersten fünf Glieder. Die restlichen können Sie sich jederzeit mit ihren Kenntnissen

nun schon ableiten. Außerdem ist die Bedeutung der reinen Alkene in Biologie und Ernährungslehre

begrenzt. Wir wollen Sie hier nur etwas genauer besprechen, um die Doppelbindung

kennenzulernen. Sie ist recht bedeutsam.

Anzahl

C-Atome

1

2 Ethen

(Äthylen)

3 Propen

(Propylen)

Name Summenformel

C2H4 H H

\ /

C = C

/ \

H H

Strukturformel Verwendung

C3H6 H H

\ /

C = C H

/ \ /

H C

/ \

H H

4 Buten C4H8 H H

\ /

C = C H H

/ \ / |

H C – C - H

/ |

H H

5 Penten C5H10 H H

\ /

C = C H H H

/ \ / | |

H C – C – C - H

/ | |

H H H

6 Hexen C6H12 H H

\ /

C = C H H H H

/ \ / | | |

H C – C – C – C - H

/ | | |

H H H H


Rohstoff für Polyethen

(PE, Polyethylen)

z.B.

Plastiktüten

Rohstoff für Polypropen

(PP, Polypropylen)

Bei längeren Ketten sind unterschiedliche Positionen für die Doppelbindung möglich. In den

Namen wird die Position als arabische Ziffer vor dem en (für die Doppelbindung) im Namen angegeben.Bei

Ethen und Propen ist dies nicht notwendig, da es jeweils nur ein Isomer gibt.

Bei Buten wären die nachfolgenden (kettenförmigen) Möglichkeiten denkbar:

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 85 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


?

?

?

H H

\ /

C = C H H

/ \ / |

H C – C - H

/ |

H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C

/ \

H C - H

/ \

H H

H H

| /

H – C – C H

| / \ /

H H C = C

/ \

H H

But-1-en But-2-en But-3-en

Beim genauen Hinsehen stellen wir fest, dass die Struktur von But-3-en eigentlich der von

But-1-en entspricht. Somit kann eine von ihnen gestrichen werden. Nun tritt wieder die Regel

der kleinstmöglichen Zahlen in Kraft, so dass wir nur But-1-en und natürlich noch But-2-en

über behalten.

!

!

!

H H

\ /

C = C H H

/ \ / |

H C – C - H

/ |

H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C

/ \

H C - H

/ \

H H

But-1-en But-2-en

Buten-(1) Buten-(2) alternative Schreibweise

In Cohlenstoff-Doppelbindungen befinden sich die C-Atome im sp 2 -hybridiserten Zustand.

Ein p-Orbital (gelblich) wurde nicht mit in die Hybridisierung einbezogen. Die drei hybridisierten

Orbitale bilden eine planare (ebene) Strucktur. Der Bindungswinkel beträgt 120 °. Die

freien p-Orbitale bilden zwei Elektronen-Wolken, die eine Drehung um die C-C-Bindung nun

unmöglich machen. Die Elektronen-Wolken stellen sozusagen die zweite Bindung in der

Doppel-Bindung (-Bindung, = griech.: p (pi)) dar. Die Bananen-artige Form und die meist

gelbliche Farbgebung haben dieser Bindung den Spitz-Namen "Bananen-Bindung" eingebracht.

Die sp 2 -C-C-Bindung wird zur Unterscheidung -Bindung ( = griech.: s (sigma)) genannt.

sp 2 -hybridisiertes C-Atom Ethen mit Bindungs-Orbitalen "Bananen-Bindung"

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 86 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Der Wegfall der Drehbarkeit in einer Doppelbindung führt zu neuen Isomeren. Betrachten

wir den einfachsten Fall n-But-2-en:

H H

\ /

C = C

/ \

H - C C – H

/ \ / \

H H H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C H

/ \ /

H C – H

/

H

n-But-2-en n-But-2-en

Die Methyl-Reste links und rechts von der Doppel-Bindung können ihre Richtungen (oben

bzw. unten) nicht mehr tauschen. Im linken Fall stehen die Reste zur gleichen Seite - zusammen.

Deshalb nennt man solch ein Isomer die cis-Form (Z-Form, Z .. zusammen). Das Gegenstück

(rechte Abb.) ist die trans-Form (E-Form, E .. entgegen).

Als Eselsbrücke kann man sich vielleicht merken, dass bei der cis-Form im gewissen Sinne

der Buchstabe C an der Doppelbindung entsteht. Die trans-Form kann man sich aus dem

Begriff Transit für Durchgang, Durchführung usw. ableiten. Man kann die Doppelbindung

sozusagen ohne Richtungsänderung passieren.

Sind mehrere Substituenten an den Doppel-Bindungen zu beachten, dann gelten die Regel der CAHL-INGOLD-

PRELOG-Konvention (CIP-Konvention, R-S-System, R-S-Isomerie)! Die Substituenten bekommen dabei Prioritäten,

die sich nach Größe und Oxidationsgrad unterscheiden, und werden dann entsprechend geordnet.

Mehrere Doppelbindungen werden durch Angabe der griechischen

Zahlwörter (di, tri, tetra, …) vor dem en im Namen angezeigt. Somit

ergibt sich dann z.B. –dïen, -trïen. Beachten Sie, dass i und e

getrennt gesprochen werden. Manchmal wird dies auch durch zwei

i-Punkte gekennzeichnet.

Für die Namengebung ist natürlich auch eine homologe Reihe der

Alkylene konstruierbar.

Nach der Stellung der Doppelbindungen zueinander unterscheidet

man isolierte, konjugierte und kumulierte Systeme. Eine einzelne

Doppelbindung wird als isoliert angesehen (oberste / erste Abb.).

Bei kumulierten Doppelbindungen sind zwei Doppelbindungen direkt

benachbart (zweite Abb.). Bei konjugierten Systemen liegt

zwischen zwei Doppelbindungen genau eine Einfachbindung (dritte

Abb.). Sind mehrere Einfachbindungen dazwischen, dann sieht

man die Doppelbindungen wieder als isoliert an (unterste / vierte

Abb.).

Besonders konjugierte Doppelbindungen sind für den Chemiker

interessant, da diese meist mit dem Licht wechselwirken. Die

Hauptnutzung solcher Stoffe ist deshalb auch bei Farbstoffen usw.

zu finden.

2.2.1.2. Eigenschaften der Alkene

\ /

C = C

/ \

\ /

C = C

/ \\

C –

/

\ /

C = C

/ \ /

C = C

/ \

\ / \

C = C C -

/ \ / //

Cn – C

/ \

In der homologen Reihe verändern sich die physikalischen Eigenschaften (z.B. Aggregatzustand)

ähnlich schrittweise, wie bei den Alkanen.

Die verschiedenen Isomere und deren Derivate haben z.T. auch sehr unterschiedliche Eigenschaften.

Diese aber im Detail auseinanderzupflücken ist für unsere Zwecke nicht sehr

zweckmäßig. Bei Bedarf gehen wir auf Details und Spezialitäten an geeigneter Stelle ein.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 87 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkene

Bei ungesättigten Kohelnwasserstoffen kommt es normalerweise nicht zu Substitution, wenn

man Halogen mit ihnen reeagieren lässt. Vielmehr wird die Doppelbindung aufgebrochen

und die Halogen-Atome lagern sich an.

Am Einfachsten ist die Addition von polaren Stoffen, wie z.B. Chlorwasserstoff oder Bromewasserstoff

zu erklären. Prinzipiell läuft die Addition von unpolaren, aber polarisierbaren

Stoffen – wie z.B. Brom – ganz ähnlich.

Die Doppelbindung ist recht Elektronen-reich. Damit haben wir dort eine Konzentration negativer

Ladungsträger. Diese ziehen nun widerum positive Ladungen (od. Partial-Ladungen) an

bzw. polarisieren geeignete Bindungen. Im unten stehenden Beispiel wird die polarisierte

Atombindung im Chlorwasserstoff noch weiter polarisiert. Die Doppelbindung wird zum positiv

geladenen Wasserstoff gezogen. aufgelöst und geht schließlich eine neue Bindung ein.

H H

\ /

C + -

|| + H Cl

C

/ \

H H


H H

\ /

C

| H + + Cl -

C

/ \

H H

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 88 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


H

|

H – C - H

| + Cl -

C +

/ \

H H


H

|

H – C - H

|

H – C - Cl

|

H

Am anderen C-Atom der ehemaligen Doppelbindung entsteht eine positive Ladung (Carbo-

Kation). Das bei der Spaltung des Chlorwasserstoffes übrig gebliebene Chlorid-Ion bindet

dort.

Das Produkt heißt Monochlorethan und ist ein typisches Halogen-Derivat der Alkane. Die

ehemals ungesättigten Kohlenwasserstoffe enthalten nach der Addition nur noch gesättigte

Bindungen.

Insgesamt haben wir es mit einer Additions-Reaktion zu tun. Ein positiv gealdenes Teilchen,

welches Elektronen-liebend (elektrophil) ist, greift die Doppelbindung zuerst an. Deshalb

sprechen wir von einer elektrophilen Addition (Abk.: AE).

Die Addition von Brom wird auch als Nachweis für Doppelbindungen benutzt. Dabei nutzt

man die Entfärbung einer Brom-Lösung (z.B. Brom-Wasser, Br2H2O) aus. Das Bromwasser

hat die typische rotbraune Brom-Farbe – die Additionsprodukte (Brom-Alkane) sind dagegen

farblos. Diese Reaktion lässt sich sogar für semiquantitative Untersuchungen gebrauchen,

indem man z.B. die verbrauchten (entfärbten) Brom-Wasser-Tropfen zählt.

Für genauere quantitative Untersuchungen des Doppelbindungsgehaltes eigent sich die

BAYERsche Probe ( Nachweis von Mehrfachbindungen mittels BAEYERscher Probe /

BAEYERschem Test:). Leider ist diese nicht nur für Mehrfachbindungen spezifisch.

Ethen lässt sich durch elektrophile Addition von Wasser in Ethanol (Alkohol) umwandeln. Als

Katalsator werden Säuren verwendet, um ein Proton als elektrophile Agenz zu haben.

H2C = CH2 + H2O H3C – CH2 –OH

Ethanol (C2H5OH)

Dieser sogenannte technische Alkohol darf nicht für Trinkzwecke verwendet werden. Vor

dem in den Handelbringen dieses Alkohols muss er vergällt (Veränderung des Geschmacks) werden.

Dazu wird Benzin oder Campher genutzt. Z.B. als Brennspiritus ist er dann noch gut für

Lösungs- und Brennzwecke nutzbar. Trinken lässt er sich nicht mehr. Das Vergällen hat

auch steuerrechtliche Gründe. Trinkalkohol (aus natürlichen Quellen) wird sehr hoch besteuert.

In der technischen Chemie spielt aber eine ganz andere Reaktion ein viel größere Rolle. An

speziellen Katalysatoren reagiert Ethen auch mit sich selbst. Der Reaktionsmechanismus

verläuft als Kettenreaktion.

Als Startreaktion werden meist Radikalbildungen verwendet. Gut geeignet sind hierfür organische

Peroxide (enthalten – O – O – ).

R' – O – O – R'' R' – O + O – R''


Das R steht in der organischen Chemie für Rest. Für unterschiedliche Reste werden R', R'',

R''', … oder R1, R2, R3 usw. verwendet. Die letzte Schreibung ist leicht mit der Anzahl-

Kennung in chemischen Formeln zu verwechseln, so dass man lieber die erste Variante

wählen sollte oder z.B. eine Kennzeichnung mit Buchstaben als Indize (RA, RB, RC, …). Reste

können Alkyle oder auch andere unvollständige Kohlenwasserstoffe sein.

Beide Radikale können nun weiterreagieren:

R – O + H2C = CH2 R – O – CH2 – CH2

Die Doppelbindung wird aufgebrochen und ein ungepaartes Elektron bleibt am Moleküle-

Ende erhalten. Dieses Radikal kann nun wieder mit Ethen reagieren, wobei sich die Kette

immer weiter verlängert:

R – O – CH2 – CH2 + n H2C = CH2 R – O – CH2 [– CH2 – CH2 ]n– CH2

Erst wenn zwei Radikale zusammentreffen, dann kommt es zum Abbruch der Kettenreaktion.

Betrachten wir hier hur ein Beispiel. Die anderen Kombinationen der Reaktionspartner

sind leicht abzuleiten.

R – O – CH2 [– CH2 – CH2 ]n– CH2 + O – R R – O [– CH2 – CH2 ]n+1 – O – R

Die Reaktionsprodukte unterscheiden sich in der jeweiligen Kettenlänge. Durch eine geeignete

Prozessführung und ausgewählte Katalysatoren kann man recht einheitliche Kettenlängen

erreichen. Das Mischprodukt heiß übrigens Poly-Ethen (Poly-Ethylen, Poly-Äthylen). Die

Start-Radikale werden u.U. auch noch chemisch entfernt. Poly-Ethen (PE) ist das Material

was die moderne westliche Kaufkultur so ausmacht – die Einkaufstüte aus Plastik. Weiterhin

wird Polyethen auch für Lebensmittelgefäße (Plastedosen) und Verpackungen aller Art verwendet.

Der Reaktionstyp ist hier eine Addition. Da diese vielfach hintereinander abläuft,

spricht man auch von Polyaddition oder weil die Doppelbindungen aufgespalten und zu Einfachbindungen

gewandelt werden, auch von Polymerisation.

Polyethen und andere Polymerisate (z.B. aus Propen Polypropen (Polypropylen))

Unter radikalischen Bedingungen sind bei kurz- und längerkettigen Alkenen (ab C3) auch

Substitutionen möglich. Im Allgemeinen findet die Reaktion dann an dem C-Atom statt, dass

der Doppelbindung direkt benachbart ist (Allyl-Stellung, Allyl-Position).

??? Reaktionsgeschwindigkeit bei längeren Ketten

besondere Reaktionsfähigkeit allylständiger C-Atome z.B. radikalische Oxidation über Peroxid-Bildung

Europa-Buch S. 64 bzw. EL-Skript (Fette, chem. E.)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 89 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkene

2.2.1.3.1. Ethen

Hormon für viele Pflanzen, spielt große Rolle bei Fruchtreife

Begasung von grünen Bananen (Transportform) kurz vor Umschlag oder Auslieferung

Industrie-Rohstoff für Plaste / Elaste (Polyethen (Polyethylen)

2.2.1.3.2. Lycopen

Lycopen (Tomate)

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 90 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2.2. Alkine

Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifach-Bindung (Alkine) spielen in Biologie und Ernährungslehre

eher eine untergeordnete Rolle. Da wir aber auch ab und zu auf so eine Bindung treffen,

wollen wir die Alkine – auch wegen der Vollständigkeit - hier ganz kurz behandeln.

2.2.2.1. Bau und Struktur der Alkine

Die Dreifachbindung basiert auch sp-hybridisierten C-Atomen, die eine -Bindung ("normale

Einfachbindung") und zwei -Bindungen zwischen sich aufrechterhalten. Das Ergebnis ist

eine lineare Struktur, die nur jeweils eine Bindungsmöglichkeit zu einem anderen Atom zuläßt.

Die beiden "Bananen-Bindungen" liegen um 90 ° gedreht – senkrecht aufeinander - um die

-Bindung.

Alkine besitzten die allgemeine Formel CnH2n-2. Die Endung an den Stammnamen ist das –

in.

Der wichtigste Vertreter ist das Ethin (Äthin, Azetylen), dass bei der Reaktion von Calciumcarbid

und Wasser entsteht.

CaC2 + 2 H2O HC CH + Ca(OH)2 ; RH = -146 kJ / mol

Ethin wird vorrangig als Synthese-Gas (80 %) und als Brennstoff verwendet. In kleinen

Schmieden und Schweißereien stehen kleine Gasentwickler, in deren Druckkörper vorsichtig

festes Carbid in Wasser getaucht wird. Das gebildete Gas wird zum Schweißen (Azetylen-

Schweißen) verwendet. Eine andere Verwendung sind die Karbid-Lampen, die Bergleute

früher mit in die Stollen genommen haben. Bis in die 50er Jahre des letzten Jahrhunderts

wurde Ethin im Gemisch mit 60 % Sauerstoff als Narkosegas (Handelsname: Narcylen) verwendet.

Heute wird das Gas auch in Stahlflaschen angeliefert.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 91 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2.2.2. Eigenschaften der Alkine

Die Alkine unterscheiden sich in ihren Eigenschaften nicht so sehr von den Alkenen.

2.2.2.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkine

Im Prinzip kommt es bei Alkinen nur zu elektrophilen Additionen. Die Hydrierung mit Wasserstoff

führt zu Alkenen:

HC CH + H2 H2C = CH2

Mit Halogenen oder Halogenwasserstoff reagieren Alkine direkt durch zu Halogen-Alkanen,

da auch die zwischenzeitlich erhaltene Doppelbindung ebenfalls nucleophil ist und somit einen

elektrophilen Angriff offen gegenüber steht:

HC CH + 2 HCl H2C = CHCl + HCl ClH2C – CH2Cl

HC CH + 2 Cl2 ClHC = CHCl + Cl2 Cl2HC – CHCl2

Bei der Verbrennung von gasförmigen Alkinen treten unter guter Frischluft- oder Sauerstoff-

Zufuhr sehr heiße Flammen (bis 3200 °C) auf:

HC CH + 2½ O2 2 CO2 + H2O ;RH = - kJ / mol

Die Verbrennung entspricht einer vollständigen Oxidation. Dies ist praktisch auch eine Redoxreaktion

– also eine Reaktion mit Elektronen-Übergang.

Bei organischen Stoffen kommen neben den üblichen Regeln für die Festlegung einer Oxidationszahl

(Abk.: OZ) noch eine spezielle Regel dazu. Zur Berechnung der einzelnen Oxidationszahlen

werden immer die C-Atome einzeln betrachtet. Die Summe muss 0 bzw. die

Ladung eines ev. Ion's ergeben. Insgesamt gelten die Regeln in ihrer Reihenfolge.

+1-1 -1+1 0 +4-2 +1 -2

H C C H + 2½ O2 2 C O2 + H2 O

Für Wasserstoff ändert sich in unserem Beispiel keine OZ. Damit fällt aus weiteren Betrachtungen

heraus.

Der Cohlenstoff hatte im Ethin die OZ -1 und im Cohlendioxid die +4. Wären diese C-Atome

nun Ionen – wie es das Oxidationszahlen-Modell annimmt, dann müsste das Cohlenstoff

insgesamt 5 Elektronen abgeben haben. Die Elektronenabgabe entspricht der Oxidation –

einer der Teilreaktionen bei einer Redoxreaktion.

Da für Sauerstoff eine Veränderung von 0 zu -2 zu verzeichnen ist, können wir hier die

Reduktion (Elektronen-Aufnahme) zuordnen:

Nun muss noch die Stöchiometrie mit beachtet werden: für einmal Ethin mit zwei C-Atomen

kommt es also zur Abgabe von insgesamt 10 Elektronen.

| H C C H 2 CO2 + 10 e - | Elektronenabgabe

Oxidation

Genau 10 Elektronen werden auch gebraucht, um insgesamt fünf Sauerstoff-Atome (aus 2½

Sauerstoff-Molekülen) mit jeweils zwei Elektronen zu versorgen. Hierfür lässt sich auch eine

Teilgleichung aufstellen:

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 92 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2½ O2 + 10 e - 10 O 2- Elektronenaufnahme

Reduktion

Neben der vollständigen gibt es auch die teilweise oder unvollständige Oxidation. Hier reagiert

der Stoff selten direkt mit Sauerstoff. Vielmehr wird der Sauerstoff aus irgendwelchen

Verbindungen genutzt. Sachlich können aber auch nur Redoxreaktionen gemeint sein, wenn

von einer (unvollständigen) Oxidation die Rede ist.

Ein gutes Beispiel für eine Redoxreaktion ist die Reaktion von Mehrfachbindungen mit

BAEYER's Reagenz.

