Fette: Bau, Härtung, Verseifung und Biodiesel
Butter ist im Kühlschrank fest und zerläuft in der Pfanne. Olivenöl ist bei Zimmertemperatur flüssig. Margarine wird aus flüssigen Pflanzenölen hergestellt und lässt sich trotzdem streichen. Seife wurde traditionell aus Fett gekocht, und manche Dieselmotoren laufen mit einem Treibstoff aus Rapsöl.
Alle diese Stoffe hängen chemisch zusammen. Die Lektion klärt, wie ein Fettmolekül gebaut ist, warum manche Fette fest und andere flüssig sind und welche Reaktionen aus Fett Margarine, Seife und Biodiesel machen.
Triglyceride
Fette und fette Öle sind Triglyceride: Triester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (Propan-1,2,3-triol, ) mit drei Fettsäuren R-COOH. Es ist eine dreifache Veresterung, bei der drei Moleküle Wasser entstehen. Wie jede Veresterung ist sie umkehrbar:
Fettsäuren: gesättigt und ungesättigt
Die Reste R der drei Fettsäuren können gleich oder verschieden sein. Natürliche Fette sind Gemische vieler Triglyceride. Ein Fett ist bei Raumtemperatur fest, ein Öl flüssig. Das ist nur ein Unterschied im Schmelzbereich, nicht in der Stoffklasse. Triglyceride sind unpolar, denn zwischen ihren Molekülen wirken vor allem van-der-Waals-Kräfte. Sie lösen sich deshalb nicht in Wasser, wohl aber in Benzin.
Fettsäuren sind unverzweigte Carbonsäuren, meist mit 12 bis 22 Kohlenstoffatomen. Eine Fettsäure ist gesättigt, wenn ihr Rest nur C-C-Einfachbindungen enthält, und ungesättigt, wenn er eine (einfach) oder mehrere (mehrfach) C=C-Doppelbindungen enthält.
| Fettsäure | Formel | C=C | Schmelzpunkt (etwa) |
|---|---|---|---|
| Palmitinsäure | 0 | 63 °C | |
| Stearinsäure | 0 | 70 °C | |
| Ölsäure | 1 | 13 °C | |
| Linolsäure | 2 | −5 °C | |
| α-Linolensäure | 3 | −11 °C |
Die Doppelbindungen natürlicher Fettsäuren sind meist cis-konfiguriert. Jede cis-Doppelbindung knickt die Kette. Geknickte Ketten packen sich schlecht, die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen sind schwächer, der Schmelzpunkt sinkt. Darum sind Pflanzenöle mit vielen ungesättigten Resten flüssig, tierische Fette mit vielen gesättigten Resten meist fest.
Triolein: Formel und Molare Masse
Triolein: Formel und Molare Masse
Triolein ist das Triglycerid aus Glycerin () und drei Molekülen Ölsäure (). Bestimme die Summenformel und die Molare Masse.
Bilanz der Veresterung: .
Kohlenstoff: 3 + 3 · 18 = 57. Wasserstoff: 8 + 3 · 34 − 3 · 2 = 104. Sauerstoff: 3 + 3 · 2 − 3 = 6. Die Summenformel ist .
Mit , und gilt .
Fetthärtung
Bei der Fetthärtung wird Wasserstoff an die C=C-Doppelbindungen von Pflanzenölen addiert. Man leitet Wasserstoff bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck durch das Öl, fein verteiltes Nickel ist der Katalysator. Die ungesättigten Reste werden zu gesättigten, die Ketten strecken sich, und der Schmelzpunkt steigt. Aus flüssigem Öl wird ein streichfähiges oder festes Fett, das Rohstoff für Margarine und Backfette ist. Man härtet nur so weit, wie das Produkt noch streichfähig bleiben soll.
Bei unvollständiger Härtung kann sich am Katalysator eine cis-Doppelbindung in eine trans-Doppelbindung umlagern. Solche trans-Fettsäuren sind gestreckt, schmelzen höher und gelten als gesundheitlich ungünstig. Triolein wird bei vollständiger Härtung zu Tristearin:
Hydrolyse und Verseifung
Bei der Hydrolyse spaltet Wasser das Fett in Glycerin und drei Fettsäuren, die Umkehrung der Veresterung. Sie ist ein Gleichgewicht und wird durch Säuren oder im Körper durch Enzyme (Lipasen) beschleunigt.
Kocht man Fett mit Natronlauge oder Kalilauge, spricht man von Verseifung. Es entstehen Glycerin und die Salze der Fettsäuren, die Seifen. Natriumseifen sind fest, Kaliumseifen weich (Schmierseife).
Kennzahlen: Iodzahl und Verseifungszahl
Die Iodzahl ist die Masse Iod in Gramm, die 100 g Fett addieren. Iod addiert sich an C=C-Doppelbindungen, je ein -Molekül je Doppelbindung. Eine hohe Iodzahl bedeutet also viele Doppelbindungen und viele ungesättigte Fettsäurereste.
Die Verseifungszahl ist die Masse Kaliumhydroxid in Milligramm, die 1 g Fett verseift. Jedes Triglycerid verbraucht drei KOH. Je kürzer die Fettsäureketten sind, desto kleiner ist die Molare Masse, desto mehr Moleküle stecken in 1 g, und desto größer ist die Verseifungszahl.
