Lektion 5.2

Alkohole

15 min Lesezeit

Im Badezimmer steht ein Desinfektionsmittel, im Schrank ein Fläschchen Brennspiritus, im Supermarkt gibt es Wein und Bier. Auf allen Etiketten steht „Alkohol“. Ist das überall derselbe Stoff? Warum mischt sich Ethanol mit Wasser, Benzin aber nicht? Und warum ist Spiritus giftig, obwohl er fast so aussieht wie Wein?

Du lernst, was alle Alkohole gemeinsam haben, wie Ethanol entsteht und was mit ihm im Körper und im Reagenzglas passiert.

Definition

Alkohole, Hydroxygruppe und Alkanole

Eine funktionelle Gruppe ist eine Atomgruppe, die die Eigenschaften einer ganzen Stoffklasse bestimmt. Bei den Alkoholen ist es die Hydroxygruppe -OH. Ein Alkohol entsteht formal, wenn in einem Alkan ein Wasserstoffatom durch eine Hydroxygruppe ersetzt wird. Die Alkohole, die sich von Alkanen ableiten und eine Hydroxygruppe tragen, heißen Alkanole. Der Name besteht aus dem Alkan und der Endung -ol. Sie bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Formel CnH2n+1OH\mathrm{C_nH_{2n+1}OH}.

NameFormelSiedetemperaturLöslichkeit in Wasser
MethanolCH3OH\mathrm{CH_3OH}65 °Cmischbar
EthanolC2H5OH\mathrm{C_2H_5OH}78 °Cmischbar
Propan-1-olC3H7OH\mathrm{C_3H_7OH}97 °Cmischbar
Butan-1-olC4H9OH\mathrm{C_4H_9OH}118 °Cnur begrenzt
Pentan-1-olC5H11OH\mathrm{C_5H_{11}OH}138 °Ckaum

Die Zahl im Namen sagt, an welchem Kohlenstoffatom die OH-Gruppe sitzt. Die Hydroxygruppe der Alkohole ist über eine Atombindung gebunden und kein Hydroxid-Ion. Eine Ethanol-Lösung ist deshalb keine Lauge.

Definition

Wasserstoffbrücken, hydrophil und hydrophob

Die O-H-Bindung ist stark polar. Das Sauerstoffatom trägt eine negative Teilladung, das Wasserstoffatom eine positive. Zwischen zwei Alkoholmolekülen bildet sich daher eine Wasserstoffbrücke: Das positive H eines Moleküls zieht das O des Nachbarn an. Das hält die Moleküle fester zusammen als Van-der-Waals-Kräfte allein. Alkohole sieden deshalb viel höher als Alkane ähnlicher Größe.

Auch zu Wasser bildet die OH-Gruppe Wasserstoffbrücken. Sie ist hydrophil (wasserfreundlich). Der Kohlenwasserstoffrest ist unpolar und hydrophob (wasserabweisend). Bei Methanol, Ethanol und Propanol überwiegt die OH-Gruppe, sie mischen sich mit Wasser in jedem Verhältnis. Je länger der Rest, desto stärker überwiegt der hydrophobe Teil, und die Löslichkeit in Wasser sinkt. Dafür lösen sich lange Alkohole besser in Benzin.

Beispiel

Ethanol und Propan im Vergleich

Ethanol C2H6O\mathrm{C_2H_6O} hat eine molare Masse von 46 g/mol, Propan C3H8\mathrm{C_3H_8} von 44 g/mol. Ethanol siedet bei 78 °C, Propan bei -42 °C. Woher kommt der Unterschied von 120 Grad?

Beide Moleküle sind etwa gleich schwer und gleich groß. Die Van-der-Waals-Kräfte unterscheiden sich deshalb kaum. Propan ist unpolar, zwischen den Molekülen wirken nur diese schwachen Kräfte. Ethanol hat zusätzlich die polare OH-Gruppe und bildet Wasserstoffbrücken. Um das flüssige Ethanol in ein Gas zu verwandeln, muss man diese Brücken lösen. Das braucht mehr Energie, also eine höhere Temperatur.