Nachweis von Mehrfachbindungen mittels BAEYERscher Probe / BAEYERschem

Test:

In der Test-Lösung (BAEYERs Reagenz; BAEYER-Reagenz) ist neben Kaliumpermanganat

(K2MnO4) noch Natriumcarbonat (Na2CO3) in wässriger Lösung enthalten. Bei Anwesenheit

von Mehrfachbindungen kommt es zur Ausfällung von Braunstein (Mn2O).

| HC CH + K2MnO4 + H2O H3C – COO - + K + + Mn2O |

(violett) Acetat-Ion (braun)

(Säurerest-Ion der Essigsäure)

Bei Doppelbindungen führt die Oxidation nur bis zum Diol (zweiwertiger Alkohol):

| H2C = CH2 + K2MnO4 + H2O HO– H2C – CH2 –OH + K + + Mn2O |

Ethandiol

Mittels einer geeichten Lösungen (Maß-Lösung) und einer eingemessenen (Masse od. Volumen)

Probe kann auch eine quantitative Bestimmung erfolgen. Dazu muss der Verbrauch

an BAEYERs Reagenz bis zur ausbleibenden Verfärbung (des Kaliumpermanganates) genau

verfolgt werden.

Natriumcarbonat hat in diesem Test Puffer-Funktion. D.h. es hält den pH-Wert relativ konstant.

Führt man die BAEYERsche Probe im sauren Milieu durch, dann kommt es nur zur

Entfärbung des Kaliumpermanganates.

| HC CH + K2MnO4 + H + + H2O H3C – COO - + K + + Mn 2+ |

(farblos)

Zum Untersuchung wasserunlöslicher Proben wird eine alkoholische Kaliumpermanganat-

Lösung verwendet.

2.2.2.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkine

2.2.2.3.1. Ethin

Azethylen

brennbar

mit Luft explosive Gasgemische

mit reinem Sauerstoff können sehr heiße Flammen erzeugt werden Schweißbrenner

Rohstoff für Plaste (PVC, Polystyren (Polystyrol), Plexiglas, Kunstkautschuk, …)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 93 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Festlegung von Oxidationszahlen

Die Oxidationszahl (Abk. OZ) ist ein Modell der Chemie, dass fiktiv davon ausgeht, dass

jeder Stoff (außer Elementen) aus Ionen aufgebaut ist. Die Oxidationzahl entspricht der fiktiven

Ladung dieser Ionen.

Oxidationszahlen werden als arabische Ziffern mit vorrangestellten Ladungssinn aufgeschrieben.

Für Null wird zusätzlich die Kennung plus-mins () angegeben. (In älterer Literatur

findet man auch römische Zahlen.)

Die nachfolgenden Regeln zur Bildung / Berechnung von Oxidationszahlen müssen im

Zweifelsfall in der angegebenen Reihenfolge beachtet werden. Die obersten Regeln haben

die höchste Priorität.

Haupt-Regeln:

1. Elemente bzw. Atome im elementaren Zustand (z.B. O2, P4, S8) erhalten die OZ: 0

2. einatomige Ionen erhalten immer die Ionenladung als OZ

3. die Summe der Oxidationszahlen muss bei zusammengesetzten Ionen oder Molekülen

die Ladung des Teilchens ergeben

4. bei Formeln, die wegen des kovalenten Charakters der Bindungen mit Valenzstrichen

geschrieben werden, sollen die einzelnen Bindungen den Atomen entprechend der Elektronegativität

verteilt werden, so dass formal Ionen entstehen

Hilfs-Regeln:

1. Fluor (in Verbindungen) erhält stets die OZ: -1

2. Wasserstoff erhält (in Verbindungen) normalerweise die OZ: +1

(Ausnahme: in Metallhydriden: -1)

3. Sauerstoff erhält (in Verbindungen) normalerweise die OZ: -2

(Ausnahmen: in Peroxiden: -1; bei Fluor-Sauersoff-Verbindungen: +2; in Hyperoxiden: -½ )

4. alle Metalle, Bor und Silicium erhalten in Verbindungen positive Oxidationszahlen, die

zahlenmäßig dem Wert des Ion's entspricht

5. in organischen verbindungen wird jedes C-Atom mit seinen Substituenten (außer C) separat

betrachtet

6. die OZ kann maximal den Zahlenwert der Haupt- od. Nebengruppen-Nummer des Elementes

ergeben

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 94 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


2.2.3. Aromaten - Arene

Ursprünglich wurde der Begriff Aromat für aus Pflanzen gewonnene organische Stoffe mit

"aromatischen" Geruch benutzt. In Mitte des 19. Jahrhunderts meinte man dann immer mehr

die Stoffe aus dem Steinkohle-Teer, die sich ebenfalls durch besondere "aromatische" Gerüche

auszeichneten. Jetzt waren es nicht mehr ätherische Gerüche, sondern eher Benzinähnliche,

die man hierunter verstand. Im 20. Jahrhundert kamen dann – mit der verstärkten

Erdöl-Destillation – weitere Stoffe dazu, die aus dem Teer und verschiedenen Rückständen

(z.B. Bitumen) extrahiert wurden.

Heute sind mit Aromaten Stoffe gemeint, die sich vom Benzen ableiten. Dazu gehören auch

seine Derivate und viele der sogenannten Heterozyklen ( 3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen

+ 3.3.3. stickstoffhaltige Heterocyclen).

2.2.3.1. Bau und Struktur der Aromaten

Bleiben wir erst aber einmal beim Benzen (veralt.: Benzol). Hieran lassen sich die wesentlichen

Struktur- und Verhaltens-Merkmale am Einfachsten erläutern. Der alte Name Benzol leitete

sich wohl aus dem arabischen "luban dschawi" für "Weihrauch aus Java" ab.

Benzen wurde erstmals von Michael FARADAY (1791 – 1867) im Jahre 1825 isoliert und

"Benzin" genannt. Als Rohstoff verwendete Leuchtgas, welches er durch Erhitzen von Wal-

Öl erhielt. Er ordnete die intensiv riechende Substanz den "aromatischen Verbindungen" zu.

FARADAY beschrieb auch schon das auffällige C-H-Verhältnis von 1:1. Mit seiner Summenformel

C6H6 entspricht es einem cyclischen Trien. In den chemischen Eigenschaften müsste

es sich also weitgehend wie ein kettenförmiges Trien verhalten. Praktisch weichen aber die

meisten Eigenschaften deutlich von diesem ab.

Den lange gültigen Namen "Benzol" erhielt die Verbindung 1834 von Justus VON LIEBIG.

Für die Summenformel C6H6 sind über 200 verschiedene Struktur-Möglichkeiten (Isomere)

denkbar.

Aufgabe:

Wieviele theoretisch mögliche Strukturen für die Summen-Formel C6H6 finden

Sie? Zeichnen Sie diese in einfachen Gitterstruktur-Formeln!

Zuerst erkannte man dann die Ringstruktur des Moleküls. Als nächstes sagte Friedrich August

KEKULÉ V. STRADONITZ (1829 – 1896) (kurz: KEKULÉ) voraus, dass es sich bei

Benzen wohl um ein ebenes Molekül handeln müsse. Dies wurde später auch durch RÖNT-

GEN-Strukturanalysen bestätigt.

KEKULÉ beschrieb 1865 zwei mesomere Strukturen (Angeblich sind ihm die Formeln im Traum erschienen.)

H

|

H C H

\ // \ /

C C

| ||

C C

/ \\ / \

H C H

|

H

H

|

H C H

\ / \\ /

C C

|| |

C C

/ \ // \

H C H

|

H

KEKULÉ-Formel

für Benzen

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 95 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


(Die Gitterstruktur-Darstellung (Abb. rechts) ist heute ein Sinnbild für die Chemie geworden)

Zwar konnte diese Formel einige Besonderheiten des Benzen's erklären, aber einige chemische

Eigenschaften stimmen nicht mit den Erwartungen aus den Formeln überein:

So fehlen Isomere, wenn man an benachbarten Positionen substituiert. Eigentlich müssten

die Bindungsabstände alternieren (ungleichseitiges Sechseck). Bei Messungen wurden sie

aber als gleichgroß (gleichseitiges Sechseck) ermittelt. Der Bindungsabstand (139 pm) liegt

fast mittig zwischen Einfach- (154 pm) und Doppelbindung (134 pm). Bei der vollständigen

Hydrierung stimmen die praktisch gemessenen Energiedifferenzen nicht mit den theoretischen

Vorhersagen (Standardberechnungen) überein (Hydrierwärme nur knapp doppelt so hoch, wie

für eine Doppelbindung (hätte aber rund 3x so groß sein müssen)!). Weiterhin reagiert Benzen schwerer

mit Brom (theor. sollte es Addition sein). Praktisch handelt es sich um eine Substition. Mit

Bromwasserstoff reagiert Benzen überhaupt nicht.

1867 versuchte James DEWAR (1842 – 1923) mit seinem Vorschlag einige

ungeklärte Probleme zu lösen. Für einen sechseckigen Ring gab er drei mesomere

Formeln an. Die von ihm vorgeschlagene Substanz konnte erst 1962

wirklich hergestellt werden und ist ein vom Benzen abweichender Stoff. DE-

WAR zu Ehre wurde der Stoff DEWAR-Benzen genannt.

THIELE schlug 1899 eine Auflösung der Doppelbindungen vor und verteilte

die freien Bindungen gleichmäßig auf den Sechseck-Körper. Die von THIELE

vorgeschlagene Partialvalenz-Formel war der entscheidende weiterführende

Schritt zur Aufklärung der Verhältnisse im Benzen-Molekül.

Die Elektronen sind im regelmäßigen C-Sechseck scheinbar gleichmäßig verteilt. Durch

spezielle Untersuchungen und Messungen konnte man die Existenz von Elektronen-Wolken

ober- und unterhalb der Ringebene nachweisen.

1925 erarbeitete der amerikanische Chemiker R. ROBINSON () dann eine völlig

neue Schreibung für den aromatischen Zustand. Die besondere Elektronen-Anordnung

wurde in einem – zur aufgeklärten Struktur passenden – Ring

in das Cohlenstoff-Sechseck (Cohlenstoff-6er-Ring) eingezeichnet.

Die ROBINSON-Formel ist mitlerwiele eines der verbreitesten Sinnbilder für

die Chemie geworden.

Heute wissen wir, dass die Elektronen-Wolken von den sechs delokalisierten -Elektronen

gebildet werden. Es entsteht ein Elektronen-Sextett, die den besonderen aromatischen Zustand

mit allen chemischen Konsequenzen ausmachen. Die theoretisch zwischen den C-

Atomen alternierenden "Bananen"-Bindungen werden zu Ringen.

Allgemein versteht man unter einem aromatischen Zustand heute solche Systeme, die aus

cyclisch angeordneten, vollkonjugierten Polyenen bestehen. Sie besitzen ein Mesomeriestabilisiertes

-Elektronen-System. Nach Erich HÜCKEL (1896 – 1980) sind solche cyclischen

Polyene aromatisch, die mit 4n+2 -Elektronen ausgestattet sind (HÜCKELsche Regel,

1931).

Auch der Sonderfall n=1 in der HÜCKEL-Regel mit zwei -Elektrone ist wirklich bekannt

(Cyclopropenyl-Kation).

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 96 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Lange hat man angenommen, dass sich über die Regel 4n -Elektronen sicherstellen läßt,

dass ein solcher Stoff keine armoatischen Eigenschaften (anti-aromatischer Zustand). Dies

musste aber revidiert werden. Bei der Vielzahl organischer Stoffe war das Finden der Ausnahmen

nur eine Frage der Zeit. (So wurden z.B. für das [30]-Annulen keine aromatischen Eigenschaften

nachgewiesen.)

In der modernen Chemie benutzt man weitere Mess-Verfahren zur Bestätigung einer Aromatizität.

So kann man im magnetischen Feld bei Aromaten einen diamagnetischen Ringstrom

messen. Auch die zusätzliche Energie-Stabilisierung (deutlich Energie-ärmer als theoretisches

Cyclohexatrien, Energievorteil rund 150 kJ / mol) wird als Kriterium für Aromaten verwendet.

Der aromatische Zustand ist stabiler als theoretische konjugierte Doppelbindungen

an der gleichen Stelle.

Eine abschließende Definition ist bei der Vielzahl von Struktur-Möglichkeiten und Derivate

aber nicht möglich. In den meisten Fällen nutzt man heute spektroskopische und magnetochemische

Untersuchungen zur Charakterisierung eines Stoffes als möglichen Aromaten.

Viele heterocyclische Verbindungen ( 3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen + 3.3.3.

stickstoffhaltige Heterocyclen) zeigen aromatische Eigenschaften.

Beispiele für (einfache) Aromaten:

Benzen

Pyren

Naphthalen

(Naphthalin)

[14]-Annulen

3,4-Benzpyren

Neben der KEKULÉ-Schreibweise (Abb. rechts oben) findet

man sehr häufig auch Formeln in ROBINSON-Schreibung.

Als Beispiel ist der Stoff Anthracen dargestellt. Dabei haben

sich zwei Varianten eingebürgert. Einmal werden die aromatischen

Ringe einfach einzeln eingezeichnet (Abb. rechts

Anthracen Phenanthracen

Dibenzanthracen

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 97 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


mittig). Etwas realistischer ist die Darstellung (Abb. rechts

unten) aller delokalisierten -Elektronen als ein gemeinsames

"Ring"-System.

Die einfachen bzw. reinen Aromaten kann man auch als Grundelemente verstehen. Durch

Substitution eines oder mehrerer H-Atome sind Unmengen weiterer aromatischer Subtanzen

realisierbar:

Toluen, Methylbenzen

(Toluol, Methybenzol)

Styren

(Styrol, Vinylbenzol)

Ethylbenzen Cumen, Isopropylbenzen

(Cumol, Isopropylbenzol)

2.2.3.2. Eigenschaften der Aromaten / Arene

Allgemein sind Aromaten gut in organischen Lösungsmitteln (Alkohole, Ether, Ketone, Ester)

löslich und meist auch in jedem Verhältnis mischbar. Recht typisch ist auch eine geringe oder

fehlende Wasserlöslichkeit. Bei Benzen liegt sie unter 1%.

Sehr häufig sind die aroamtischen Stoffe auch giftig und z.T. auch krebserregend (cacerogen).

Im Umgang sollte man also immer eine besonderer Vorsicht walten lassen.

Benzen schädigt Knochenmark, Leber und Nieren; führt zur Senkung der Anzahl roter Blutkörperchen.

Es ist als sehr giftig (toxisch) und gilt ebenfalls als krebserregend. Schon bei

Zimmertemperatur bilden sich leicht entzündliche Dämpfe, die bei einem günstigen Luft- oder

Sauerstoffanteil auch explosionsartig abbrennen können.

2.2.3.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Aromaten / Arene

Betrachten werden wir hier vornehmlich Benzen. Prinzipiell lassen sich die Reaktionen auf

andere Aromaten 1 : 1 übertragen.

Die Verbrennung liefert uns keine neuen Erkenntnisse:

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 98 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


C6H6 + 7½ O2 6 CO2 + 3 H2O ;RH = - kJ / mol

Bei der Struktur-Vorstellung sind wir schon darauf eingegangen, dass Benzen keine Additions-Reaktionen

zeigt. Dafür sind aber Substitutionen möglich. Der Ablauf ähnelt der elektrophilen

Addition bei den Alkenen.

Durch geeignete Katalysatoren (z.B. FeBr3) kommt es zur hetrerolytischen Spaltung z.B.

von Brom.

Br2 + FeBr3 Br + -

+ FeBr4

Das elektrophile Br + -Ion (Brom??-Ion) dockt sofort an einem C-Atom des Benzen's an. Die

positive ladung stabilisiert sich am benachbarten C-Atom (Arenium-Ion) und führt zeitweise

zu einem Verlust der Aromatizität (nur noch 4 freie -Elektronen im Ring).

Das überschüssige Wasserstoff-Atom gibt ein Elektron an das benachbarte positiv geladene

C-Atom und dessen Wasserstoff ab und wandert als Proton ab.

Dadurch regeneriert sich der aromatische Zustand am Brom-Benzen. Das Proton reagiert

-

mit dem FeBr4 -Ion unter Bildung von Bromwasserstoff und FeBr3. Dies steht nun wieder für

weitere katalytische Vorgänge zur Verfügung.

Ganz ähnlich läuft die Nitrierung von Benzen. Neben Benzen wird Nitriersäure (c HNO3 + c

+

H2SO4) verwendet. In der Nitriersäure bildet sich das Nitronium-Ion (NO2 , Nitryl-Kation), das

der eigentliche elektrophile Reaktionspartner für das Benzen ist.

Eine weitere Substitution ist mit rauchender Schwefelsäure möglich. Dies führt zu Benzensulfonsäure.

Bei der sogenannten Alkylierung mit Alkenen arbeitet man ebenfalls mit Säuren, aber nur als

Katalysator. Die Alkene bilden unter sauren Bedingungen Carbo-Kationen, die dann mit

Benzen eine elektrophile Substitution eingehen.

Neben der Substitution sind aber auch radikalische Additionen an Benzen möglich. Von biologischer

Bedeutung ist die Herstellung von Lindan® - einem Insektizid. In einem Überschuß

an Chlor wird das Reaktionsgemisch UV-Strahlung ausgesetzt. Nur mit deren Energie ist

eine Überwindung des Energie-Vorteils des aromatischen Zustands möglich. Chlor wird in

Radikale gespalten, die dann mit Benzen reagieren.

UV-Licht

Cl2 2 Cl

Da die radikalische Anlagerung immer ein -Elektron bindet, wird das andere (aus der mesomeren

Doppel-Bindung) zu einem Radikal am benachbarten C-Atom. Hier kann dann das nächste

Chlor-Radikal ankoppeln.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 99 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Dichlorcyclohexadien

Nach dreifacher Addition entsteht Hexachlorcyclohexan. Als Kürzel hat sich hierfür HCH unter

den Chemikern etabliert. Solche Buchstaben-Codes werden für sehr viele organische

Substanzen verwendet (Abk. wie: DDT … Dichlordiphenyltrichlorethan oder DNS …Desoxyribonucleinsäure

kennen Sie ja vielleicht schon). Besonders bei neuen Stoffen mit halsbrecherischen Namen für

die es keine Trivialnamen gibt sind die Buchstaben-Codes sehr beliebt.

In der Praxis treten drei Isomere auf, von denen nur das -HCH insektizid wirkt.

Hexachlorcyclohexan-Isomere (in verschiedenen Formel-Darstellungen):

-HCH




-HCH -HCH

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 100 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre



Dicke Linien bzw. ausgefüllte Pleilspitzen stellen Bindungen dar, die zum Betrachter hin aus der Bildebene verlaufen.

Die Bindungen die hinter der Blattebene verschwinden würden, sind gestrichelt oder sehr dünn dargestellt.

So kommt es gewisser 3D-Effekt zustande.

Es muß über spezielle Extraktions-Vorgänge aus dem Reaktionsgemeisch herausgelöst

werden.

Mit geeigneten Reaktionspartnern kann es am Benzen auch zu Oxidationen kommen. Wenn

die Oxidation am Ring stattfindet, dann kommt es dabei zu Auflösung der Aromazität. Oxidationen

am Substituenten haben dagen kaum Auswirkungen auf die armatischen Eigenschaften

des Stoffes.

Betrachten wir die Umsetzung von Benzen in Luftsauerstoff. Die Reaktion benötigt einen

speziellen Katalysatoren und recht hohe Temperaturen (500 °C).


Die Reaktion führt zuerst zu einem Chinon (p-Benzochinon) und in weiteren Schritten zur

Dicarbonsäure (cis-Butendisäure, Maleinsäure) bzw. derem Anhydrid (Maleinsäureanhydrid).

Aufgaben:

1.

2. Von KEKULÉ wurden 216 verschiedene Struktur-Formeln zusammengestellt,

die zur Summen-Formel C 6H 6 passen. Wieviele finden Sie?

3. Skizzieren Sie für Lindan die fehlenden Gitter-Strukturen mit enthaltenen

Wasserstoff-Atomen!