Iodzahl und Verseifungszahl berechnen
Iodzahl und Verseifungszahl berechnen
Berechne die Iodzahl von Triolein (, drei C=C) und die Verseifungszahl von Tristearin (). Es gilt und .
Iodzahl: 1 mol Triolein (885 g) addiert 3 mol , das sind 3 · 254 g = 762 g. Auf 100 g Fett umgerechnet: 762 g · 100 / 885 ≈ 86 g. Die Iodzahl beträgt etwa 86.
Verseifungszahl: 1 mol Tristearin (891 g) verbraucht 3 mol KOH, das sind 3 · 56 g = 168 g. Auf 1 g Fett: 168 g / 891 ≈ 0,189 g = 189 mg. Die Verseifungszahl beträgt etwa 189 mg/g. Tristearin hat keine C=C-Doppelbindung, seine Iodzahl ist 0.
Biodiesel als nachwachsender Rohstoff
Pflanzenöle wie Rapsöl sind nachwachsende Rohstoffe. Reines Rapsöl ist für moderne Dieselmotoren zu zähflüssig. Man stellt deshalb Biodiesel her: Das Triglycerid wird mit Methanol umgeestert, meist mit einer Base wie Kaliumhydroxid als Katalysator und mit Methanol im Überschuss. Es entstehen Glycerin und drei Fettsäuremethylester. Die Methylester sind dünnflüssiger und brennen im Motor.
Bei der Verbrennung wird nur das Kohlenstoffdioxid frei, das die Pflanze zuvor aufgenommen hat. Ob die Gesamtbilanz günstig ist, hängt aber von Anbau, Düngung und Verarbeitung ab. Der Anbau braucht zudem Flächen, die dann nicht für Nahrungsmittel zur Verfügung stehen. Glycerin fällt als Nebenprodukt an.
Ungesättigte Fettsäuren schmelzen höher
Ungesättigte Fettsäuren schmelzen höher
„Doppelbindungen sind stabil, deshalb haben ungesättigte Fettsäuren einen hohen Schmelzpunkt.“
Es kommt nicht auf die Stabilität der Bindung an, sondern auf die Packung der Moleküle. Cis-Doppelbindungen knicken die Kette, die Moleküle liegen schlecht aneinander, und die van-der-Waals-Kräfte sind schwächer. Ungesättigte Fettsäuren schmelzen deshalb tiefer als gesättigte mit gleich langer Kette (Ölsäure etwa 13 °C, Stearinsäure etwa 70 °C).
Verseifung und Hydrolyse sind dasselbe
Verseifung und Hydrolyse sind dasselbe
„Bei der Verseifung wird Fett eben mit Wasser gespalten.“
Die Hydrolyse mit Wasser führt zu einem Gleichgewicht und liefert freie Fettsäuren. Bei der Verseifung reagiert das Fett mit Lauge. Die frei werdende Fettsäure wird sofort deprotoniert und damit dem Gleichgewicht entzogen. Die Verseifung läuft daher praktisch vollständig, und es entstehen Salze der Fettsäuren.
Zusammenfassung
Fette und Öle sind Triglyceride: Ester aus einem Molekül Glycerin und drei Fettsäuremolekülen. Fette sind bei Raumtemperatur fest, Öle flüssig.
Gesättigte Fettsäuren haben nur Einfachbindungen im Rest, ungesättigte mindestens eine C=C-Doppelbindung. Cis-Doppelbindungen knicken die Kette und senken den Schmelzpunkt.
Bei der Fetthärtung addiert sich Wasserstoff mit Nickel als Katalysator an die C=C-Doppelbindungen. Der Schmelzpunkt steigt.
Hydrolyse spaltet Fett mit Wasser im Gleichgewicht, Verseifung mit Lauge praktisch vollständig. Die Produkte der Verseifung sind Glycerin und Seifen.
Die Iodzahl misst die Doppelbindungen, die Verseifungszahl die Kettenlänge der Fettsäuren.
Biodiesel sind Fettsäuremethylester, die bei der Umesterung von Pflanzenöl mit Methanol entstehen.
Übungen
Welche Aussage über Triglyceride stimmt?
Ein Triglycerid enthält je einen Palmitinsäurerest (keine C=C), einen Ölsäurerest (eine C=C) und einen Linolsäurerest (zwei C=C). Wie viel Mol Wasserstoff addiert 1 mol davon bei vollständiger Härtung?
Ein Öl hat die Iodzahl 120. Wie viel Gramm Iod nehmen 250 g dieses Öls höchstens auf?
Zur Verseifung von 5,0 g eines Fettes werden 0,95 g Kaliumhydroxid verbraucht. Wie groß ist die Verseifungszahl in mg KOH je g Fett?
Fett A hat die Verseifungszahl 250, Fett B die Verseifungszahl 190. Was folgt daraus?
Olivenöl ist bei 20 °C flüssig, Rindertalg fest, obwohl beide aus Triglyceriden bestehen. Erkläre den Unterschied mit dem Bau der Fettsäurereste.