Ethanol in 3D

Drehe das Molekül mit der Maus. Klicke das Sauerstoffatom an: Unter der Ansicht erscheint sein Name. Es sitzt mit einem Wasserstoffatom am Kettenende, das ist die Hydroxygruppe. Wechsle zu "Kalotten" und schau, wie wenig Platz die OH-Gruppe im Vergleich zum Rest einnimmt. Der Steckbrief unten nennt die Polarität.

Definition

Ethanol: Herstellung, alkoholische Gärung und Wirkung

Ethanol entsteht bei der alkoholischen Gärung. Hefepilze bauen Traubenzucker (Glucose) ohne Sauerstoff ab und gewinnen daraus Energie. Als Abfallprodukte entstehen Ethanol und Kohlenstoffdioxid: C6H12O6⟶2 C2H5OH+2 CO2\mathrm{C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2\,C_2H_5OH + 2\,CO_2}. In Wein und Bier gärt der Zucker aus Trauben oder Getreide. Die Hefen sterben ab, wenn der Alkoholgehalt bei etwa 12 bis 15 Prozent liegt. Stärkere Getränke entstehen durch Destillieren, denn Ethanol siedet bei 78 °C und damit tiefer als Wasser. Technisch wird Ethanol auch aus Ethen und Wasser durch Addition gewonnen.

Ethanol ist ein Zellgift. Es dämpft das Gehirn, die Reaktion wird langsamer, das Urteilsvermögen schlechter. Die Leber baut es ab, und es kann abhängig machen. Brennspiritus ist Ethanol mit Zusatzstoffen, die ihn ungenießbar machen. Methanol ist viel giftiger: Schon kleine Mengen können zur Erblindung führen oder tödlich sein. Er kommt in unsachgemäß hergestellten Schnäpsen vor.

Beispiel

Wie viel Ethanol aus Traubenzucker?

90 g Glucose (M=180M = 180 g/mol) werden vollständig zu Ethanol (M=46M = 46 g/mol) vergoren. Wie viel Ethanol und Kohlenstoffdioxid (M=44M = 44 g/mol) entstehen?

Stoffmenge der Glucose: 90 g : 180 g/mol = 0,5 mol.

Nach der Gleichung entstehen aus 1 mol Glucose 2 mol Ethanol und 2 mol Kohlenstoffdioxid. Aus 0,5 mol werden also 1 mol Ethanol und 1 mol CO2\mathrm{CO_2}.

Masse Ethanol: 1 mol mal 46 g/mol = 46 g. Masse CO2\mathrm{CO_2}: 1 mol mal 44 g/mol = 44 g.

Probe: 46 g + 44 g = 90 g, so viel wie die Glucose. In Wirklichkeit entsteht weniger, weil die Hefe einen Teil des Zuckers selbst verbraucht.

Definition

Glycerin

Glycerin (Propan-1,2,3-triol, C3H5(OH)3\mathrm{C_3H_5(OH)_3}) hat drei OH-Gruppen, an jedem Kohlenstoffatom eine. Man nennt es einen dreiwertigen Alkohol. Durch die vielen Wasserstoffbrücken ist es zähflüssig, siedet erst bei etwa 290 °C und mischt sich mit Wasser. Es schmeckt süßlich und hält Feuchtigkeit fest. Darum steckt es in Cremes, Zahnpasta und Arzneimitteln. Es ist auch ein Baustein der Fette.

Definition

Oxidation zu Alkanalen und Nachweis der Aldehydgruppe

Alkohole, bei denen die OH-Gruppe am Kettenende sitzt, lassen sich zu Alkanalen oxidieren. Das Molekül verliert zwei Wasserstoffatome, eines von der OH-Gruppe und eines vom Kohlenstoffatom daneben. Es entsteht ein Alkanal mit der Aldehydgruppe -CHO, einem Kohlenstoffatom mit Doppelbindung zu Sauerstoff und einem H. Der Name besteht aus dem Alkan und der Endung -al. Aus Ethanol wird Ethanal CH3−CHO\mathrm{CH_3-CHO}, aus Methanol Methanal HCHO\mathrm{HCHO}.

Im Versuch hält man eine glühende Kupferspirale in Ethanoldampf: C2H5OH+CuO⟶CH3CHO+Cu+H2O\mathrm{C_2H_5OH + CuO \longrightarrow CH_3CHO + Cu + H_2O}. Das schwarze Kupferoxid wird reduziert und die Spirale wieder glänzend rot.