3. Bauen Sie die Lindan-Moleküle mit einem Mokül-Baukasten nach! Überprüfen

Sie, ob sie sich durch Drehungen ineinander überführen lassen!

für die gehobene Anspruchsebene:

3.

Hinweise zu den Gitterstrukturformeln (Minigrafiken):

Q: de.wikipedia.org bzw. commons.wikimedia.org verschiedene Autoren: NEUROtiker, Bryan

Derksen, Kamil Filip Ulryk, Dschanz, Cacycle, Leyo, …

Wegen der im Allg. fehlenden Schöpfungshöhe, der meist als public domain freigebenen Grafiken

und der Sperrigkeit der Quellen-Angaben verzichten wir hier auf einen Einzelnachweis für

jede einzelne Abbildung.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 101 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3. Derivate der Kohlenwasserstoffe

Derivate sind Abkömmlinge (lat.: derivare = ableiten, abfließen). In der organischen Chemie

meint man dabei Stoffe, die durch Austausch eines oder mehrerer Wasserstoff-Atome entstanden

sind.

In einem weiter gefassten Derivat-Begriff kann man auch den Austausch beliebiger Atome

oder Atomgruppen einbeziehen. Die abgeleiteten Stoffe haben oft noch eine ähnliche Struktur,

ev. sogar noch ähnliche Eigenschaften wie die Grundsubstanz.

In der Pharmazie spielt die Derivatisierung von Wirkstoffen eine große Rolle. Auf diese Weise

werden neue – ev. noch besser wirlkende oder mit weniger Nebenwirkungen behaftete –

Wirkstoffe hergestellt. Bei Derivaten ist dann u.U. auch ein Patenzschutz möglich.

Wir betrachten hier vornehmlich die:

Halogen-Derivate

Sauerstoff-Derivate

Stickstoff-Derivate

der Kohlenwasserstoffe. Dabei kommt den Sauerstoff-Derivaten eine besonders große Bedeutung

zu.

Einzelne weitere Stoffe mit ausgewählten anderen Atomen (P, S, …) erwähnen wir als gesonderte

Stoffe oder Stoffgruppen. Bei ihnen ist eine Ableitung aus anderen Stoffgruppen

nur mit großem Aufwand oder nur theoretisch möglich.

Eine analoge Betrachtung der Derivate – vor allem auch als homologe Reihen – erleichtert

das Verständnis für die Stoffeigenschaften bzw. deren Veränderungen bei größer werdenden

Molekülen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 102 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.1. Halogenderivate

Die Elemente der VII. Hauptgruppe

des Periodensystems

(… der Elemente; Abk.: PSE)

werden Halogene genannt. Der

Wortstamm halos stammt aus

dem griechischen und bedeutet

so viel, wie Salzbildner. In

der anorgansichen Chemie

werden Sie die Halogene auch

schon als solche kennen gelernt

haben. Am Bekanntesten

ist sicher das Natriumchlorid –

unser Haushaltssalz.

Element Symbol

Fluor F farbloses Gas

Chlor Cl

Brom Br

Iod I

Astat At

3.1.1. einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe

Q: de. wikipedia.org (Tomihahndorf)

Q: commons.wikimedia.org (Ondřej Mangl)

Bei einfach halogenierten Kohlenwasserstoffen wurde ein Wasserstoff-Atom gegen ein Halogen-Atom

ausgestauscht. Als Herstellungsmöglichkeit haben wir bei den Alkanen (

2.1.1. Alkane) schon die radikalische Substitution ( 2.1.1.2.1. chemische Eigenschaften –

Reaktionen der Alkane) kennen gelernt.

Ausgangspunkt ist die Radikal-Bildung z.B. durch Lichteinstrahlung.

Cl2 2 Cl

Diese Radikalbindungs-Reaktion ist der Ausgangspunkt einer Kettenreaktion (Startreaktion,

Kettenstart). Nun folgen die produktiven Reaktionen:

CH3 – CH2 – CH3 + Cl CH3 – CH2 – CH2 + HCl

CH3 – CH2 – CH2 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + Cl

Normalerweise findet die Reaktion an den Enden des Alkan-Moleküls zuerst statt, da diese

exponiert – der Chemiker sagt dazu: sterisch bevorteilt – sind.

Die Kettenreaktionen können sich nun ständig wiederholen, da das reaktive Chlor-Radikal

am Ende wieder vorliegt. Reagiert ein Radikal mit einem anderen Molekül, dann bleibt immer

wieder ein Radikal übrig.

Treffen aber zwei Radikale aufeinander, dann kommt die Radikal-Bildung – und damit auch

die Kettenreaktion – zum Stillstand. Dies nennen wir Kettenabbruch. Dazu kommen alle

möglichen Radikal-Kombinationen in Frage:

2 Cl Cl2

2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH3 + CH3 – CH = CH2

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 103 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


CH3 – CH2 – CH2 + Cl CH3 – CH2 – CH2Cl

Praktisch wird bei den besprochenen Reaktionen am Propan (unserem Ausgangsstoff) ein

Wasserstoff-Atom durch ein Chlor-Atom ersetzt.

H H H

| | |

H – C – C – C - H

| | |

H H H

+

Cl - Cl

H H H

| | |

H – C – C – C - Cl

| | |

H H H

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 104 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

+

H - Cl

____________________________________________________________________

CH3 – CH2 – CH3 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + HCl

Als zweite Möglichkeit haben wir bei den ungesättigten Kohlenwasserstoffen ( 2.2. ungesättigte

Kohlenwasserstoffe) die elektrophile Addition kennen gelernt ( 2.2.1.2.1. chemische

Eigenschaften – Reaktionen der Alkene).

Der elektrophile Teil eines Moleküls greift die Elektronen-reiche Doppelbindung am Alken

an.

H H

\ /

C + -

|| + H Cl

C

/ \

H H


H H

\ /

C

| H + + Cl -

C

/ \

H H


H

|

H – C - H

| + Cl -

C +

/ \

H H


H

|

H – C - H

|

H – C - Cl

|

H

Am anderen C-Atom der ehemaligen Doppelbindung entsteht eine positive Ladung (Carbo-

Kation). Das bei der Spaltung des Chlorwasserstoff übrig gebliebene Chlorid-Ion bindet dort.

Das Produkt heißt Monochlorethan und ist ein typisches Halogen-Derivat der Alkane. Die

ehemals ungesättigten Kohlenwasserstoffe enthalten nach der Addition nur noch gesättigte

Bindungen.

3.1.1.1. Eigenschaften und Verwendung einfach halogenierter Kohlenwasserstoffe

Einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe bilden typische homologe Reihen. Chlor- bzw.

Brom-Alkane sind bis ungefähr C15 flüssig.

Chlorethan wird als Kühlmittel (Vereisungsmittel) und Lokalanästhetikum verwendet. Die

Flüssigkeit verdampft knapp unter der Zimmertemperatur. Dabei entzieht es der Umgebung

(Gewebe) reichlich Energie. Durch das starke Abkühlen entsteht eine gewisse Schmerzunempfindlichkeit.


Beispiele für einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe (systhematisch):

F

Cl

Br

I

C1 C2 C3 C4

Fluormethan

Chlormethan

(Methylchlorid)

weitere Beispiele für einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe:

Chlorethen

Bromcyclohexan Brombenzen

2-Chlorbutan

(sek. Butylchlorid)

2-Brombutan

2-Iodbutan

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 105 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.1.2. mehrfache halogenierte Kohlenwasserstoffe

Bei geeigneter Wahl der Ausgangsstoffe kann man Substitutionen auch mehrfach durchführen

lassen. Hierfür sind größere Moleküle natürlich eher prädestiniert, da nach der einfachen

Substitution von den recht großen Halogen-Atomen eine sterische Behinderung ausgeht.

Für Additionen lassen sich auch reine Halogene verwenden, wobei dann immer gleich der

Einbau von zwei Halogen-Atomen zu beobachten ist:

H2C = CH2 + Cl2 ClH2C = CH2Cl

Bei Alkinen sind u.U. zwei aufeinanderfolgende Additionen notwendig:

HC CH + 2 HCl H2C = CHCl + HCl ClH2C – CH2Cl

HC CH + 2 Cl2 ClHC = CHCl + Cl2 Cl2HC – CHCl2

Bei gesättigten Halogen-Kohlenwasserstoffen ist die C-C-Bindung wieder frei drehbar. Die

relativ großen Halogen-Atome behindern sich sterisch. Die Halogen-Atome sind immer so

angeordnet, dass möglichst weit von einander entfernt stehen. Dies stellt dann auch die

energetisch stabilste Molekül-Konformation dar.

In der NEWMAN-Projektion versucht man die Stellung der Substituenten darzustellen. Man

stellt sich dazu das Auge und die beiden betrachteten C-Atome auf einer Gerade vor. Das

vordere C-Atom wird in seinem Umfang angedeutet und die Bindung vom Kern aus gezeichnet.

Vom dahinterliegenden C-Atom sieht man nur die strahlenförmig angeordneten Substituenten.

1,2-Dichlorethan 1,1,2-Trichlorethan

Um eine Drehung in der C-C-Achse durchzuführen, bedarf es einer beachtlicher Energie-

Zufuhr (um 50 kJ / mol). Erst mit dieser kann die sterische Behinderung der Halogen-Atome

untereinander überwunden werden. Bei einem Alkan wäre nur ¼ der Energie notwendig gewesen,

um die relativ schwache – aber vorhandene – sterische Behinderung der H-Atome

zu überwinden.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 106 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Beispiele für mehrfach halogenierte Kohlenwasserstoffe:

Dichlormethan

Trichlormethan

(Chloroform)

Triiodmethan

Bromchlorfluormethan

Tetrachlormethan

(Tetrachlorkohlenstoff,

Tetra)

Trichlorethen

3.1.2.1. Eigenschaften und Verwendung von mehrfach halogenierten

Kohlenwasserstoffen

Mehrfach hologenierte Kohlenwasserstoffe haben meist eine größere Dichte als Wasser und

sind in diesem nicht löslich. Sie sind aber ausgesprochen gute Lösungsmittel für Fette, Lipoide

und eine Vielzahl unpolarer Stoffe.

Dichlormethan (CH2Cl2) ist ein nichtbrennbares, aber gesundheitschädliches

Lösungsmittel für sehr viele Stoffe.

Es bildet auch keine explosiven Gemische mit der Luft,

wie das sonst ähnliche Benzin (als Lösungsmittel).

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 107 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Chloroform (CHCl3) ist eine süßlich riechende, klare

Flüssigkeit. In der Lebensmittelchemie wird es gerne als

Extraktionsmittel für Fette und Lipoid-artige Stoffe verwendet.

Auch Tetrachlorkohlenstoff (CCl4, Tetra, Tetrachlormethan)

zeigt ein besonders gutes Löusngsvermögen für

Fette und Fett-ähnliche Substanzen (z.B. Harze und

Teer). Tetra wurde lange Zeit auch als chemisches Reinigungsmittel

verwendet (nicht brennbar). Heute ist dies wegen

der hohen Giftigkeit (Lebergift) ausgeschlossen. Als

Bestandteil vieler Feuerlöscher war es sogar namensgebend

für die "Tetra"-Löscher.

Tetrachlormethan ist selbst eine flüssige, leicht flüchtige,

stark Licht-brechende, süßlich riechende Substanz. Laut

Gefahrstoffverordnung zählt es auch zu den umweltge-

fährlichen Stoffen.

Q: www.3dchem.com

Triiodmethan, Iodoform (CHI3) sind gelbe Plättchen mit einem charakteristischen Geruch

(Safran-ähnlich). Es ist neben Tetraiodmethan die einzige bekannte farbige organische Substanz,

deren Farbe nicht mit Mehrfachbindungen assoziert ist. Wegen seiner desinfizierenden

und trocknenden Wirkung wurde es früher als Antiseptikum verwendet. Heute wird es

durch andere Stoffe ersetzt, weil es relativ teuer ist und bei Überdosierung auch Probleme

bereiten kann.

2-Brom-2-chlor-1,1,1-trifluorethan, Halothan (CF3 – CHClBr) ist chemisch weitgehend

inert (reaktionsträge). Es ist ein farbloser, leicht süßlich riechender, flüssiger und leicht flüchtiger

Stoff, der beim Einatmen Bewusstlosigkeit auslöst. Es zählt zu den Giften. Mit Lachgas

(N2O) gemischt, ergibt es ein sehr gut handhabbares Narkosemittel. In der Anästhesie hat

es vor vielen Jahren (ab 1956) den schwerer handhabbaren – und bei Überdosierung zu Tode

führenden – Ether (CH3 – O – CH3) abgelöst. Heute wird Halothan nur noch selten benutzt.

In der Schweinezucht wird es für die Beurteilung der Stressanfälligkeit verwendet (Halothan-

Test).

Dichlordifluormethan (CF2Cl2) wird wegen seiner hohen Verdampfungswärme und der

niedrigen Siedetemperatur als Kühlmittel in Kühlanlagen und als Treibgas in Sprayflaschen

verwendet. Es ersetzt dort das giftige Ammoniak. Dichlordifluormethan gehört mitlerweile zu

den geächteten FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe; auch: CFK (Chlorfluorkohlenwasserstoffe)),

die nachgewiesenermaßen die Ozon-Schicht unserer Erde zerstören.

Alle FCKW sind ungiftig, unbrennbar undgeruchlos. Sie galten lange als völlig ungefährlich.

Bei Untersuchungen in den verschiedenen Labors hatte man keine Probleme feststellen

können. Dabei hatte man aber nicht die besonderen Verhältnisse in der höheren Atmosphäre

(Stratosphäre, 15 – 50 km Höhe) beachtet. Hier herrschen völlig andersartige Bedingungen.

So ist die Strahlung (vor allem die UV-Strahlung) wesentlich intensiver (härter). Auch

die Temperaturbedingungen unterscheiden sich enorm. Man beobachtet Temperaturen von

– 60 °C bei Drücken um hPa ( atm). Im Bereich der Ozonschicht kommt es zu einem Temperaturanstieg

bis fast 0 °C. Die UV-Strahlung wird hier von dem Ozon absorbiert und als

Wärme-Energie wieder emitiert. Sauerstoff-Moleküle werden durch die UV-Strahlung in

Sauerstoff-Radikale zerlegt.

O2 2 O

Diese sind sehr reaktionsfähig und reagieren normalerweise mit anderen Sauerstoff-

Molekülen zu Ozon-Molekülen.

O2 + O O3

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 108 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die aufgestiegenen FCKW (wegen einer geringeren Dichte als Luft) werden ebenfalls durch

die UV-Strahlung zerlegt. Die Reaktionen laufen – wie wir es schon bei den Alkanen kenngelernt

haben – als radikale Kettenreaktion.

CF2Cl2 CF2Cl + Cl

Die Radikale können nun mit dem Ozon reaagieren:

Cl + O3 ClO + O2 (Ozon-Killer-Reaktion)

Dabei werden – die eigentlich schützenden – Ozon-Moleküle zerstört.

Daneben kommen aber auch diverse Reaktionen mit Chlor ins Spiel, die gefährliche Gase

(z.B. Chlor) freisetzen.

2 ClO Cl2O2 Cl2 + O2

Im Ergebnis kam es zu einem starken Rückgang der Ozon-Schicht und im Bereich der Antarktis

sogar zu Herausbildung eines großen Ozon-Loches.

Dichlorethan (1,2-Dichlorethan; C2H4Cl2)

Lindan ()

Teflon ()

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 109 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.1.3. chemische Eigenschaften der Halogen-Kohlenwasserstoffe

Die Bindung zwischen Cohlenstoff und den Halogen-Atomen ist meist wesentlich stärker polarisiert,

als bei Cohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen. Besonders bei Fluor und Chlor treten

sehr starke Polarisierungen auf.

Element H C F Cl Br I

Elektronegativität 2,1 2,5 4,0 3,5 2,8 2,5

An den Halogen-Atomen kommt es deshalb zur Ausbildung von partiellen negativen Ladungen.

Die gebundenen Cohlenstoff-Atome tragen entsprechend eine mehr oder weniger große

positive Partial-Ladung.

Halogenisierte Kohlenwasserstoffe sind im Allgemeinen sehr reaktionsfreudig. Die außenliegenden

negativen Partial-Ladungen sind für alle vollständig oder teilweise positiv geladenen

Teilchen gute Reaktionspartner.

Mit Metallen reagieren Halogen-Kohlenwasserstoffe zu Metall-organischen Verbindungen.

Auch diese sich sehr reaktiv und deshalb in der chemischen Industrie von großem Interesse.

Bevorzugtes Metall als Reaktionspartner ist Magnesium.

R – Br + Mg R - MgBr

Die entstehende Verbindungsklasse mit Magnesium zwischen den Alkylrest und dem Halogen-Substituenten

nennt man GRIGNARD-Verbindungen (Alkylmagnesiumhalogenid). Die Bildungs-Reaktion

entsprechend GRIGNARD-Reaktionen, nach ihrem Entdecker Victor

GRIGNARD (1871 – 1935). Besonders bedeutend ist diese Reaktionsart bei der Herstellung

von Alkoholen. Durch die gezielte Wahl des Reaktionspartners kann man verschiedene Arten

von Alkoholen herstellen.

H3O + , H2O

| R – MgBr + H – CHO R – CH2 – OH + Mg 2+ + Br - |

Formaldehyd, Methanal prim. Alkohol

H3O + , H2O

| R – MgBr + R1 – CHO R – HCOH – R1 + Mg 2+ + Br - |

Aldehyd sek. Alkohol

H3O + , H2O

| R – MgBr + R1 – CO – R2 R – COH – R1 + Mg 2+ + Br - |

|

R2

Keton tert.. Alkohol

GRIGNARD erhielt für seine Arbeiten mit den Metall-organischen Verbindungen 1912 den NOBEL-Preis für

Chemie.

Gut nachvollziehbar ist die Reaktion von Halogenalkanen mit metallischem Natrium. Bei dieser

Reaktion bilden sich längerkettige Alkane:

2 R – Cl + 2 Na R – R + 2 NaCl

Die Liste möglicher Reaktionen und Reaktionsprodukte läßt sich lange fortsetzen. Wir deuten

hier nur die Reaktionspartner für die Halogenalkane und die resultierende Produkte bzw.

Stoffklassen an. Genauere Informationen zu diesen folgen dann später.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 110 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Reaktionspartner für die Reaktionsprodukte

Halogenkohlenwasserstoffe Stoffklassen

Ammoniak (NH3) Amine

Alkoholate (R –OM) Ether

verd. Kalilauge (KOH) Alkohole

alkohol. Kalilauge Alkene

(KSH) Thiole

Mercaptid Sulfide

Natriumcyanid (NaCN) Nitrile

Verweise

weitere Informationen bei …

Die GRIGNARD-Verbinden können wiederum zur Bildung weiter Stoffklassen herangezogen

werden. Da wird einem die Bedeutung dieser beider Stoffklassen für die organische Chemie

bewusst . In Organismen spielen sie aber eine untergeordnete Rolle.

Q: de.wikipedia.org (Calvero)

Die einzelnen Stoffklassen (hier meist Sauerstoff-Derivate der Kohlenwasserstoffe) werden

wir erst noch kennen lernen und dann auf diese Stelle (der Bildung) zurückverweisen.

Vergleicht man die Reaktionsfreudigkeit von Alkyl-Chloriden, -Bromide und –Iodide, dann

kann man feststellen dass diese bei den Iodiden am Größten ist. Weiterhin sind kurzkettige

Halogen-Kohlenwasserstoffe immer reaktionsfreudiger, als längerkettige.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 111 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.1.4. biologische und ökologische Probleme mit Halogen-Kohlenwasserstoffen

Bei der Verbrennung von Halogen-haltigen Kohlenwasserstoffen können verschiedene gifte

Verbindungen als Nebenprodukt entstehen. Dazu gehört das sehr giftige Dioxin (2,3,7,8-

Tetrachlordibenzo-p-dioxin). Dieses ist z.B. 500x giftiger als Strychnin.

