Verfahren zur Abschätzung des Verhältnisses von Wasserstoffbrückenbindungen
zu Van-der-Waals-Kräften bei geradkettigen Alkoholen

Bei Alkoholen stellt sich die Frage, ob - in Abhängigkeit von der Kettenlänge - mehr die Wasserstoffbrückenbindung oder die Van-der-Waals-Kräfte als Sekundärbindungskräfte den Siedepunkt beeinflussen. Grundsätzlich gesehen wirken beide Kräfte zusammen, welche Kraft hat jedoch bei welchem Alkohol den größeren Anteil? Und: warum nimmt die Wasserlöslichkeit von Propanol zu Butanol so rapide ab? Aus Gründen der Datensicherheit werden nur Alkane und Alkanole von C1-C10 verglichen.

 

Zur Lösung dieser Frage werden die Siedepunkte der n-Alkane und n-Alkanole zunächst graphisch dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Siedepunktskurve der Alkanole fast linear verläuft, mit einem kleinen „Knick” bei Ethanol. Die Siedepunktskurve der Alkane verläuft wesentlich tiefer, stetig steigend, wobei die Steigung selbst mit wachsender Anzahl der C-Atome abnimmt.


Im nächsten Schritt wird die fast lineare Siedepunkts”kurve” der Alkanole um einen Faktor X verringert, so dass die Kurve („Gerade”) in ihrem Endpunkt die Siedepunkts-Reihe der Alkane berührt (1. Hilfslinie). Da die Cn-Alkanole vergleichbare molekulare Massen haben wie die Cn+1-Alkane, kann der Faktor Molekülmasse bei diesem Vergleich eliminiert werden: der Abstand der beiden „Geraden” (SdP-Alkanole und 1. Hilfslinien) in Richtung der Siedepunktsgeraden voneinander entspricht dem Einfluss der molaren Masse auf den Siedepunkt. Eine Parallele zur 1. Hilfslinie (2. Hilfslinie), beginnend am Siedepunkt von Methan, ergibt den Raum, den sich Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte teilen.
Geht man nämlich von der Annahme aus, dass im Methan 100% Van-der-Waals-Kräfte existieren und umgekehrt im Methanol 100% Wasserstoffbrückenbindungen und keine Van-der-Waals-Kräfte, bzw. im C10-Alkan ebenso wie im C10-Alkanol nur 100% Van-der-Waals-Kräfte, kann man die Strecke zwischen Methan/Methanol und Decan/Decanol nach dem Strahlensatz bzw.

Verhältnisrechnung prozentual aufteilen und den einzelnen Alkanen bzw. Alkanolen prozentuale Anteile an den beiden Sekundärbindungskräften zuteilen.


Danach ergibt sich folgende Verteilung von Wasserstoffbrückenbindungen zu Van-der-Waals-Kräften in den einzelnen Alkanolen (s. Tabelle).
Gut mit dieser Reihe korrespondiert die Wasserlöslichkeit der einzelnen Alkanole, die erst ab Butanol drastisch zurückgeht, weil hier nun mit 59% die Van-der-Waals-Kräfte deutlich stärker sind, während in Propanol noch die Wasserstoffbrückenbindungen mit 57% überwiegen.

Gleichzeitig macht dieser Vergleich deutlich, warum gerade 1-Propanol und Ethanol so gute Lösungsmittel sowohl für hydrophile wie hydrophobe Stoffe sind: die hydrophile Wirkung übertrifft die lipophile Wirkung, diese ist aber noch groß genug ist, um ähnliche Stoffe zu lösen. Obwohl der WBB-Anteil bei Butanol noch recht hoch ist, reicht es doch nicht mehr, um eine unendliche Löslichkeit zu erzielen.
 
Alkanol C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10
WBB-Anteil [%] 100 76 57 41 29 22 15 10 5 0
VdWK-Anteil [%] 0 24 43 59 71 78 85 90 95 0
WL ∞ ∞ ∞ 7,9 2,3 0,6 0,2 0,05 n.b. n.b.
Legende: WL: Wasserlöslichkeit [g/100 g Wasser], n.b.: nicht bekannt.

Grundsätzlich wirken beim Siedepunkt beide Sekundärbindungskräfte zusammen, interessant ist aber doch, welche von beiden welchen Anteil hat bei einem bestimmten Alkanol besitzt. Dieses Verfahren macht eine quantitative Aufteilung verständlich und gibt eine Erklärung für die überraschende Änderung der Wasserlöslichkeit vom 1-Propanol zum 1-Butanol.

update am 05.03.2012                                                                                                                                                                                  zurück       zur Hauptseite