Alkanale lassen sich leicht weiter oxidieren. Darum sind sie Reduktionsmittel, und darauf beruht der Nachweis:

  • Fehling-Probe: Die blaue Fehling-Lösung wird mit dem Alkanal erwärmt. Es fällt roter Kupfer(I)-oxid-Niederschlag aus.
  • Silberspiegel-Probe (Tollens): Silber-Ionen werden zu Silber reduziert, das sich als Spiegel an der Glaswand abscheidet.

Ein Alkohol wie Ethanol zeigt beide Proben nicht.

Beispiel

Ethanol und Ethanal unterscheiden

Ein Reagenzglas enthält Ethanol, ein zweites Ethanal. Wie unterscheidest du sie? Welche Farbänderung gibt es?

Du gibst in beide Gläser Fehling-Lösung und erwärmst. Ethanal enthält eine Aldehydgruppe und reduziert die Kupfer-Ionen: Aus der blauen Lösung fällt ein roter Niederschlag aus. Im Glas mit Ethanol bleibt die Lösung blau, denn Ethanol hat keine Aldehydgruppe. Alternativ erscheint mit der Tollens-Probe nur beim Ethanal ein Silberspiegel.

Häufige Fehler

Die OH-Gruppe macht Alkohole zu Laugen

„Alkohole enthalten OH, also sind sie Basen und färben Indikator blau.“

Richtig ist

Laugen enthalten Hydroxid-Ionen OH−\mathrm{OH^-}, die in Wasser frei beweglich sind. Bei Alkoholen ist die OH-Gruppe fest an Kohlenstoff gebunden und gibt kein OH−\mathrm{OH^-} ab. Ethanol-Lösung ist neutral.

Häufige Fehler

Alkohol ist immer Ethanol

„Alkohol ist Alkohol. Wenn man Ethanol trinken kann, kann man auch Methanol oder Spiritus trinken.“

Richtig ist

Alkohol ist der Name einer Stoffklasse mit vielen Gliedern. Nur Ethanol in Getränken ist zum Trinken gedacht, und auch er schadet bei großen Mengen. Methanol ist stark giftig, und Brennspiritus ist absichtlich ungenießbar gemacht.

Zusammenfassung

  • Alkohole tragen die funktionelle Gruppe -OH. Alkanole bilden eine homologe Reihe mit der Formel CnH2n+1OH\mathrm{C_nH_{2n+1}OH}.

  • Zwischen Alkoholmolekülen wirken Wasserstoffbrücken. Darum sieden Alkohole viel höher als Alkane ähnlicher Größe.

  • Die OH-Gruppe ist hydrophil, der Kohlenwasserstoffrest hydrophob. Kurzkettige Alkohole mischen sich mit Wasser, langkettige kaum.

  • Ethanol entsteht bei der alkoholischen Gärung aus Glucose: C6H12O6⟶2 C2H5OH+2 CO2\mathrm{C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2\,C_2H_5OH + 2\,CO_2}. Er wirkt als Zellgift und kann abhängig machen.

  • Glycerin ist ein dreiwertiger Alkohol und Baustein der Fette.

  • Endständige Alkohole werden zu Alkanalen mit der Aldehydgruppe -CHO oxidiert. Fehling-Probe und Silberspiegel weisen diese Gruppe nach.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Ein Alkanol hat acht Kohlenstoffatome und eine OH-Gruppe. Wie viele Wasserstoffatome hat ein Molekül insgesamt?

Aufgabe 2Multiple Choice

Warum löst sich Butan-1-ol schlechter in Wasser als Ethanol?

Aufgabe 3Numerisch

Bei der alkoholischen Gärung werden 360 g Glucose (M=180M = 180 g/mol) vollständig zu Ethanol (M=46M = 46 g/mol) umgesetzt. Wie viel Ethanol entsteht, in Gramm?

Aufgabe 4Multiple Choice

Welche Beobachtung zeigt eine Aldehydgruppe?

Aufgabe 5Freitext

Methanol (65 °C) siedet viel höher als Ethan (-89 °C), obwohl beide ähnlich groß sind. Erkläre den Unterschied.