DDT

Polyvinylchlorid (PVC)

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 112 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Spektroskopie

optische Spektroskopie (Licht-Spektroskopie)

Infrarot-Spektrospkopie

Ultraviolett-Spektroskopie

Raman-Spektroskopie

Kernresonanz-Spektroskopie

Massen-Spektroskopie

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 113 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2. Sauerstoff-Derivate (organische Sauerstoff-Verbindungen)

Sauerstoff-Derivate enthalten im Molekül ein oder mehrere Atome Sauerstoff. Da Sauerstoff

zweibindig ist, kann es neben den üblichen Substitutionen von Wasserstoff auch Sauerstoff-

Brücken zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen geben. Dies erweitert die Möglichkeiten enorm.

Mit dem Sauerstoff im Molekül kann auch immer mit polaren Eigenschaften gerechnet werden,

da sich die Elektronegativität doch deutlich von denen der Cohlenstoff- bzw. Wasserstoff-Atome

abweicht. Die resultierenden Ladungen reichen – vor allem bei kleinen Molekülen

– zumeist dazu aus, dass der Stoff in Wasser oder anderen polaren Lösungsmitteln löslich

ist.

3.2.1. Alkanole (Alkohole)

Der Alkohol ist sicher einer der bekanntesten organischen Stoffe. Eigentlich sind die Alkohole

eine ganze Gruppe von Stoffen. Der von uns getrunkene Alkohol ist nur ein Vertreter aus

dieser Stoff-Klasse. Wegen der Verwechslungsgefahr mit vielen giftigen Vertretern sollte der

Begriff Alkohol nur für Ethanol (Trinkalkohol) verwendet werden.

Der Name Alkohol leitet sich aus dem arabischen al kuhül ab, was soviel wie "das Feinste"

bedeutet.

3.2.1.1. Bau und Struktur der Alkanole

Alkanole basieren auf einem Alkan-Grundgerüst. Mindestens einmal

ist ein Sauerstoff-Atom zwischen einem Cohlenstoff- und einem

Wasserstoff-Atom eingeschoben. Der Substituent an einem Cohlenstoff-Atom

wird als Hydroxyl-Gruppe bezeichnet.

Wie wir sehen werden, bestimmt diese Gruppe entscheidet über die

physikalischen und chemischen Eigenschaften.

R – O – H

Hydroxyl-Gruppe

Die Gruppe hat somit eine (besondere) Funktion für den Stoff bzw. die Stoffgruppe. Die

Chemiker sprechen bei solchen Atom-Gruppen von funktionellen Gruppen.

Praktisch kann man die Alkanole als Hydroxyl-Derivate der Kohlenwasserstoffe (bzw. Alkyl-

Derivat des Wassers) auffassen, je nachdem was man als den zentralen Teil betrachtet und

was als Substituenten.

Die Position der Hydroxyl-Gruppe kann über das gesamte Molekül verteilt sein. In den meisten

Fällen ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften. Wir müssen deshalb die Stellungs-

Isomere genau unterscheiden und namentlich exakt kennzeichnen. Betrachten wir zuerst

einmal die endständige Anordnung der Hydroxyl-Gruppe. In einem solchen Fall geben wir

die Position nicht extra an, da das endständige Cohlenstoff-Atom mit der Hydroxyl-Gruppe

die Positionsnummer 1 bekommt. Diese kann üblicherweise im Namen wegfallen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 114 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Anz.

C-A.

Name Summenformel

1 Methanol CH3OH H

|

H – C – O - H

|

H

2 Ethanol

(Äthanol, Trink-

Alkohol)

3 Propanol

(Propylalkohol)

4 Butanol

(Butylalkohol)

5 Pentanol

(Amylalkohol)

6 Hexanol

(Hexylalkohol)


16 Hexadekanol

(Cetylalkohol)


Strukturformel Verwendung

C2H5OH H H

| |

H – C – C - O - H

| |

H H

C3H7OH H H H

| | |

H – C – C – C - O - H

| | |

H H H

C4H9OH H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - OH

| | | |

H H H H

C5H11OH H H H H H

| | | | |

H – C – C – C – C – C - OH

| | | | |

H H H H H

C6H13OH H H H H H H

| | | | | |

H – C – C – C – C – C – C - OH

| | | | | |

H H H H H H

C16H33OH

Exakterweise müsste man aber immer n- vor den Namen mit angeben, um zu kennzeichnen,

dass es sich um eine lineare (native, normale, von: neo) Struktur handelt. Aus der Tabelle

können wir sehen, dass die linearen Alkanole zumindestens von der Struktur her eine

homologe Reihe bilden.

Verzweigte Alkanole bilden weitere homologe

Reihen, die aber schwerer systematisch

zu erfassen sind.

Ist an dem C-Atom (rot), an dem die

Hydroxyl-Gruppe gebunden ist (maximal)

noch ein weiteres C-Atom (blau)

gebunden, dann nennen wir solche Alkanole

primäre Alkohole (Alkanole).

Sind dagegen zwei weitere Cohlenstoff-

Atome an diesem C-Atom gebunden,

dann handelt es sich um einen sekundären

Alkohol (Alkanol). Dies ist schon

immer Fall, wenn die Hydroxyl-Gruppe

im zentralen Teil der Cohlenstoff-Kette

des Alkan-Körpers gebunden ist.

Von einem tertiären Alkohol (Alkanol)

spricht man, wenn alle (drei) restlichen

Bindungen zu einem C-Atom gehen.

Alkohol

primärer

Butan-1-ol

(n-Butanol,

Butanol-1)

sekundärer

Butan-2-ol

(Butanol-2)

tertiärer

2-Methylpropan-2-ol(2-Methylpropanol-2)

H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - OH

| | | |

H H H H

H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - H

| | | |

H H OH H

H H H

\|/

H C H

\ | /

H – C – C – C – H

/ | \

H OH H

Die Namensgebung primär, sekundär und tertiär leitet sich aus der Anzahl der Nicht-Wasserstoff-Nachbarn

(blau) des Hydroxyl-Gruppe-tragenden Cohlenstoff-Atoms (rot) ab.

Für die einfachen Alkanole ergibt sich die allgemeine Formel CnH2n+1OH mit n = 1, 2, 3, ….

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 115 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die Zahl isomerer Verbindungen steigt – wie üblich – mit der Anzahl der C-Atome. Dabei

sind nicht nur die verschiedenen Stellungen der OH-Gruppe zu beachten, sondern auch

noch die verschiedenen linearen oder verschweigen Cohlenstoff-Gerüste. Auch wenn man

es vielleicht nicht erwartet, beide Abwandlungs-Möglichkeiten beeinflussen sehr stark die

Stoff-Eigenschaften. Am Beispiel der Schmelz- und Siede-Punkte wollen wir das hier kurz

aufzeigen:

Stoff Fp. Kp.

[°C] [°C]

1-Propanol -126 97

2-Propanol -90 82

Stoff Fp.

[°C]

1-Butanol -80 117

2-Butanol -114 99 1,2,3-Propantriol (Glycerol)

2-Methyl-1-propanol -108 108

2-Methyl-2-propanol 24 83

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 116 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

Kp.

[°C]


3.2.1.2. Herstellung der Alkanole

Die Herstellung von Methanol ist seit dem 17.Jhd. als trockne Destillation von Holz bekannt.

Dabei geht der sogenannte Holzgeist – eben das Methanol – über. In der Synthese-Chemie

nutzt man Synthese-Gas als Ausgangsstoff für eine großvolumige Methonal-Produktion.

Synthese-Gas enthält Cohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Gas wird über einen Katalysator

geleitet:

Kat.

CO + H2 CH3-OH

Bis auf Methanol lassen sich Alkanole direkt aus Alkenen gewinnen. Durch katalytische Addition

von Wasser bilden sich verschiedene Alkohole, die dann u.U. noch getrennt (gereinigt)

werden müssen.

Im einfachsten Fall nutzt man Ethen zur Gewinnung von Ethanol.

Kat.

H2C = CH2 + H2O H3C – CH2-OH

Dieser technische Alkohol ist sachlich nicht von Trink-Alkohol zu unterscheiden, darf aber

aus rechtlichen Gründen nicht für den menschlichen Verzehr genutzt werdden. Technischer

Alkohol wird deshalb in den allermeisten Fällen vergällt. D.h. im wird ein Stoff (meist Benzin,

Campher, …) zugesetzt, der den Alkohol ungenießbar macht und sich nicht so einfach oder

gar nicht abtrennen lässt. Vergällter Alkohol muß dann auch nicht extra versteuert werden

und ist z.B. als Spiritus billig zu haben.

Den Spezialfall "Ethanol für menschliche (Trink-)Zwecke" betrachten wir direkt bei der Behandlung von Ethanol

als Stoff ( 3.2.1.4.1.1. Ethanol).

Ab drei Cohlenstoff-Atomen ergeben sich verschiedene Möglichkeiten bei der Stellung der

gebildeten OH-Gruppe.

Kat.

H3C – CH = CH2 + H2O H3C – CH2 – CH2OH

Propen primäres Alkanol: n-Propanol

Kat.

H3C – CH = CH2 + H2O (H3C –)2 CHOH

Propen sekundäres Alkanol: iso-Propanol (Propan-2-ol)

Bei der Reaktion treten also immer isomere Reaktions-Produkte auf, die dann noch getrennt

oder gereinigt werden müssen.

Langkettige Alkohole werden entweder aus Fetten gewonnen oder durch die Oxosynthese

(auch: Hydroformulierung) erzeugt. Bei dieser werden entsprechend große Alkene mit Synthese-Gas

in Anwesenheit von Katalysatoren (Cobalt, Rhodium, …) zur Reaktion gebracht.

In einem ersten Schritt reagieren die Alkene mit Cohlenmonoxid:

Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH – CH2 – CHO

(lineares) Alkanal

Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH(CHO) – CH3

verzweigtes Alkanal

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 117 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Im nachfolgenden Schritt werden die Alkanale mit Wasserstoff reduziert:

Kat.

R – CH – CH2 – CHO + H2 R – CH – CH2 – CH2OH

primäres Alkanol

Kat.

R – CH(CHO) – CH3 + H2 R – CH(CH2OH) – CH3

verzweigtes Alkanal sekundäres Alkanol

Die Reaktion muss zwar bei 120 – 300 °C und einem Druck von rund 150 bar geführt werden.

Trotzdem ist sie energetisch recht effektiv, da die Reaktionen exotherm sind und die

Abwärme zur Erwärmung der Ausgangstoffe genutzt wird.

3.2.1.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanole

Ähnlich wie bei Wasser-Molekülen bilden sich ausgehend von der Hydroxyl-Gruppe Wasserstoff-Brückenbindungen

zwischen den Molekülen aus. Da mit steigender Kettenlänge die

Abstände zwischen möglichen Partnern (Hydroxyl-Gruppen) immer größer werden, verringert

sich die Anzahl reel aufgebauter Brücken entsprechend. Schon hiermit haben wir gezeigt,

dass es sich bei den kettenförmigen Alkanolen um eine typische homologe Reihe

handelt.

Die homologe Reihe der Alkanole zeigt die üblichen Abstufungen und Tendenzen bei verschiedenen

Eigenschaften. Besonders die Siedetemperaturen zeigen ein schönes kontinuierliches

Bild. Der

T [°C] Alkane Fp

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200

Alkane Kp

Alkanole Fp

Alkanole Kp

homologe Reihen der Alkane und der Alkanole

1 2 3 4 5 6

C-Atome

noch umformulieren:

Die Schmelz- und Siedetemperaturen steigen kontinuierlich an – liegen aber wegen der

Wasserstoff-Brücken deutlich über der, vergleichbarer (gleichschwerer) Moleküle.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 118 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Q: de.wikipedia.org (Peter Krimbacher)

Entgegen ersten Erwartungen haben Alkanole eher höhere Siede-Punkte. Auch die

Schmelz-Temperaturen sind leicht über den ersten Vorauussagen gelegen. Besonders deutlich

wird dies bei den ersten Gliedern der homologen Reihe. Ursache für dieses Phänomen

sind die Sauerstoff-Atome. Sie depolarisieren vorrangig die Bindung zum Wasserstoff. Der

Sauerstoff ist in den Molekülen partiell negativ, das an ihnen anhängende Wasserstoff-Atom

ist dagegen partiell positiv geladen.

- + - +

H3C - CH2 - O - H H3C - CH2 - O ► H H3C - CH2 – O| H

partielle Ladungen aufgrund

der Elektronegativität

teilweise Verschiebung des

Bindungselektronenpaares

vollständige Verschiebung des

Bindungselektronenpaares

(Ionen-Bildung)

Die alkylischen Reste sind unpolar. Die unterschiedliche Verteilung der polaren Eigenschaften

sorgt nun dafür, dass sich die Moleküle so ausrichten, dass immer zusammengehörende

Molekül-Eigenschaften sich annähern. Die polaren Kräfte sorgen für sich schon für eine rund

10x stärke Anziehungskraft, als es die VAN-DER-WAALSschen Kräfte an den alkylischen

Resten können. Nun kommt aber noch ein weiterer Effekt dazu, der die Anziehungskräfte an

den Hydroxyl-Gruppen weiter verstärkt. Die Wasserstoff-Atome der Hydroxyl-Gruppe sind so

polar, dass sie auch von den negativ geladenen Sauerstoff-Atomen anderer – nahe liegender

– Moleküle angezogen werden. Die Anziehung kann so stark sein, dass das "fremde"

Sauerstoff-Atom dem "eigenen" das Wasserstoff-Atom (als Wasserstoff-Ion) entwendet.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 119 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Nun ist das eigene Molekül negativ und das andere Molekül positiv geladen. Beiden ziehen

nun noch stärker an, was wiederum die Rückgabe des "geliehenen" Wasserstoff's ermöglicht.

Beide Moleküle nutzen gewissermaßen das Wasserstoff-Atom (Wasserstoff-Ion) gemeinsam.

Das Wasserstoff-Ion bildet gewissermaßen eine Brücke zwischen zwei Molekülen.

Wir sprechen von einer Wasserstoff-Brücken-Bindung. Diese ist recht stark und ist z.B. auch

für eine Vielzahl von besonderen Eigenschaften bei Wasser verantwortlich.

Durch die Wasserstoff-Brücken-Bindung wird die Siedetemperatur nochmals erhöht, weil

nun nochmals mehr Energie für das Herausreißen eines Moleküls aus dem flüssigen Molekül-Verband

notwendig ist.

Die Alkanole bis C5 sind leichtgängige Flüssigkeiten. Mit steigender Kettenlänge werden sie

immer dickflüssiger. Ab C12 sind sie bei Zimmertemperatur fest und ab C16 von einer fettig

kristallinen Konsistenz (vergleichbar mit den Parafinen). Alkanole mit einer Cohlenstoff-Anzahl von 6 bis 22

werden wegen ihrer Zähflüssigkeit (aber auch wegen ihrer Herstellung aus Fettsäuren) als Fettalkohole bezeichnet.

Ähnlich ist die Namensgebung der Wachsalkohole auf die vergleichbare Konsistenz der Alkane (Wachse,

Parafine) zurückzuführen. Hier sind Alkanole mit C24 bis C36 gemeint.

Die Löslichkeit in Wasser nimmt mit steigender Moleküllänge. Die polarisierende Wirkung

der Hydroxylgruppe wird bezogen auf das Gesamt-Molekül immer geringer. Bei den niedermolekularen

Alkanolen (C1 – C3) werden die Moleküle fast lückenlos in die Wasser-Molekül-

Cluster eingebaut. Damit ergibt sich eine unbegrenzte Mischbarkeit des Alkanols mit Wasser.

Vor allem die kurzkettigen Alkanole sind gute Lösungsmittel für polare und unpolare Stoffe.

In der Praxis werden sie deshalb oft als Reinigungmittel verwendet. Z.B. sind Fester- oder

Glas-Reiniger zu einem großen Anteil aus Alkanolen zusammengesetzt.

Erhitzt man ein Wasser-Ethanol-Gemisch,

dann müssten sich die beiden Bestandteile

eigentlich durch Destillation voneinander

trennen lassen. Die einzelnen Siedetemperaturen

liegen rund 20 K auseinander. Seltsamerweise

passiert dies nicht. Wasser und

Alkanol bilden ein sogenanntes azeotropes

Gemisch (konstant siedendes Gemisch).

Egal von welchem Ausgangsgemisch man

ausgeht, man erhält am Ende immer ein

Gemisch von Ethanol (96 %) und Wasser (4

%), welches bei 78 °C siedet.

Somit ist auch die maximal eine Ethanol-Lösung mit 96 Vol%.

Ursache für die Bildung des azeotropen Gemisches sind die starken Wasserstoff-Brücken-

Bindungen und doch relativ dichte Lage der Siedepunkte der Einzelkomponenten zueinander.

Für die Herstellung (Absolutierung) von reinem Ethanol (100 %ig) ist z.B. die Trocknung

(Wasser-Entzug) mit Calciumoxid oder Calciumcarbid notwendig. Durch chemische Umsetzungen

binden die Trocknungstoffe das Wasser. Übrig bleibt fast reiner Ethanol (über 99

%).

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 120 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Großtechnisch nutzt man einen anderen Trick. Durch Zusatz eines dritten Stoffes (ein sogenanntes Schleppmittel)

erhält man ein ternäres Gemisch (drei Bestandteile). Der dritte Stoff wird so ausgewählt, dass sich im Bereich

des azeotropen Siedepunktes eine Mischungslücke auftut. Dort mischt sich einer der beiden – eigentlich zu

trennenden – Stoffe nicht mit dem Schleppmittel. Meist geht an dem azeotropen Punkt ein Zweistoff-Gemisch

über, das dann aufgrund der Nichtmischbarkeit einfach getrennt werden kann. Dabei gewinnt man das Schleppmittel

zurück. Ein solches Verfahren nennt man in der technischen Chemie Azeotropretifikation.

Ein weiterer interessanter Effekt tritt ein, wenn man kurzkettige Alkanole und Wasser vermengt.

Mischt man z.B. reinen Ethanol mit reinem Wasser im Verhältnis 1 : 1, dann kommt

es zu einem Volumen-Verlust. Dieser liegt in unserem Beispiel bei rund 2 %.

Die Erklärung ist realtiv einfach. Bei

beiden Stoffen unterscheiden sich die

Teilchengrößen. Die kleineren Teilchen

(hier Wasser) können sich im

Gemisch gut in die Lücken zwischen

die großen Teilchen verteilen (verstecken).

Dadurch ergibt sich ein gerin-

geres Gesamt-Volumen. Zusätzlich

tritt bei Ethanol und Wasser noch ein

ähnlich gelagerter Effekt durch die

Vermehrung der Wasserstoff-

Brücken im Gemisch auf. Im Vergleich

zum reinen Ethanol können

sich mehr Brücken (zum Wasser) bil-

den.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 121 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

+


Wenn man die Hydroxyl-Gruppe betrachtet, dann könnte man annehmen, dass die Alkanole

basisch reagieren. Die OH-Gruppe wird aber beim Lösen im Wasser gar nicht frei. Ganz im

Gegenteil – Alkohole sind eher schwache Säuren.

C2H5OH + H2O C2H5O - + H3O +

So lässt sich auch die Reaktion von Alkoholen mit Natrium erklären. Natrium reagiert unter

Gasbildung realtiv langsam ab.

C2H5OH + Na C2H5O - + Na + + H2

Das gebildete Salz ist ein Alkoholat – so nennt man die Salze der Alkanole. In unserem Fall

wäre das Reaktionprodukt Natriumethanat.

Alkoholate reagieren mit Halogen-Kohlenwasserstoffen unter Abspaltung eines (anorganischen)

Salzes zu Ethern ( 3.2.4. Ether).

Die Alkanole verfügen – wie wir gesehen haben – durch die Hydroxyl-Gruppe über neue Eigenschaften.

Der Hydroxyl-Gruppe kommt also gewissermaßen eine Funktion zu. Sie beeinflußt

die ursprünglichen Eigenschaften der Alkane (reaktionsträg, nur in unpolaren Lösungsmitteln

löslich, …). Man spricht deshalb von einer funktionellen Gruppe. Die Hydroxyl-

Gruppe ist die funktionelle Gruppe der Alkanole.

Andere Eigenschaften scheinen unverändert. So sind auch die Alkanole brennbar. Viele Vertreter

– vor allem die kurzkettigen – sind gut brennbar.

C3H7OH + 4 ½ O2 3 CO2 + 4 H2O ;RH = - kJ / mol

Neben der vollständigen Oxidation (Verbrennung) ist auch eine teilweise Oxidation (z.B. mit

Metalloxide) möglich:

R – CH2 – OH + CuO R – CHO + Cu + H2O

prim. Alkohol Cupfer(II)-oxid Alkanal

Verwendet man primäre Alkohole so erhält man erhält man sogenannte Alkanale ( 3.2.2.

Alkanale (Aldehyde)) – eine weitere Gruppe der Sauerstoffderivate von Alkanen. Bei weite-


er bzw. stärkerer Oxidation können auch Alkansäuren ( 3.2.3. Alkansäuren (Carbonsäuren))

entstehen.

Als Oxidationsmittel lassen sich z.B. auch Kaliumdichromat oder Kaliumpermanganat verwenden:

3 C3H7OH + K2Cr2O7 + 8 H + C2H5CHO + 2 Cr 3+ + 2 K + + 7 H2O

Kaliumdichromat Propanal

C2H5OH + KMnO4 + H + CH3CHO +

Kaliumpermanganat Ethanal

Hierbei entstehen Alkanale (Aldehyde, 3.2.2. Alkanale (Aldehyde)). Gearbeit wird meist

bei schwefelsauren Bedingungen. Es reicht also schon eine relativ schwache Säure aus, um

genügend Protonen für die Oxidation bereitzustellen.

Ist der Ausgangsstoff ein sekundärer Alkohol, dann bilden sich Ketone ( 3.2.5. Ketone).

CH3-HCOH-CH3 + K2Cr2O7 + CH3-CO-CH3 +

Tertiäre Alkohole reagieren unter den genannten einfachen oxidierenden Bedingungen nicht.

Bei ihnen ist nur die vollständige (zerstörende) Oxidation zu Cohlendioxid und Wasser möglich.

Die teilweise Oxidation von Ethanol an farbigen anorganischen Substanzen nutzt man für die

Anwendung als Atemalkohol-Teströhrchen.

3 C2H5OH + K2Cr2O7 + 4 H2SO4 3 CH3CHO + Cr2(SO4)3 + 7 H2O + K2SO4

(gelb) (grün)

Je länger die grüne Säule ist, umso mehr Alkohol war in der Ausatemluft. Als Maß wird eine

bestimmte Luftmenge verwendet (aufzublasender Luftsack). Heute werden zur Atem-

Alkehol-Probe immer mehr elektronische Geräte verwendet. Sie sind mit speziellen Sensoren

ausgestattet sind.

Setzt man erhitzten Alkanolen konzentrierte Schwefelsäure (als wasserentziehenden Stoff

(im gewissen Sinne eine Trocknung)), dann bilden sich verschiedene Stoffe. Betrachten wir

beispielhaft das Ethanol. Bei Temperaturen bis 140 °C entsteht zuerst einmal ein sogenannter

Ester ( 3.2.6. Ester).

< 140 °C

CH3-CH2OH + H2SO4 CH3-CH2-SO3H + H2O

Schwefelsäureethylester

Die Reaktionen, bei denen eine Säure mit einem Alkohol unter Bildung eines Esters reagiert,

heißen auch Veresterung. Praktisch handelt es sich auch um eine Substitution. Im konkreten

Fall wird aus dem Ethanol die Hydroxyl-Gruppe durch den Säure-Rest der Schwefelsäure

ausgetauscht. Wer will kann das Ganze aber auch der Sicht der OH-Gruppe sehen. Dann wird eben der Alkyl-Rest

gegen ein Proton von der Schwefelsäure ausgetauscht. Der völlig offene Chemiker sieht hier auch eine

Säure-Base-Reaktion, bei der die schwache Säure Ethanol – die hier als Base fungiert – mit der starken Säure

Schwefelsäure "neutralisiert" wird. Zumindestens sind Protonen-Abgabe (bei der Schwefelsäure) und Protonen-

Aufnahme (beim Alkohol, mit anschließender Abspaltung von Wasser) gut nachzuvollziehen.

Man könnte die Reaktion aber auch als Kondensations-Reaktionen charakterisieren, da bei

dieser Art der Substitutions-Reaktion ein kleines Molekül – hier Wasser – abgespalten wird.

Bei ungefähr 140 °C kommt es vorrangig zu einer anderen Kondensations-Reaktion. Ethanol

reagiert dabei mit sich selbst unter Bildung eines Ethers ( 3.2.4. Ether).

c H2SO4, 140 °C

2 CH3-CH2OH CH3–CH2 – O – CH2–CH3 + H2O

Diethylether

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 122 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Ether sind durch die typische Sauerstoff-Brücke zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen gekennzeichnet.

Verwendet man noch höhere Temperaturen (um 170 °C), dann kommt es zur Eliminierung

von Wasser aus dem Alkohol:

c H2SO4, 170 °C

CH3-CH2OH CH2=CH2 + H2O

Das Gleiche kann man auch bei anderen Alkoholen durch starkes Erhitzen erreichen:

c H2SO4, 200 – 300 °C

CH3-CHOH-CH3 CH3-CH=CH2 + H2O

Die Reaktion nennt sich allgemein Dehydatisierung, da Wasser (hydrat) entfernt (De-) / abgespalten

wird. Dehydratisierungen sind ein Spezialfall der Eliminierungen.

Zur Bestimmung, um welchen Substitutions–

Grad es sich bei einem Alkohol handelt, verwendet

man den LUCAS-Test. Hierbei wird die

Probe mit LUCAS-Lösung (Zinkchlorid in konzentrieter

Salzsäure) versetzt. Tertiäre Alkohole reagieren

bei Zimmer-Temperatur umgehend, während

sekundäre Alkohole erst nach rund 5 min

umgesetzt werden. Um primäre Alkohole reagieren

zu lassen, ist immer ein Erwärmen notwendig.

ZnCl2;

R–OH + HCl R–Cl + H2O

negativ und positiv verlaufener LUCAS-Test

Q: de.wikipedia.org (Talos & Andel)

Der Test lässt sich allerdings nur für Alkohole mit bis maximal 6 C-Atome benutzen, da eine Lösung der Probe in

der LUCAS-Lösung notwendig ist. Außerdem reagieren z.B. Benzyl- und Allyl-Alkohol sofort mit der LUCAS-

Reagenz. Beim Allylalkohol kann man desweiteren keine Trübung beobachten.

Aufgaben:

1. Stellen Sie für die nachfolgenden Reaktionen die chemischen Gleichungen

auf!

a) Reaktion von n-Propanol mit Natrium

b) vollständige Verbrennung von Ethanol

c) Bildung von Natriumbutanat

2. Vergleichen Sie die Hydroxyl-Gruppe mit dem Hydroxid-Ion!

3. Vermischen Sie 100 ml Seesand oder Senfkörner mit 100 ml Pfefferkörner

oder Wachaolderbeeren! Messen Sie das gebildete Volumen exakt aus! Wie

lässt sich die Beobachtung erklären?

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 123 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Oxidation von Ethanol mit Cupferoxid (Reinigung von Cupfer)

Hinweise:

Spiritus ist brennbar! Deshalb einen sicheren Abstand zwischen Wärme-Quelle zum Erhitzen

des Cupfer und dem

Materialien / Geräte:

oxidiertes (dunkelbraunes) Stück Cupfer (CuO); Becherglas od.ä., in welches das Stück

Cupfer passt; Ethanol (z.B. Spiritus); Wärme-Quelle (möglichst keine offene Flamme!)

Durchführung / Ablauf:

- Becherglas mit Spiritus füllen

- das Stück Cupfer erhitzen und dann in den Spiritus eintauchen

- ev. Prozedur mehrfach wiederholen

alternativ:

- Cupferstück mindestens ein paar Tage in Spiritus legen (Gefäß abdecken, damit nicht unnötig

viel Ethanol verdunstet)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 124 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.1.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanole

3.2.1.4.1. einwertige Alkanole

3.2.1.4.1.1. Ethanol

Ältere Namen für diese Substanz sind Weingeist, Äthylalkohol,

Ethylalkohol, Trinkalkohol. Alle sind mehr oder weniger

gebräuchlich. Im Bereich der Chemie sollte man

wegen der Eindeutigkeit bei Ethanol bleiben. Gerne wird

die Abkürzung Etol (Et … Ethyl-Rest) genutzt. In der Medizin

spricht man auch von C2.

Aus menschlicher und biologischer Sicht ist Ethanol der

bedeutsamste einwertige Alkanol.

Q: commons.wikimedia.org (Benjahbmm27)

Die Herstellung kann auf biologischen oder technischen Weg erfolgen. Die Herstelungsart

entscheidet auch über die mögliche weitere Verwendung.Die technische Darstellung erfolgt

z.B. aus Ethen durch katalytische Wasser-Anlagerung (s.a. 3.2.1.2. Herstellung der Alkanole):

Kat.

C2H4 + H2O C2H5OH

Für Trinkzwecke ist nur natürlich entstandener Alkohol zulässig. Der Herstellungsweg ist die

alkoholische Gärung. Neben Hefe-Pilzen können viele andere – vor allem anaerob (ohne

Sauerstoff) lebende Einzeller – die alkoholische Gärung durchführen. Sie benötigen dafür

einige bestimmte Enzyme.

Enzyme

C6H12O6 C2H5OH + 2 CO2 ; RH = - 104 kJ / mol

Praktisch steckt der Prozess der Glycolyse (diesen Prozess können alle Zellen) dahinter, der

durch spezielle Reaktionen abgeschlossen wird. Diese sind zur Entsorgung des Endprodukts

der Glycolyse – der Brenztraubensäure (BTS 3.2.3.3.3. Derivate der Alkansäuren) –

notwendig.

Hefen geben den produzierten Ethanol in die Umgebung ab (Gärballon). Mit steigendem Alkoholgehalt

vergiften sich die Hefen selbt und sterben ab. Normalerweise hört die Gärung

bei 12 – 14 % Ethanol auf ( Wein). Selten können speziele Hefen (z.B. Dessert-

Weinhefen) bis 18 % Ethanol-Gehalt erreichen.

Höhere Alkohol-Konzentrationen werden durch Destillation (Brennen) erreicht ( Weinbrand).

Hierbei ist besondere Vorsicht walten zu lassen, da z.B. das giftige Methanol zuerst

übergeht.

Brennspiritus ist meist technischer Alkohol. Wegen der Besteuerung von Trinkalkohol wird

technischem Alkohol Vergällungsmittel zugesetzt, um ihn ungenießbar zu machen. Typische

Vergällungsmittel sind Campher, Benzin, Petrolether oder Pyridin. Diese Stoffe lassen sich

nicht durch Destillation abtrennen, da sie einen ähnlichen Siedpunkt haben, wie der Alkohol.

Ethanol brennt mit heißer, bläulicher Flamme. Die wasserhelle (klarere) Flüssgkeit hat einen

beißenden Geschmack. Ethanol ist ein Nervengift. Die Giftigkeit (LD50 (letale Dosis für 50 % der

Menschen)) liegt bei mg/kg (Körpergewicht). Als Orientierung werden auch die folgenden Werte

(alles LD50-Werte) gegeben. Die Aufnahme von 260 ml 100 %igem bzw. 650 ml 40 %igem

Ethanol ist tödlich. Für Kinder liegt der die tödliche Dosis bei 40 %igem Alkohol schon bei

100 – 200 ml. 3 ‰ (Promille, 1/1000, 1 ‰ = 0,1 %) bedeuten i.A. Lebensgefahr. Neben einem

Kreislaufzusammenbruch kommt es bei höheren Konzentrationen in Blut zum Aussetzen

des Kleinhirns. Zu beachten ist bei diesen Werten, dass bei einer Gewöhnung die Zahlen

weit nach oben steigen können. Besonders gefährlich sind Kombinationen mit anderen

Stoffen (z.B. Medikamenten, Drogen, …). Selbst ist Ethanol eigentlich weitgehend ungefähr-

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 125 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


lich. In den Zellen wird es aber weiter abgebaut. Das Zwischenprodukt (Ethanal 3.2.2.3.

wichtige Vertreter der Alkanale) ist dagegen sehr giftig. In einem weiteren Oxidationsschritt

wird aus dem Ethanal dann Essigsäure (Ethansäure; 3.2.3.3.1. einwertige Alkansäuren).

Die Essigsäure wird als coenzymgebundene Substanz (Acetyl-Coenzym A, AcCoA) in den

Citronensäure-Cyclus eingeschleust und dann in Energie (ATP) umgesetzt. Aus physiologischer

Sicht steckt recht viel Energie im Alkohol, was wohl auch seinen wärmenden Effekt

erklärt.

Besonders gefährlich ist Ethanol durch seine Wirkung auf das Lust- und Befriedigungs-

Zentrum in unserem Gehirn. Es kommt zu Veränderungen in den Stoffwechsel-Vorgängen.

Dieser wird auf den Abbau von Ethanol spezialisiert. Als kleines Molekül wird es sehr schnell

resorbiert. Desweiteren kommt es zu einer Desensibilisierung des Organismus. Es müssen

immer größere Mengen aufgenommen werden, um einen vergleichbaren Effekt zu erreichen.

Insgesamt ergibt sich ein großes Suchtpotential für Ethanol.

Im Lebensmittelbereich ist Ethanol ein beliebter Nahrungsbestandteil. Durch seine Lösungseigenschaften

ist er ein idealer Geschmacksträger. Dazu kommen mazerierende Effekte

beim Einwirken auf Obst und Fleisch.

Bei anderen Lebensmitteln bzw. in der Produktion werden auch die desinfizierenden und

konservierenden Eigenschaften ausgenutzt.

Alkohol findet man selbst in unscheinbaren und als Baby-freundlich eingestuften Nahrungsmitteln.

So enthalten reife Bananen bis zu 1 % Ethanol. Ob Baby's deshalb so gerne Bananen

essen? Aber auch in Brot, Kuchen, Sauerkraut, Riegeln und vielen Säften findet man bis

zu 0,5 % Ethanol.

Aufgaben:

1.

3.2.1.4.1.2. Methanol

Ursprünglich wurde der Stoff Holzgeist genannt (Bildung bei

der trocknen Destillation von Holz). Der ältere Name Methyalkohol

sollte nicht verwendet werden, da er für Unwissende

trügerisch ist. Besser und sicherer ist die Verwendung des

Namens Methanol. Der Begriff Alkohol sollte nur für den

echten Trink-Alkohol (Ethanol) benutzt werden. Wenig verwendlich

ist der alte Name Carbinol.

Methanol ist wasserhell, aromatisch riechend, brennbar

und geschmacklich nicht vom Ethanol zu unterscheiden

Q: commons.wikimedia.org (Benjahbmm27)

Er siedet vor Ethanol (64,5 °C; geht also auch bei Destillation mit über). Methanol ist ein

sehr giftiger Stoff. Seine Wirkung ist weniger berauschend. Schon geringe Mengen (8 – 10

g) können zu dauernder Blindheit führen. Dazu kommen Gehirn- und diverse Organschäden.

20 ml Methanol sind für einen 75 kg schweren Menschen tödlich (zum Vergleich 60 ml Ethanol

würde gerade 1 ‰ Blutalkohol bedeuten dies ist noch rel. ungefährlich)

eingeatmet führen 10 – 100 g leicht zu Bewusstlosigkeit,

auch Resorption über die Haut möglich

Methanol entsteht bei Gärprozessen z.B. aus enthaltenen Pektinen. Zur Reinigung werden

deshalb die meisten Gärprodukte rektifiziert (destilliert). Zu Anfang und bei Siedetemperaturen

unter 78 °C geht vor allem das Methonal ins Destillat über. Diese Vorlage wird dann unbedingt

verworfen!

Erste Hilfe / Gegenmittel: Magenspülung mit Natron (Natriumhydrogencarbonat), Gabe von

Kohle und Karlsbader Salz (GLAUBER-Salz, Natriumsulfat), Anregungsmittel Kaffee, Wärme

und Sauerstoff zur Aktivierung des Stoffwechsels

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 126 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.1.4.1.3. Amylalkohole

verschiedene Pentanole; entstehen bei der alkoholischen Gärung als Nebenprodukte durch

Vergärung von Aminosäuren, Peptiden und Eiweißstoffen

auch Fuselöle genannt, vor allem in billigem und selbst gebranntem Alkohol, unangenehmer

Geruch, reizen die oberen Verdauungsorgane (Mundhöhle, Rachen), sind giftig, verursachen

Kopfschmerzen und Übelkeit "Fusel"

im Labor bei der Milchfett-Bestimmung verwendet

3.2.1.4.1.3. Phenol

eigenartig riechend (wie Krankenhaus)

wenig wasserlöslich, wässrige Lösung schwach sauer

Carbolsäure

Q: www.3dchem.com

Wasserstoff der Hydroxyl-Gruppe leichter abspaltbar als bei Ethanol einfachere Alkoholat-Bildung

z.B. mit Natrium

Salze heißen Phenolate

Wasserstoff-Atome am Phenol lassen sich leichter substituieren als beim Benzen diverse

Derivate (Pentachlorphenol (PCP) 3.2.7. substituierte Aromaten mit Sauerstoff im Substituenten;

Pikrinsäure (2,3,6-Trinitrophenol) )

ebenfalls zwei- und dreiwertige Phenole bekannt, lösen sich gut in Wasser

Derivate des Phenols finden als Ätzmittel, Pflanzenschutzmittel (Lindan, DNOC, …), Fungizide

(PCB's), Kühlmittel, Hydrauliköle (PBB's) usw. Verwendung; allgemein alle giftig, vielfach

auch cancerogen, bei (einfacher) Verbrennung entstehen hochgiftige Dioxine und

Furane

3.2.1.4.1.4. Vitamin A

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 127 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Vitamin A

Cholesterol

Propofol

Cerylalkohol und Myricylalkohol

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

C26H53OH bzw. C30H61OH

im Bienenwachs enthalten, für den angenehmen bzw. typischen Geruch verantwortlich

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 128 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.1.4.2. wichtige mehrwertige Alkanole

stabiler ist die vicinale Stellung der Hydroxyl-Gruppen (direkt nebeneinander)

theoretisch möglich auch geminale Stellung (zwei Hydroxyl-Gruppen an einem C-Atom)

nach ERLENMEYER-Regel ist diese Stellung nur selten existenzfähig (reagiert weiter

3.2.1.4.2.1. Ethandiol (Glycol) und Diethylenglycol (Diglycol)

einfachster mehrwertiger Alkohol

dickflüssig, süßlicher Geschmack, giftig

Glycol (Monoglykol, Ethylenglycol, EG, …); Frostschutzmittel

im Kühlwasser

namentlich bekanntgeworden durch den Glycol-Skandal,

gemeint war aber Diglycol (Diethylenglycol, Dihydroxydiethylether,

…) vor allem östereichische Weinbauern (Winzer) haben

den Wein bzw. Wein-Konzentrate wegen fehlender Süße

mit Diglycol gestreckt, Gemacks-verbessernder Effekt (süsslich

und auch andere Geschmackstoffe betonend), keine Beeinflussung

der Zuckermessungen, so dass ein ungespritzter

Wein (ohne den verbotenen Zuckerzusatz) vorgetäuscht wird

eigentlich auch Frostschutzmittel; farblos, geruchlos,

Q: de.wikipedia.org (NEUROtiker)

Q: de.wikipedia.org (Yikrazuul)

3.2.1.4.2.2. 1,2,3-Propantriol (Propan-1,2,3-triol, Glycerol, Glycerin, Glyzerin)

früher auch Propit, Ölsüß

Q: commons.wikimedia.org (Benjah-bmm27)

Q: commons.wikimedia.org (Einrotsch)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 129 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Frostschutzmittel (Glysantin (60 %ig wässrige Lösung von Glycerol: Frostschutz bis -40 °C))

3.2.1.4.2.3. Pentite und Hexite

fünf- bzw. sechswertige Alkohole, Verstufen der Kohlenhydrate (eine Hydroxyl-Gruppe dann

oxidiert zu Aldehyd- bzw. Keto-Gruppe)

Sorbit

Zuckerersatzstoff für Diabetiker (Diabetikersüße)

Aufgaben:

für die gehobene Anspruchsebene:

?. in der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene Stoffe mit ihren Molekulargewichten

sowie den Schmelz- und Siedepunkten zusammengestellt. Die

Stoffe wurden absichtlich in Gruppen mit relativ ähnlichen Molekulargewichten

zusammengefasst.

Wie erklären Sie sich die doch stark abweichenden Schmelz- bzw. Siedetemperaturen

in den Molekulargewichts-Gruppen? Stellen Sie eine ausführlich

begründete Hypothese auf!

Stoff Formel / Struktur Molekulargewicht

[g/mol]

Schmelztemperatur

[°C]

Siedetemperatur

[°C]

Methan CH4 16 -161

Wasser H2O 18 0 100

Ethan C2H6 30 -89

Methanol CH3OH 32 65

Ethanol C2H5OH 46 78

Dimethylether CH3-O-CH3 46 -24

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 130 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.2. Alkanale (Aldehyde)

Alkanale bzw. Aldehyde sind Oxidationsprodukte der Alkanole. In der Natur finden wir Alkanale

vorrangig als Aroma- und Duftstoffe. Sie kommen dort zwar nur in geringen Mengen

vor, sind aber für viele natürliche Aromen charakteristisch. Von der Menge und Wirkung

kennen wir das Ethanal (Acetaldehyd) bestimmt am Besten. Es entsteht beim (oxidativen) Abbau

von Trink-Alkohol (Ethanol) in unserem Körper. Das Ethanal ist auch der eigentlich gefährliche

Stoff mit einer recht starken Gift-Wirkung. Auch die typische Alkohol-Fahne ist vorrang

vom Ethanal geprägt.

Der Name Aldehyd leitet sich von dem lateinischen Ausdruck alcoholus dehydrogenatus ab.

Dies heißt so viel wie: dehydrierter Alkohol, oder mit anderen Worten, es ist Alkohol, dem

Wasserstoff entzogen worden ist. Bei der Beschreibung der Herstellung werden wir sehen,

dass sowohl der Ansatz des dehydrierten, wie auch des oxidierten Alkohols seine Berechtigung

hat.

3.2.2.1. Bau und Struktur der Alkanale

Die charakteristische Baugruppe (funktionelle Gruppe) der Alkanale

ist die Carbonyl-Gruppe. Sie besteht aus einem Cohlenstoff-Atom

mit einem doppelt gebundenen Sauerstoff-Atom. Im

Falle der Alkanale ist die letzte (4.) Bindung mit einem Wasserstoff-Atom

belegt (Aldehyd-Gruppe, Formyl-Gruppe). Bei den recht

ähnlichen Ketonen ( 3.2.5. Ketone) ist an der vierten Bindung

ein weiteres C-Atom gebunden. Eine endständige Carbonyl-

Gruppe führt also immer zu den Alkanalen.

Diese funktionelle Gruppe kann natürlich – im Falle eines verzweigten

Grundkörpers – auch relativ gesehen in der Mitte liegen.

Carbonyl-Gruppen im Inneren der Cohlenstoff-Ketten führen

immer zur Stoffgruppe der Ketone.

Die Alkanale bilden als Derivate der Alkane eine homologe Reihe.

In dieser ist das Methanal mit zwei Wasserstoff-Atomen an

der Carbonyl-Gruppe mit einer Sonderstellung versehen.

Das Cohlenstoff-Atom ist in der Carbonal-Gruppe sp 2 -

hybridisiert. Je ein Orbital wird von den drei angebundenen

Atomen genutzt (-Bindungen). Dadurch ergibt sich eine Ausrichtung

der Atome in einer Ebene. Der Bindungs-Winkel liegt

bei °. Das nicht hybridisierte p-Orbital bildet mit dem Sauerstoff

eine -Bindung (zweite Bindung der Doppel-Bindung).

Die Bindungslänge bei einer C-O-Doppelbindung ist mit 122 pm (= 1,22 Å) als

bei einer C-C-Doppelbindung (134 pm) und kleiner (19 pm) als die C-O-

Einfachbindung mit ihren 141 pm z.B. in Alkanolen.

O

//

R - C

\

H

Carbonyl-Gruppe

in einem Alkanal

O

//

R - C

\

H

O

//

R1 - C

\

Aldehyd-Gruppe

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 131 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

R2

Carbonyl-Gruppe

in einem Keton


Anzahl Name Summen-

C-Atome

formel

1 Methanal

(Formaldehyd)

2 Ethanal

(Acetaldehyd)

3 Propanal

(Propylaldehyd,Propionaldehyd)

4 Butanal

(n-

Butyraldehyd)

5 Pentanal

(Amylaldehyd,

n-Pentaldehyd,

n-Valeraldehyd)

6 Hexanal

(n-Hexaldehyd,Capronaldehyd)


HCHO O

//

H – C

\

H

Strukturformel Verwendung

C2H5CHO H O

| //

H – C – C

| \

H H

C3H7CHO H H O

| | //

H – C – C – C

| | \

H H H

C4H9CHO H H H O

| | | //

H – C – C – C – C

| | | \

C5H11CHO

C6H13CHO

3.2.2.2. Herstellung der Alkanale

H H H H

H H H H O

| | | | //

H – C – C – C – C – C

| | | | \

H H H H H

H H H H H O

| | | | | //

H – C – C – C – C – C – C

| | | | | \

H H H H H H

chemischer Grundstoff

(Amino- und

Pheno-Plaste); Desinfektions-Mittel

Die Herstellung eines Alkanals kann durch Dehydrierung – also dem Entzug von Wasserstoff

– erfolgen.

Kat.: Pt

C2H5OH CH3CHO + H2

Praktisch ist dies eine Redox-Reaktion. Dies wird auch deutlich, wenn man an den einfachen

Struktur-Formeln die Oxidationszahlen notiert.

+1 -3 -2 +1 -2 +1 +1 -3 +1 +1 -2 0

H3C – CH2 – OH H3C – C H O + H2

Langkettige Alkohole werden entweder aus Fetten gewonnen oder durch die Oxosynthese

(auch: Hydroformulierung) erzeugt. Bei dieser werden entsprechend große Alkene mit Synthese-Gas

in Anwesenheit von Katalysatoren (Cobalt, Rhodium, …) zur Reaktion gebracht.

In einem ersten Schritt reagieren die Alkene mit Cohlenmonoxid:

Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH – CH2 – CHO

(lineares) Alkanal

Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH(CHO) – CH3

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 132 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


verzweigtes Alkanal

Die Herstellung von Methanal erfolgt großtechnisch durch die Oxidation von Methanol an

Silber- oder speziellen Metalloxid-Katalysatoren.

Kat.

CH3OH + ½ O2 CH3CHO

Prinzipiell lassen sich natürlich auch alle anderen Alkanale herstellen. Voraussetzung sind

natürlich primäre Alkohole als Ausgangsstoffe.

3.2.2.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanale

Im Vergleich zur C-C-Doppelbindung ist die C-O-Doppelbindung polar. Dies macht auch ihre

hohe Reaktivität aus. Die Polarität und die damit verbundenen höheren zwischenmolekularen

Kräfte sind die Ursache für höhere Siede-Temperaturen (im Vergleich zu den Alkanen

mit vergleichbarer Kettenlänge und Molekül-Oberfläche). Bezüglich ähnlicher Alkanole haben Alkanale

aber kleinere Siedepunkte. Dieses liegt an den fehlenden Wasserstoff-Brücken-Bindungen.

Alkanale besitzen keine polarisierten Wasserstoff-Atome, die an benachtbare Moleküle ausgeliehen

oder von diesen geliehen werden könnten. Die Schmelz-Temperaturen sind ebenfalls

niedriger, als die vergleichbarer Alkanole.

Mit anderen Stoffen, welche polarisierbare Wasserstoff-Atome besitzen, kann die Carbonyl-

Gruppe dann aber doch Wasserstoff-Brücken-Bindungen aufbauen. Ein solcher Stoff ist z.B.

Wasser. Kurzkettige Alkanale lösen sich deshalb auch besonders gut in Wasser.

Allgemein werden Alkanale als recht Reaktions-freudig eingestuft. Natürlich nimmt auch hier

innerhalb der homologen Reihe die Reaktions-Freudigkeit stark ab.

Eine sehr ausgeprägte Reaktion ist hier – bedingt durch die C-O-Doppelbindung – die Addition.

Dabei kommt es zur Auflösung der Doppelbindung am Sauerstoff und Bildung z.B. von

Alkoholen od.ä. Verbindungen (z.B. Ether ( 3.2.4. Ether)).

In der Chemie der Nährstoffe finden wir sehr häufig eine spezielle Variante der Addition. Bei

den Kohlenhydraten reagieren die Carbonyl-Gruppe inter- oder intra-molekular mit den reichlich

vorhandenen Hydroxyl-Gruppen. Das Ganze läuft als nucleophile Addition ab. Mittels

zusätzlicher Protonen wird die Reaktion gefördert:

H

/

R – C

\\

O

+

H +

H

/

R – C

\\

O – H


Nach der Protenierung bildet sich eine mesomere Struktur mit einer positiven Ladung entweder

am Carbonyl-Sauerstoff oder am Carbonyl-Cohlenstoff.

H

/

R – C

\\

O – H


H

/

R – C

\

O – H

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 133 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Die positive Ladung des Carbonyl-Colenstoffs ermöglicht nun den nucleophilen Angriff eines

Hydroxyl-Sauerstoff-Atoms. Dieses übernimmt die positive Ladung und bildet gleichzeitig

eine Sauerstoff-Brücke (Ether-Gruppe) zum Carbonyl-Cohlenstoff.

H

/

R – C

\

OH

+

O – R'

/

H

Am Schluß wird das katalytische Proton wieder abgespalten.

H

|

R – C – O – R'

| |

OH H

H

|

R – C – O – R'

| |

OH H

H

|

R – C – O – R'

|

OH

Übrig bleibt eine Struktur aus Ether- und Hydroxyl-Gruppe, die

man Halbacetal nennt.

Halbacetale sind weiterhin durch einen angenehmen Geruch und

"Geschmack" charakterisiert.

Fasst man die Gleichungen zusammen, dann wird der Reaktionstyp

"Addition" auch wirklich deutlich:

H

/

R – C

\\

O

+

O – R'

/

H

H

|

R – C – O – R'

|

OH

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 134 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

+

H +

H

|

R - C – O - R

|

OH

An der Reaktivität habt das Halbacetal wenig gegenüber dem Ausgangs-Alkanal verloren.

So kann es mit einer weiteren Hydroxyl-Gruppe zu einem Acetal (Vollacetal) reagieren:

H

|

R – C – O – R'

|

OH

+

H +

H

|

R – C – O – R'

||

O – H

/

H

Unter Abspaltung von Wasser bildet sich ein Carbenium-Ion, welches dann wieder von einem

Hydroxal-Sauerstoff-Atom (nucleophil) angegriffen werden kann.

H

|

R – C – O – R'

||

O – H

/

H

H

|

R – C – O – R'


+

O – R''

/

H

H

|

R – C – O – R'


H

|

R – C – O – R'

|

O

/ \

H R''

+

H2O


H

|

R – C – O – R'

|

O

/ \

H R''

H

|

R – C – O – R'

|

O

|

R''

Das (Voll-)Acetal ist nun durch zwei Ether-Strukturen (zwei Sauerstoff-Brücken)

gekennzeichnet.

Auch in diesem Fall können wir über die zusammengefasste chemische

Gleichung den Reaktionstyp gut erkennen. Es handelt sich

um eine typische Substitution. Es werden Atome bzw. Atom-

Gruppen ausgetauscht. je nach Sichtweise ist es z.B. die OH-

Gruppe des Halbacetals, die gegen den O-R-Rest eines Alkohols

getauscht wurde.

H

|

R – C – O – R'

|

OH

+

O – R''

/

H

H

|

R – C – O – R'

|

O

|

R''

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 135 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

+

H +

H

|

R - C – O - R

|

O

|

R

Acetale sind ebenfalls vielfach sehr charakteristisch und angenehm riechende Stoffe. Sie

bestimmen häufig die Basisnote von Frucht-Aromen.

Acetal- und Halbacetal-Bildungen finden wir später bei den Reaktionen der Monosaccharide

(Einfachzucker) bei deren Ringbildung. Hier findet die Halbacetal-Bildung intramolekuler

statt. Reagieren mehrere Monosaccharide untereinander, dann entstehen Vollacetale, die

wir noch als Oligo- und Poly-Saccharide kennenlernen werden.

Kurzkettige Alkanale neigen zur Autoaddition. Beim Formaldehyd (Methanal) führt dies zu

Polymeren mit bis zu 100 addierten Bausteinen (Monomeren). Das Produkt wird als Paraformaldehyd

(Paraform, p-Formaldehyd, Polyformaldehyd) bezeichnet. Der Polymerisationsgrad liegt

zwischen 8 und 100.

HCHO + HCHO H3C – O – CHO

H3C – O – CHO + HCHO H3C – O – CH2 – O – CHO

H3C – O – CH2 – O – CHO + HCHO H3C – O [– CH2 – O]2 – CHO

H3C – O [– CH2 – O]n – CHO + HCHO H3C – O [– CH2 – O]n+1 – CHO

Das Paraformaldehyd setzt sich z.B. in Formaldehyd-Lösungen ab, wenn diese lange Zeit

stehen gelassen werden. Praktisch handelt es sich um einen Poly-Ether.

Paraformaldehyd kann unter Zusatz von Methanol stabilisiert werden und findet in der präparativen

Cytologie Anwendung. Setzt man dagegen Wasser zu und erhitzt das Ganze, dann

wird das Paraformaldehyd wieder stufenweise (vom Ende her) abgebaut. Der Abbau lässt sich

chemisch durch eine Veresterung oder Veretherung verhindern. Dabei wird die andständige

Aldehyd-Gruppe blockiert bzw. chemisch gewandelt, so dass die "normale" endständige

Eleminierung eines Formaldehyd-Monomeres nicht mehr möglich ist. Das stabilisierte Paraformaldehyd

wird dann als Polyoxymethylen – einem Kunststoff – gehandelt.

Acetaldehyd (Ethanal) reagiert in Anwesenheit von Schwefelsäure zur cyclischen Ethern. Je

nach den Temperatur-Bedingungen bilden sich mehr Di-, Tri- oder Tetramere. Das tetramere

Acetaldehyd wird als Trockenbrennstoff (Trockenspiritus) und wegen seiner Giftigkeit

auch als Schnecken-Korn eingesetzt.

+

H2O


Trockenbrennstoffe auf Acetaldehyd-Basis enthalten meist auch noch höhere Oligomere –

allesamt cyclische Ether.

Kondensationsreaktion von Aldehyd mit Alkohol; führt zu Kunststoffe und Kunstharzen (Aldehyd

mit Phenol(en))

Polykondensation

Möglich sind bei Alkanalen auch Reduktionen (Redoxreaktionen). Dabei werden – zumindestens

in der ersten Stufe – Alkohole gebildet:

R – CHO + R – CH2-OH +

teilweise Oxidation zur Säure

+1 +1 -2 +3 -2 -2 +1

R – C H O + 2 OH - R – C O O H + H2O + 2 e - Oxidation

Als Reduktions-Mittel nimmt z.B. ein Cupfer-II-Ion die zwei Elektronen auf und wird zuerst

einmal zum gelben Cupferhydroxid oxidiert:

+2 +1

2 Cu 2+ + 2 OH - + 2 e - 2 CuOH Reduktion

Aus Cupfer-II-Ionen werden somit Cupfer-I-Ionen. Danach folgt eine Abspaltung von Wasser,

so dass rotes Cupfer-I-oxid entsteht.

2 CuOH Cu2O + H2O

Fasst man nun Oxidation und Reduktion zu einer gemeinsamen Gleichung zusammen, dann

erhält man:

R – CHO + 2 Cu 2+ + 5 OH - R – COO - + Cu2O ↓ + H2O Redox

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 136 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Zur Beschleunigung der Reaktion wird bis zum Sieden

erhitzt.

In der Praxis reicht es Erfahrungs-gemäß aus, die Probe im Wasserbad

auf knapp unter 100 °C zu erwärmen. Dabei verhindert man, dass

es im Reaganzglas zu einem Siede-Verzug kommt und u.U. Proben-

Lösung aus dem Probengefäß herausspritzt.

Die gerade besprochene Redox-Reaktion lässt sich sehr

gut als Nachweis-Reaktion benutzen. Unter dem Namen

FEHLINGsche Probe wird sie praktisch sehr häufig eingesetzt.

Bei der FEHLINGschen Probe wird mit zwei Reagenzen

gearbeitet, die kurz vor der Verwendung im Verhältnis 1 :

1 gemischt werden. Dabei wird aus der hellblauen FEHL-

INGschen Lösung I (FEHLING I) und der farblosen FEHL-

INGschen Lösung II (FEHLING II) eine tiefblaue Test-

Reagenz. Chemisch gesehen ist FEHLING I eine Cupfersulfat-Lösung,

die hydratisierte – hellblaue – Cupfer-II-

Ionen enhält. In der FEHLINGschen Lösung II ist neben

einer Base (Natriumhydroxid) noch Kalium-Natriumtartrat

enthalten. Kalium-Natriumtartrat ist ein Mischsalz der

Weinsäure, die positive Kalium- und Natrium-Ionen enthält.

Beide Lösungen sind sehr stabil und gut haltbar.

Mischt man sie, dann bilden die hydratisierten Cu 2+ -Ionen

und die Tartrat-Ionen (Säure-Rest der Weinsäure) einen

Komplex:

Versuchsaufbau für die FEHL-

INGsche und die TOLLENSsche

Probe

Q: de.wikibooks.org (Benedikt.Seidl)

Zwei Tartrat-Ionen gruppieren sich dabei um das Cupfer-II-Ion herum und halten das Cu 2+ -

Ion gewissermaßen in der Zange. In dieser speziellen Bindung (Komplex-Bindung) hat das

Cu 2+ -Ion eine tiefblaue Farbe.

Weitere Nachweise für Alkane sind die Silberspiegel-Probe (Reaktion mit ammoniakalischer

Silbernitrat-Lösung) und die TOLLENSsche Probe (Reaktion mit Fuchsin-schwefliger Säure).

Beide Tests basieren ebenfalls auf Redoxreaktionen:

Silberspiegel-Probe:

TOLLENSsche Probe:

Alle Alkane sind auch vollständig oxidierbar, d.h. brennbar. Besonders gut gelingt die Verbrennung

bei festen Alkanalen.

H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CHO + 7 O2 5 CO2 + 5 H2O ;

???

Einige kurzkettige Alkanale führen untereinander – wie wir schon gesehen haben – Mehrfachadditionen

durch, so dass größere Moleküle entstehen. Diese sind dann fest. Ein gutes

Beispiel aus der Praxis ist , welches als Brennstoff (Brennpaste) z.B. bei Warmhalteplatten

oder einem Fondue genutzt wird.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 137 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.2.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanale

Formaldehyd

einfachste organische Verbindung mit doppelt gebundenem

Sauerstoff.

Kp = -19 °C

rein also Gas

gut Wasser-löslich

wässrige Lösung heißt Formalin; wird als Desinfektions- und Konservierungsmittel (für Präparate)

verwendet; läßt Eiweiße gerinnen stark giftig und gilt als Krebs-erregend (cacerogen),

bei Ratten führten 25 mg/m 3 in der Atemluft zum frühzeitigen Tod, noch bis 7 mg/m 3 lassen

sich Schädigungen feststellen

Konzentrationen darunter werden von den Ratten schadlos ertragen, hier sind es die Körpereigenen

Schleim-Proteine, die eine Bindung des Formaldehyd ermöglichen

für den Menschen sind die zulässigen Höchstwerte bei 0,6 mg/m 3 (MAK-Wert) festgelegt

worden

oft in qualitativ minderwertigen Möbeln, Textilien und Auslegware verwendet oder enthalten,

am Ende der Produktion zu wenig gereinigt oder aus minderwertigen (verunreinigten) Rohmaterialien

hergestellt

in Textilien und ähnlichen Produkten aus Fernost, die ev. auf dem langen Schiffs-Transport

von Schad-Organismen (Nager, Insekten, Pilze, …) geschützt werden sollen

Ethanal

als Kondensations-Produkt Metaldehyd (praktisch ein zyklischer Mehrfach-Ether (CH3-

CHO)4) bekannt. Trockenspriritus (!!! kein Ethanol); strukturell Tetramer (Esbit)

neben der Verwendung als Trockenbrennstoff auch im Schneckenkorn enthalten

Paraldehyd ist Trimer

zur Herstellung wird bei niedrigen Temperaturen mittels konzentrierter Schwefelsäure Wasser

entzogen

anderes Verfahren zur Herstellung von Trockenspiritus (hier Urotropin (Hexamin)) durch Einleiten

von Ammoniak ind Formalin

Q: de.wikipedia.org (Yikrazuul)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 138 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Benzaldehyd (Benzencarbaldehyd, Benzolcarbaldehyd,

Phenylmethanal)

in Pfirsich- Mandel-, Kirsch-Kernen

als synthetisches Bittermandel-Aroma verwendet

Tetradecanal (C13H27CHO) ist an der Erzeugung

von Licht bei den Leuchtbakterien

(a ) Achromobacter fischeri beteiligt.

3.2.2.5. Derivate der Alkanale

Testosteron

Nondralon

Q: de.wikipedia.org (Benjah-bmm27)

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 139 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


? Citral

Citronellal (3,7-Dimethyl-6-octen-1-al, Rhodonal) ist ein Monoterpen-Aldehyd.

Es gehört zu den Stoffen, die Pflanzen besonders

intensiv unter sehr guten Wachstumsbedingungen bilden (im sogenannten

Tertiärstoffwechsel (Luxusstoffwechsel)). Es ist der Hauptbestandteil

des Citronell(a)-Öls, das aus den Blättern verschiedener Citrus–Pflanzen

gewonnen wird. Aber auch in den Früchten des (A )

Gemeine Wacholder und der Limette findet man sehr viel Citronellal.

Viele Ameisen verwenden es als Alarmstoff. Es verscheucht viele

Insekten (z.B. Mücken Duftkerzen mit Citronella).

Vanillin

Zimtaldehyd

Q: de.wikipedia.org

(Yikrazuuk)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 140 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.3. Alkansäuren (Carbonsäuren)

Die Alkansäuren gehören neben den Nährstoffen (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) zu den

organischen Stoffen, die am bekanntesten sind. Schon als Kinder hatten wir mit den Alkansäuren

viele unangenehme Kontakte, die zumeist sehr prägend sind. Denken wir nur an den

ersten Kontakt mit Ameisen oder Brennesseln. Die Ameisensäure an bzw. in unserer Haut

sorgten für intensive Gefühle. Aber auch der starke Geruch und der saure Geschmack von

Essigsäure bleibt einem ewig in Erinnerung.

Überhaupt sind die vielen Säuren in unseren Lebensmitteln zumeist Alkansäuren bzw. deren

Derivate (Milchsäure, Citronensäure, Apfelsäure, Fette, ). In den Zellen spielen Fettsäuren

als Bausteine für Fette und Phospholipide ( Zellmembran) eine herausragende Bedeutung.

3.2.3.1. Bau und Struktur der Alkansäuren

typisch am –COOH zu erkennen

beschreibt auch die funktionelle Gruppe – die Carbonsäure-

Gruppe. Wobei unter Chemikern einfach nur von der Säure- od.

COOH-Gruppe gesprochen wird.

Mehrwertige Carbonsäure enthalten mehr als eine Säure-Gruppe.

Monocarbonsäuren enthalten eine Carbonsäure-Gruppe

Sind zwei Säure-Gruppen in einem Molekül verbaut, dann spricht

man von Dicarbonsäuren usw. usf.

Aus dem Rhabarber, Klee, Sauerampher und den Sternfrüchten

kennen wir die Oxalsäure (früher auch: Kleesäure). Sie ist eine

Dicarbonsäure.

Anz. Name Summen-

C-A.

formel

1 Methansäure

(Ameisensäure)

2 Ethansäure

(Essigsäure)

3 Propansäure

(Propionsäure)

HCOOH O

//

H – C

\

OH

O

//

R - C

\

OH

Carbonyl-Gruppe

in einer Alkansäure

O

//

R - C

\

OH

(Carbon-)Säure-Gruppe

Strukturformel Verwendung

C2H5CHO H O

| //

H – C – C

| \

H OH

C3H7CHO H H O

| | //

H – C – C – C

| | \

H H OH

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 141 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


4 Butansäure

(Buttersäure)

5 Pentansäure

(Valeriansäure)

6 Hexansäure

()


C4H9CHO H H H O

| | | //

H – C – C – C – C

| | | \

C5H11CHO

C6H13CHO

3.2.3.2. Herstellung der Alkansäuren

H H H OH

H H H H O

| | | | //

H – C – C – C – C – C

| | | | \

H H H H OH

H H H H H O

| | | | | //

H – C – C – C – C – C – C

| | | | | \

H H H H H OH

aus natürlichen Fetten durch Verseifung (Reaktion mit Kalium- od. Natriumhydroxid) Spaltung

der Fette in Glycerol und jeweils drei Fettsäuren

Spezialfall Essigsäure

Ethansäure lässt sich biotechnisch aus Ethanol bzw. Kohlenhydrat-reichen Rostoffen und

Abfällen gewinnen. Essigsäure-Bakterien setzen Ethanol zu Ethansäure um. Dazu wird

Sauerstoff benötigt. Die damit durchgeführte Oxidation liefert ausreichend Energie für die

Aufrechterhaltung der Lebensprozesse.

C2H5OH + O2 H3C-COOH + H2O

Unter sehr Natur-nahen (biogenen) Produktions-Bedingungen wird eine alkoholische Roh-

Lösung über einen lockeren Haufen (in einer Holzsäule) von Sägespänen getropft. An der

Oberfläche der Späne leben die Essigsäure-Bakterien, die nun Essigsäure produzieren. Das

Produktionsgerät nennt man deshalb auch einen Oberflächen-Fermenter. Die durchgelaufene

Lösung, die noch immer Ethanol enthält, wird nun noch mehrfach über die Späne geleitet.

Wenn dann aller Alkohol verbraucht ist und die Essigsäure-Konzentration ungefähr ,

dann kann das Produkt nach einer einfachen Reinigung abgefüllt werden.

Technische Essigsäure wird heute durch katalytische Addition von Cohlenmonoxid an Methanol

hergestellt (Monsanto-Verfahren):

H3C-OH + CO H3C-COOH

3.2.3.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkansäuren

intermolekulare Wasserstoff-Brücken, besonders zwischen jeweils zwei Moleküle sehr stabil

entgegengesetzte Lage genau passend energetisch sehr stabiler Zustand

ansonsten linear bzw. netzartig mehrere Moleküle miteinander über H-Brücken verbunden

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 142 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Säure-Base-Reaktion

schwache bis sehr schwache Säuren

Salz-Bildung

links oben: einzelnes Ethansäure-Molekül (Struktur-Formel)

rechts oben: Ethansäure-Dimer mit Wasserstoff-Brücken-Bindungen

(z.B. im flüssigen oder festen Aggregatzustand)

mitte unten: mehrere vernetzte Ethansäure-Moleküle

(im flüssigen Aggregatzustand); grau: VAN-DER-WAALS-Kräfte

Namen der Salze und Säurerest-Ionen von Monocarbonsäuren

Anz. Name der Salze Name des Säu- Anz. Name der Salze Name des

C-A.

rerest-Ions C-A.

Säurerest-Ions

1 Formiate Formiat-Ion 12

2 Acetate Acetat-Ion 14

3 Propionate Propiat-Ion 16 Palmitate Palmitat-Ion

4 Butyrate Butyrat-Ion 18 Stearate Stearat-Ion

5

6

7

8

9

10

Valerate Valerat-Ion

Puffer-Bildung

Reduktion

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 143 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Veresterung

Ester mit aromatischen – an Früchte erinnernde – Gerüche (Frucht-Aromen). Deshalb auch

gerne als Frucht-Ester bezeichnet.

verbreitete Verwendung in Lack- und Klebstoff-Industrie

Name der Verbindung Frucht Name der Verbindung Frucht

Butansäuremethylester Ananas

Ethensäurepenthylester Birne

Verseifung als Rückreaktion

3.2.3.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäuren

3.2.3.4.1. einwertige Alkansäuren

Ameisensäure

schwache Säure

in Giftdrüsen der Ameisen (bis %), Nesselzellen der Nesseltiere

(Quallen, Blumentiere, …), Brennnessel, aber

auch in den Giftdrüsen der Bienen und Wespen

Konservierungsmittel der Bienen für ihren Honig

Salze Formiate

in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel

durch Sorbinsäure ersetzt

heute noch Konservierungsmittel für Silagen

durch abgesenkten pH-Wert und aus Nitriten und Nitraten

freigesetzte Stickstoffoxid keimtötend und regulierend auf

die Zusammensetzung der Mikroorganismen-Kulturen

(Verhinderung von Fehlgärungen)

Ethansäure, Essigsäure

stechender Geruch, schwache Säure

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 144 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Würz- und Konservierungsmittel

Salze Acetate (Azetate)

Grünspan an Cupfer-Geschirr Cupferacetat, giftig, basisch

Aluminiumacetat (essigsaure Tonerde) im Haushalt als

Kühlmittel oder mildes Desinfektionsmittel

Propansäure, Propionsäure

Konservierungsmittel fürr Feuchtgetreide (vorrangig Körnermais);

Silierhilfsmittel

wird auch in Wiederkäuer-Mägen gebildet

Butansäure, Buttersäure

typischer, ranziger Geruch, durchdringend; menschliche

Nase schon sehr empfindlich, die von Hunden noch extremer

(Geruchsspuren-Verfolgung)

immer Anzeichen für Verderb

Octansäure

Oenanthylsäure

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

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Tetradecansäure

Octadecansäure

Ölsäure

Caprylsäure

Q: www.3dchem.com

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Omega-3-Fettsäure (Linolensäure)

epa—Eicosapentaenoic ??? säure

Myristolsäure

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Oleocanthal Oliven-Öl

Benzoesäure (Benzolcarbonsäure)

weiß, fest, aromatischer Geruch, nur in heißem Wasser

löslich

natürlich vorkommend in Harzen, Harn, Obstschalen,

Preiselbeeren

Konservierungsmittel (vorrangig Obst- und Fisch-

Konserven)

Natriumbenzoat besser löslich in Wasser als die reine

Säure

Dopamin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

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3.2.3.4.2. mehrwertige Alkansäuren

Oxalsäure

stärkste natürliche organische Säure

natürlich vorkommend in Rhabarber, Sauerampfer,

Tomaten, Johannesbeeren,

Calcium-Salz schwer löslich Bestandteil von (Nieren-)Steinen

3.2.3.4.3. die besondere Gruppe der Fettsäuren

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 149 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.3.5. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäure-Derivate

3.2.3.5.1. Derivate der Alkansäuren

Brenztraubensäure

Milchsäure, 2-Hydroxypropansäure

Hydroxy-Derivat der Propionsäure (auch -

Hydroxypropionsäure)

D-Milchsäure entsteht bei der Vergärung von

Zuckern (durch Hefen), kann vom Menschen

nur geringfügig weiter verwertet werden

bei Schweinen kann es Streß-bedingt (z.B.

beim Treiben oder Schlachten) zu einer

Übersäuerung (mit D-Milchsäure) im Blut

und Muskelfleisch kommen mindere Qualität

(PSE-Fleisch (pale (blaß), soft (weich),

wäßrig (exudative))

L-Milchsäure entsteht bei der Muskeltätigkeit

durch Tätigkeit von Milchsäure-Bakterien

(Dickmilch, Kefir, Joghurt, Schwedenmilch)

entstehen (außer bei Reinkulturen) Racemate

(1:1-Mischung beider Milchsäuren)

Milchsäure-Gärung

C6H12O6 2 C3H6O3

(Trichloressigsäure, TCA)

Herbizid

auch das Na-Salz von TCA ist als Herbizid aktiv; Natriumtrichlor

(NaTa)

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 150 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Salicylsäure

Hydroxy-Derivat der Benzoesäure

Seifen

2 nm große Moleküle

ursprünglich der hydrophobe Teil Fettsäure – Herstellung aus tierischen Fetten und Fettresten

Verseifung (Hydrolyse der Fette (Triglyceride)) Spaltungen / chemische Lösung (Lyse) der

Fette durch konzentrierte Natrium-Lauge (Natriumhydroxid)

es bilden sich die Nartrium-Salze der Fettsäuren und Glycerol

Natrium-Salze der Fettsäuren (besser der längerkettigen Alkansäuren) heißen Seifen

bilden z.B. in Wasch-Lösungen oder in Seifen-Blasen (Seifen-Schaum) Doppelschichten

aus, die sehr stabil sind

kleine Gebilde heißen Micellen

wahrscheinlich hydrophober Teil nach außen, hydrophile Teile innen ???

können durch äußere Einflüsse zerteilt werden (Anblasen mit Luft, Zerstäuben, Zerrühren),

verschmelzen unter normealen Bedingen aber wieder gern miteinander, da Oberflächen-

Spannung wirkt (bei großen Blasen kleiner (geringerer Radius))

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 151 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.3.5.2. Derivate der Fettsäuren

3.2.3.5.2.1. Wachse

3.2.3.5.2.2. Fette - Triglyceride

3.2.3.5.2.3. Phospholipide

rund 3 nm lang (im Vergleich Seifen-Moleküle rund 2 nm groß)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 152 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.4. Ether

mit den Alkanolen verwandt

statt dem terminalen Wasserstoff am Sauerstoff finden wir hier jetzt

einen Alkyl-Rest

Anz.

C-A.

1

2 Dimethylether

(Ether)

Name Summenformel

3 Ethylmethylether

()

4 Methylpropylether

()

5 Butylmethylether

()

6 Methylpenthylether

()


R1 – O – R2

Ether-Gruppe

Strukturformel Verwendung

C2H6O H H

| |

H – C – O - C - H

| |

H H

C3H8O H H H

| | |

H – C – O - C – C - H

| | |

H H H

C4H10O H H H H

| | | |

H – C – O -C – C – C - H

| | | |

H H H H

C5H12O H H H H H

| | | | |

H – C – O - C – C – C – C - H

| | | | |

H H H H H

C6H14O H H H H H H

| | | | | |

H – C – O - C – C – C – C – C - H

| | | | | |

H H H H H H

früher Narkose-

Mittel

lt. IUPAC auch Alkoxyalkane

ähnlich Alkanole, aber keine Wasserstoffbrückenbindung, da das eine Wasserstoff-Atom am

Sauerstoff-Atom durch einen Alkylrest substituiert ist niedrige Siedepunkte leicht flüchtig;

fehlende Wasserstoff-Brücken und innenliegender Sauerstoff keine Löslichkeit in polaren

Lösungsmitteln wie Wasser

mit Sauerstoff bilden sie Etherperoxide hochexplosiv

niedermolekulare Ether sind gute Lösungsmittel für die unterschiedlichsten organischen

Verbindungen. Früher wurde sie häufig zur Herauslösung (Extraktion) von ätherischen Ölen,

Geschmacks-, Farb- und Geruchs-Stoffen verwendet.

Bei Säure-Base-Reaktionen verhalten sich Ether wie schwache Basen. Sie können deshalb

von starken Säuren (z.B. Iodwasserstoff-Säure) angegriffen werden.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 153 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


In der analytischen Praxis werden solche Reaktionen zur Strukturaufklärung kompliziert gebauter

Stoffe verwendet. Aus der Bildung von gut bekannten Halogen-Kohlenwasserstoffen

kann man auch die ursprünglichen Alkylreste an einer Ether-Gruppe schließen.

Ether sind schwache LEWIS-Säuren (Elektronen-Donatoren, Reduktionsmittel). Sie bilden mit LEWIS-Basen

(Elektronen-Akzeptoren, Oxidationsmittel) Salze.

C2H5-O-C2H5 + BF3 [C2H5-O -C2H5] + [B F3 ]

Systhematisch gehört auch das Vanillin (Hauptaromastoff

der Vanille) zu den Ethern. In der Abbildung kann man

rechts unten (bei 4:00 Uhr) die Methyl-Ether-Gruppe erkennen.

Weiterhin finden wir eine Carbonyl- (bei 7:00 Uhr) und

eine Hydroxyl-Gruppe (bei 1:00 Uhr).

Vanillin ghört zu den am meisten produzierten Aromastoffen.

Technisch hergestelltes Vanillin darf mit Zucker gemischt

nicht als Vanille-Zucker verkauft werden. Dies ist

dem echten Produktgemisch aus Vanille-Samen und Zucker

vorbehalten. Das Mischprodukt mit Vanillin heißt üblicherweise

Vanillin-Zucker.

3.2.4.1. Diethylether (Diäthyläther, Ether)

Q: www.3dchem.com

C2H5-O-C2H5 geringe Reaktionsfähigkeit

Ether + Luft od. Sauerstoff bilden explosive Gemische (enthalten Diethyletherperoxid, welches

durch Sauerstoff-Anwesenheit und unter Licht-Einwirkung entsteht; zerstzt sich bei höheren

Temperaturen (Zündfunken) Explosions-artig; reichert sich bei der Destillation oder

durch Verdunsten im Rückstand an (höherer Siedpunkt); Rückstände besonders Explosionsgefährdet)

Dämpfe wirken narkotisierend früher Narkosemittel

Oligosaccharide

Halbacetal

Vollacetal

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 154 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.5. Ketone (Alkanone)

erinnern Struktur-mäßig an die Aldehyde

statt dem terminalen Wasserstoff ist am Sauerstoff ein weiterer Alkyl-

Rest gebunden

Anz.

C-A.

1

2

3 Propanon

(Aceton)

Name Summenformel

4 Butan-2-on

()

5 Pentan-2-on

()

6 Hexan-2-on

()


O

//

R - C

\

R'

Keto-Gruppe

Strukturformel Verwendung

C3H6O O

||

H C H

\ / \ /

H - C C - H

/ \

H H

C4H8O O

||

H C H H

\ / \ / /

H - C C – C - H

/ | \

H H H

C5H10O O

||

H C H H H

\ / \ / / /

H - C C – C – C - H

/ | | \

H H H H

C6H12O O

||

H C H H H H

\ / \ / / / /

H - C C – C – C – C - H

/ | | | \

H H H H H

Lösungsmittel

hydrophile C=O-Struktur und lipophile (hydrophobe) Alkyl-Reste bewirken sowohl Lösungsvermögen

für polare (hydrophile) Stoffe, wie auch für hydrophobe (unpolare) Stoffe

besonders bei Molekülen mit kürzeren Alkyl-Ketten gut ausgeprägt. Aceton wird deshalb

auch als Lösungmittel für Fette, Teer usw. usf. genutzt. Bekannt auch als "Nagel-Lack-

Entferner". Zerstört auch viele Kunststoffe (löst sie an).

Oxidationsprodukte sekundärer Alkanole

Endung –on oder -keton

systhematisch auch nahe bei den Aldehyden anzusiedeln

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 155 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


weniger reaktionsfähig als die Aldehyde; lassen sich nicht so leicht oxidieren keine positive

FEHLINGsche oder TOLLENSsche Probe

Kohlenhydrate

Propanon (Aceton, Dimethylketon)

farblos, leicht ölige (schwerflüssig), typisch riechende Flüssigkeit

Wasser- und auch Fett-löslich Lösungsmittel

bei gestörtem Stoffwechsel bei Diabetikern und Rindern riechbar

Muscon (3-Methylcyclopentadecanon, Moschus) Moschus-Duft

herber Duft (männlich)

Wegen Tierschutz-Gründen ist man heute fast ausschließlich

auf die synthetische Produktion umgestiegen.

Zibeton (9-Cycloheptadecen-1-on, Cycloheptadec-9-en-1-on, Civeton)

ist der bestimmende Duftstoff aus den Duftdrüsen der Zibet-

Katze. Der gesamte Duftstoff wird als Zibet bezeichnet.

Q: de.wikipedia.org (Edgar181 + Velandur)

Q: de.wikipedia.org (Ayacop)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 156 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.6. Ester

Bildung aus Alkanol und (Alkan-)Säure

Geschmacksstoffe

Lipide Fette

Triglycerid (Fett)

Lipoide

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 157 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Simulation einer Phospho-Lipoid-Doppelschicht (PO4 - grün, N(CH3)3 - violett, H2O - blau, -

CH3 - gelb, O - rot, Glycerol-Cohlenstoff - braun, Cohlenstoff – grau)

Q: commons.wikimedia.org (Hfastedge (National Institutes of Health (US)))

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 158 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.7. substituierte Aromaten mit Sauerstoff im Substituenten

Phenol

3.2.1.3.1.3. Phenol

Q: www.3dchem.com

Wasserstoff-Atome am Phenol lassen sich leichter substituieren als beim Benzen diverse

Derivate (Pentachlorphenol (PCP); Pikrinsäure (2,3,6-Trinitrophenol))

zweiwertige Phenole:

Benzkatechin

Resorcin

Hydrochinon

dreiwertige Phenole:

Pyrogallol

Phoroglucin

Hydroxyhydrochinon

Benzylalkohol

Benzaldehyd

Benzoesäure

Anilin

Zimtsäure

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 159 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Vanillin

Benzaldehyd (Bittermandelöl)

Phthalsäure

Acetylsalicylsäure

Pentachlorphenol (PCP)

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 160 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen

vielfach aromatische Eigenschaften

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 161 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.2.9. Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker)

?Einfachzucker (Monosaccharide)

Galctose

Glucose

Mannose

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 162 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Talose

?Mehrfachzucker (Oligosaccharide)

?Zweifachzucker (Disaccharide)

Maltose

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 163 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Lactose

Sucrose

?Dreifachzucker (Trisaccharide)

Acarbose

Rafinose

Vielfachzucker (Polysaccharide)

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 164 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.3. Stickstoff-Derivate

3.3.1. Aminosäuren

Alanin

Arginin

Asparagin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 165 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Asparaginsäure

Cystein

Glutaminsäure

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 166 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Glutamin

Glycin

Leucin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 167 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Lysin

Methionin

Phenylalanin

Prolin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 168 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Serin

Threonin

Tryptophan

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 169 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Thyrosin

Valin

Isoleucin

3.3.2. Aminobasen

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 170 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.3.3. stickstoffhaltige Heterocyclen

Nicotin

Urotropin (Hexamethylentetramin, 1,3,5,7-Tetraazaadamantan,

Hexamin, Methenamin)

Trockenspiritus

Herstellung durch Einleitung von Ammoniak in Formalin

Harnsäure

Q: www.3dchem.com

Q: de.wikipedia.org (Yikrazuul)

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 171 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.3.4. weitere Stickstoff-Derivate von Kohlenwasserstoffen

Metformin

Nitromethan

Dopamin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 172 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Kreatin

Phenol-Derivate:

Pikrinsäure (pikros: bitter)

Harnstoff

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 173 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.4. Schwefel-Derivate

Saccharin

???

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 174 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.5. diverse weitere gemischte Derivate der Kohlenwasserstoffe

3.5.x. Alkaloide

Nikotin

Solanin

Theobromin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 175 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Strychnin

3.5.x. Neurotransmitter

Dopamin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 176 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


3.5.x. psychogene Stoffe

Ecstasy

Heroin

LSD

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 177 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Morphin

Methamphetamin

3.5.x. Medikamente

Penicellin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 178 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Prednisolon

Rosaglitazon

Relenza

Tamiflu

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 179 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Viagra

3.5.x. Hormone

Progesteron

3.5.x. Farbstoffe

Melatonin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 180 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Luminol

3.5.x. ???

Oxytocin

Ritalin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 181 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Tetracyclin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 182 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Exkurs: Stoff-Erkennung über Farbstoff-Reaktionen

Fluoreszenz

Nilblau (freie Base) bei Tageslicht (obere Reihe) und UV-Licht (366 nm, untere Reihe) in verschiedenen

Lösungsmittels. V.l.n.r.: 1. Methanol, 2. Ethanol, 3. tert-Butylmethylether, 4. Cyclohexan, 5. n-

Hexan, 6. Aceton, 7. Tetrahydrofuran, 8. Ethylacetat, 9. Dimethylformamid, 10. Acetonitril, 11. Toluol,

12. Chloroform

Q: commons.wikimedia.org (Armin Kübelbeck)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 183 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 184 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


4. Makromoleküle

4.1. Bildungsreaktionen

Polyaddition

Polymerisationen

Polyaddition auf der Basis von Mehrfach-Bindungen

Polysubstitutionen

Polykondensation

sehr typisch im Bereich der biochemischen Vorgänge

Q: www.3dchem.com

Lignin-Bildung: Die gebildeten Radikale der Monolignole bilden

nach Quervernetzung Lignin

Q: commons.wikimedia.org (Yikrazuul)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 185 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Monomere (Bausteine) besitzen typischerweise zwei verschiedene funktionelle Gruppen, die

untereinander unter Abspaltung eine kleine Molekül (hier typischerweise: Wasser) miteinander

reagieren

da an den Enden immer noch freie funktionelle Gruppen vorliegen, können z.T. sehr lange

Ketten (Polymere) gebildet werden

kommen auch drei oder noch mehr funktionelle Gruppen (von den oben gemeinten Typen)

vor, dann kann es auch zu Verzweigungen im Polymer kommen (häufig bei: Polysacchariden)

+

Monomer Monomer Dimer Wasser

+

Dimer Monomer Trimer Wasser

+

Trimer Monomer Tetramer

+

Tetramer Oligomer

+ +

Oligomer Oligomer

+ n +

Oligomer Polymer

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 186 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre

+

+

+

+


4.2. wichtige natürliche Makromoleküle

4.2.1. Kohlenhydrate (Polysaccharide)

4.2.2. Polypeptide (Eiweiße)

Thyrosin-Phosphatase

Botox

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 187 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Collagen1

Collagen2

Hämoglobin (Haemoglobin)

Insulin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 188 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


4.2.3. DNS

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 189 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


4.3. künstliche Makromoleküle

biologisch direkt kaum eine Bedeutung.

ökologisch bedenklich wegen fehlender biologischer Abbaubarkeit

Träger von diversen Zusatzstoffen (Weichmacher, Farbstoffe, …), bei denen einige unter

Verdacht stehen cancerogen zu wirken oder Hormon-ähnlich zu wirken

in der Nahrungsmittel-Produktion ( Ernährunglehre) vielfach für Lebensmittelverpackungen

verwendet

Plaste

Elaste

Elastomere

bei Zimmertemperatur Gummi-weich / -ähnlich

Thermoplaste

verformen sich beim Erwärmen (relativ langestreckte Faser-förmige Moleküle mit wenig oder

keinen Querverbindungen zwischen den Molekülen)

Kristall-ähnliche Strukturen möglich

Duroplaste

bleiben bei Wärme-Einwirkung lange Form-stabil

Moleküle relativ kurzkettig bzw. mit vielen Querverbindungen oder Verzweigungen

Polyethylen (PE)

Q: www.3dchem.com

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 190 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Polypropylen

Polyvenylchlorid (PVC)

Teflon

Q: www.3dchem.com

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BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 191 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Plasten / Elasten im Hauswirtschaftlichen bzw. Ernährungs-Bereich

Name Kürzel Erweichbarkeit

Hitze- und Flamm-Eigenschaften

Brennbarkeit

Aminoplaste nein kaum stechend nach

Ammoniak

Geruch häufige Zusatzstoffe Verwendung

Hw- bzw. Ern.-Bereich

Phenoplaste neine ja stechend früher Elektroschalter

Polyamid PA ja brennbar stechend, nach

verbrannten

Haaren

Polyethen

Polyethylen

Polystyren

Polystyrol

PE ja ja (leicht

entflammbar)

PS ja ja (leicht

entflamm-

bar)

Polyvinylchlorid PVC ja ja (schwer

entflammbar)

nach gelöschter

Kerze

süßlich

stechend nach

Chlorwasserstoff

Aufbewahrungsgefäße,

übliche "Plastegefäße"

Frischhaltegefäße, Gefrierdosen

Einkaufstüten

Aufbewahrungsbeutel

Gefrierbeutel

Frischhalte-Folie

Bemerkungen zur Verwendbarkeit

im Hw- bzw. Ernähr.-Bereich

Weichmacher wegen auslösbarem Chlor und vielen

Zusatzstoffen wird es als bedenklich

eingestuft (wenig geeingnet für Kinderspielzeug

usw.)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc (c,p) 2009-2011 lern-soft-projekt: drews


5. Stöichiometrie

Gesetz von den konstanten Proportionen (PROUST; 1794)

Gesetz von den äquivalenten Proportionen (RICHTER; 1791)

Gesetz von den multiplen Proportionen (DALTON; 1808)

Bilden zwei Elemente miteinander mehrere Verbindungen, so stehen die Massenverhältnisse,

mit denen die Elemente in diesen Verbindungen auftreten, zueinander im Verhältnis

kleiner ganzer Zahlen.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc (c,p) 2009-2011 lern-soft-projekt: drews


6. Tabellen, Zusammenfassungen, Begriffsbestimmungen

6.1. Nomenklatur (Namensgebung)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 194 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Substitutive und radikalofunktionelle Nomenklatur der wichtigen funktionellen

Gruppen

(nach fallender Priorität)

Stoff-Klasse Funktionelle Präfix Suffixe typische Vertreter /

Gruppe

Stoffgruppen

Carbonsäuren -COOH

Carboxy- -carbonsäure Alkansäuren (Carbon-

-(C)OOH

-

-säure säuren) (inkl. Fettsäuren)

Aminosäuren

Cyanide -CN -cyanid

Sulfone R'-SO2- R''

Sulfonsäuren -SO3H Sulfo- -sulfonsäure

Cyanate -OCN -cyanat

Thiocyanate -SCN -thiocyanat

Aldehyde -CHO

Formyl- -carbaldehyd Akanale (Aldehyde)

-(C)HO

Oxo- -al

Kohlenhydrate

charide)(Sac-

Ketone >CO

>(C)O

Oxo- -on

-keton

Alkohole, Phenole -OH Hydroxy- -ol

-alkohol

Thiole -SH Mercapto- -thiol

(primäre) Amine -NH2 Amino- -amin

Ether R'-O-R'' Alkyloxy-

-ether

Sulfide R'-S-R'' Alkylthio- -sulfid

(sekundäre) Amine >NH -amin

(tertiäre) Amine >N- -amin

Nitroverbindungen -NO2 Nitro-

Halogenverbindungen

Alkylhalogenide

-F

-Cl

-Br

-I

Fluor-

Chlor-

Brom-

Iod-

-fluorid

-chlorid

-bromid

-iodid

Alkanone (Ketone)

Kohlenhydrate (Sac-

charide)

Alkanole (Alkohole)

Kohlenhydrate (Saccharide)

Kohlenhydrate (Saccharide)

[Ring-

Strukturen + ab

Disacch.]

Nitrile -CN

(org.) Phosphate -PO4H2 Phospho- -phosphat AMP

Nucleotide

Nucleïnsäuren

Diphosphate -PO4H-PO4H2 Diphoaspho- -diphosphat ADP

Triphosphate -(PO4H-)2-PO4H2 Triphospho- -triphosphat ATP

(C) bedeutet, dass das C-Atom zum Stamm der Verbindung gezählt wird (und nicht zum Substituenten)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 195 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


organische Stoffe und ihre Namen

Gebrauchsname exakter IUPAC-

Name

Trivialname weitere Namen oder

Abkürzungen

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 196 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


6.2. Reaktionsarten in der organischen Chemie

nach den übergehenden Elementar-Teilchen (klassische Einteilung aus der anorg. Chemie)

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

Säure-Base-Reaktionen Reaktionen

Übergang

mit Protonen- p

bestehen immer aus Protonen-Abgabe

und Protonen-

Aufnahme

+ entspricht H +

Redoxreaktionen Reaktionen mit Elektronen- Redoxreaktionen innerhalb

Übergang

eines Moleküls oder von

bestehen immer aus Oxida- gleichen Molekülen miteition

(Elektronen-Abgabe) nander werden Disproportio-

und Reduktion (Elektronen-

Aufnahme)

nierung genannt

Komplex-Reaktionen Bildungen, Umwandlungen

photochemische Reaktionen

und Zerstörung von bzw. an

Komplexen

Aktivierung einer Umwandlung

durch Licht(-Energie) /

Photonen

nach Veränderung am Cohlenstoff-Gerüst

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

Aufbau-Reaktionen Verlängerung der Cohlenstoff-Kette

z.B. Polymerisationen

Abbau-Reaktionen Verkürzung der Cohlenstoff-

Kette

Umlagerungen Umlagerung

Abschnitten

von Ketten-

Reaktionen ohne Verände-

z.B. Umsetzungen an den

rung des C-Gerüstes

funktionellen Gruppen

nach Brutto-Umsatz

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

Additions-Reaktionen Anlagerungen an ungesättigten

Bindungen

A + B C

Eliminierungs-Reaktionen Abspaltung von Atomen od.

Atomgruppen (Molekülen)

A B + C

Substitutions-Reaktionen Austausch von Atomen od.

Atomgruppen

A + B C + D

Umlagerungen

A B

Einschub-Reaktionen A-B + C A-C-B

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 197 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


nach der Art der reagierenden Teilchen

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

ionische Reaktionen

radikalische Reaktionen

nach der Angriffs-Art

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

elektrophile Reaktionen

nukleophile Reaktionen

nach Reaktions-Mechanismus

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

radikalische Substitution

SR-Mechanismus

elektrophile Addition

AE-Mechanismus

nukleophile Substitution

SN-Mechanismus

besondere Reaktions-Arten

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

pericyclische Reaktionen synchrone Veränderungen /

Umlagerungen in armatischen

bzw. cyclischen Ver-

bindungen

photochemische Reaktionen Aktivierung einer Umwandlung

durch Licht(-Energie) /

Photonen

treten häufig an Doppelbindungen

auf

es folgen meist radikalische

oder pericyclische Reaktionen

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 198 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


6.3. Namen diverser Chemikalien in verschiedenen Sprachen

usw.

regulärer Name

IUPAC-Name

Kalium-Natrium-

Tartrat-

Tetrahydrat

engl. Benennung Trivialname(n),

Bezeichnung im

Bereich der

Kosmetika, …

Tartarated soda,

Salt of seignette

SEIGNETTE-

Salz; Tartarus

natronatus, Natrokali

tartaricum,

Kalium tartaricum

natronatum

Formel Bemerkungen

KNaC4H4O6 * 4

H2O

E 337

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 199 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 200 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


6.3. Begriffe und Begriffsbestimmungen, Definitionen

Ziffern und

Zeichen

A

B

C

Carbenium-Ion ist ein sp 3 -hybridisiertes C-Atom mit einer positiven

Ladung. Es fehlt gewissermaßen das Bindungs-Elektron

für die 4. Bindung.

D

E

F

G

H

H

|

R – C - R


BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 201 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

Reagenz das kleinere oder das bewegliche von zwei an einer Reaktion beteiligten

Stoffe (größere oder feste werden Substrat genannt)

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 202 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


S

Substrat das größere von zwei oder mehreren an einer Reaktion beteiligten

Stoffe (andere (kleinere) werden Reagenz genannt)

bei Enzym-Reaktionen ist das Substrat der zu bearbeitende Stoff

T

U

V

W

X

Y

Z

Ä - Ü

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BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 204 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Literatur und Quellen:

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ISSN 0233-0806

/2/ FITTKAU, Dr. Siegfried:

Organische Chemie.-Jena: G. Fischer Verl.; 1984; 5., überarb. Aufl.

/3/ BOTSCH, Walter; HÖFLING, Erich; MAUCH, Jürgen:

Chemie ind Versuch, Theorie und Übung.- Frankfurt am Main: Verl. M. Diesterweg;

Aarau, Frankfurt am Main, Salzburg: Verl. Sauerländer; 1984; 2., neubearb. Aufl.

ISBN 3-425-95421-0

ISBN 3-7941-2522-3

/4/ HÄUSLER, Karl:

Chemie kompakt – Formeln, Regeln, Gesetze.-München: R. Oldenburg Verl.; 1994;

1. Aufl.

ISBN 3-486-88567-7

/5/ SCHLEIP, Alfred; KÖHLER, Georg:

Fundamentum CHEMIE – Sekundarstufe I – Lehr- und Arbeitsbuch.-Bonn: Ferd.

Dümmlers Verl.; 1994

ISBN 3-427-43101-0

/6/ LÜTHJE – GALL - REUBER:

Verf:: THOMAS, Dr. Wolfgang; QUANTE, Marion; QUANTE, Uwe; HEFELE, Gerd:

Lehrbuch der Chemie – Organische Chemie.-Frankfurt am Main: Verl. M. Diesterweg;

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ISBN 3-425-050496-6

/7/ WHITE, Emil H.:

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Naturfreunde; Franckh'sche Verlagshandlung; 1973.- 3. verbesserte Aufl.

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/8/ Chemie – Lehrbuch für Klasse 9

(TEICHMANN, Jochen; OBST, Heinz; ARNDT, Barbara); Hrsg.: TEICHMANN;

Berlin: Volk u. Wissen Verl.; 1980; 11. Aufl.

/9/ Chemie – Lehrbuch für Klasse 8

(ARNDT, Barbara; LANGE, Peter; OBST, Heinz; TEICHMANN, Jochen);

Berlin: Volk u. Wissen Verl.; 1985; 6. Aufl.

/10/ Organische Chemie – Lehrbuch für die Oberschule 9. und 10. Klasse

(HRADETZKY, Albert; WOLFFGRAMM, Horst; RENNEBERG, Werner);

Berlin: Volk u. Wissen Verl.; 1967

/11/ Schüler-DUDEN: Die Chemie

Mannheim: Bibliogr. Inst. & F. A. Brockhaus; überarb. Aufl.

ISBN

/12/ HAFNER, Lutz:

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 205 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Biochemie – Materialien für den Sekundarbereich II – Chemie.-Hannover: Schroedel

Schulbuchverl.; 1993

ISBN 3-507-10604-3

/13/ HAFNER, Lutz:

Einführung in die Organische Chemie – Unter besonderer Berücksichtigung der Biochemie

– Materialien für den Sekundarbereich II – Chemie.-Hannover: Schroedel

Schulbuchverl.; 1976; 2. Aufl.

ISBN 3-507-10600-0

/14/ OEHMICHEN, Jobst:

Chemie für Landwirte.-Alfeld-Hannover: Verl. M. & H. Schaper; 1989.-2. überarb. u.

erw. Aufl.

ISBN 3-7944-0147-6

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ISBN

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/A/ Wikipedia

http://de.wikipedia.org

Die originalen sowie detailliertere bibliographische Angaben zu den meisten Literaturquellen

sind im Internet unter http://dnb.ddb.de zu finden.

BK_SekII_orgChem_BioEL.doc - 206 - (c,p) 2009-2011 lsp: dre


Abbildungen und Skizzen entstammen den folgende ClipArt-Sammlungen:

/A/ 29.000 Mega ClipArts; NBG EDV Handels- und Verlags AG; 1997

/B/

andere Quellen sind direkt angegeben.

Alle anderen Abbildungen sind geistiges Eigentum:

/I/ lern-soft-projekt: drews (c,p) 2006-2011 lsp: dre

verwendete freie Software:

Inkscape von: inkscape.org (www.inkscape.org)

CmapTools von: Institute for Human and Maschine Cognition (www.ihmc.us)

ChemSketch von: ACD Labs (Advanced Chemistry Development, Inc.)

(www.acdlabs.com)

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