Übung zum Thema: Butanole, zwischenmolekulare Bindungskräfte und Redoxreaktionen

I. 1. Formuliere die Halbstrukturformeln aller einwertigen Butanole und benenne die entsprechenden Isomere des Butanols.
2. Setze die Halbstrukturformeln in entsprechende Struktursymbole um.
3. Stelle die physikalisch-chemischen Eigenschaften Schmelzpunkt, Siedepunkt, Wasserlöslichkeit und Dichte aus dem Datenblatt Alkanole zusammen, vergleiche sie und begründe die Unterschiede in einer Erörterung der zwischenmolekularen Bindungskräfte (Sekundärbindung).
II. 1. Formuliere die Oxidationsprodukte der einzelnen Isomere des Butanols.
2. Benenne die Oxidationsprodukte, erstelle die Strukturformeln und Struktursymbole.
3. Trage aus den entsprechenden Datenblättern Alkanale, Alkanone und Carbonsäuren die Eigenschaften Siedepunkt, Wasserlöslichkeit und Dichte zusammen und begründe die Unterschiede durch eine entsprechende Erörterung der zwischenmolekularen Bindungskräfte.
4. Formuliere die Redoxreaktionen zwischen den einzelnen Isomeren des Butanols und den entsprechenden sich daraus ergebenden Oxidationsprodukten (Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren) mit den Oxidationsmitteln Kupferoxid, schwefelsaure Kaliumdichromat-Lösung und schwefelsaure Kaliumpermanganat-Lösung in den Teilgleichungen der Oxidation und Reduktion. Erstelle dazu jeweils die Oxidationszahlen des Oxidations- und des Reduktionsmittels.

Lösungen:

I. 1. Formuliere die Halbstrukturformeln aller einwertigen Butanole und benenne die entsprechenden Isomere des Butanols.
1-Butanol 2-Butanol 2-Methyl-1-propanol 2-Methyl-2-propanol

 

2. Setze die Halbstrukturformeln in entsprechende Struktursymbole um.
1-Butanol 2-Butanol 2-Methyl-1-propanol 2-Methyl-2-propanol

 

3. Stelle die physikalisch-chemischen Eigenschaften Schmelzpunkt, Siedepunkt, Wasserlöslichkeit und Dichte aus dem Datenblatt Alkanole zusammen, vergleiche sie und begründe die Unterschiede in einer Erörterung der zwischenmolekularen Bindungskräfte (Sekundärbindung).
  1-Butanol 2-Butanol 2-Methyl-1-propanol 2-Methyl-2-propanol
Smp [°C] -78,8  [-194,35K] -114,0  [-159,15K] -108  [-165,15K] 25,5  [+298,65K]
SdP [°C] 118,0 99,5 108,0 83,0
WL [100 g H2O] 7,9 12,5 10 unendlich
D [g/ml] 0,81 0,806 0,802 0,789
Begründung-Schmelzpunkt: Die Höhe des Schmelzpunktes wird aus einer Kombination von Stärke der Zwischenmolekularen Bindungskräfte und Ausbildung eines kristallinen Gitters bestimmt. Offensichtlich ist diese Kombination beim tert.-Butanol am besten ausgebildet, am schlechtesten beim 1-Butanol. Wegen der geringen Kettenlänge entstehen keine starken Van-der-Waals-Bindungen, andererseits ist die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (Wasserstoffbrückenbindung) auch nicht gerade begünstigt. 2-Methyl-propanol-1 bildet wohl etwas bessere kristalline Gitter wegen der geringeren Kettenlänge, noch besser 2-Butanol, weil die Hydroxy-Gruppe seitlich "versteckt" liegt.

siehe auch: http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/09_08.htm

Begründung-Siedepunkt: Im flüssigen Zustand entscheiden alleine die Sekundärbindungskräfte (SBK) die Höhe des Siedepunktes. Offensichtlich bildet 1-Butanol am besten Sekundärbindungskräfte aus in einer Kombination aus Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräften. 2-Methyl-propanol-1 hat immerhin noch die Kettenlänge eines Propan-Restes, bei 2-Butanol wirkt sich die "versteckte" Hydroxygruppe nachteilig aus. Beim tert.-Butanol treffen beide Effekte zusammen.

Begründung-Wasserlöslichkeit: Für die Wasserlöslichkeit (WL) ist die Lage der Hydroxygruppe wenig entscheidend, vielmehr die Größe des hydrophoben Kohlenwasserstoff-Restes. Tert.-Butanol hat den "kleinsten", fast kugelförmigen KW-Rest, der sich am geringsten auf die WL auswirkt, deswegen ist hier die WL am größten. Bei den drei anderen Butanolen sind die Unterschiede eher marginal, bei 1-Butanol wirkt die C4-Kette am stärksten gegen die WL, bei 2-Butanol wirkt die Seitenstellung der Hydroxygruppe förderlich.

Begründung-Dichte: Auch hier sind die Unterschiede zwischen den vier Butanolen eher gering, bei tert.-Butanol spricht die "Kugelgestalt" dafür, dass die zwischenmolekularen Räume/Abstände am größten sind, also die geringsten SBK ausgebildet werden. Dafür spricht ja auch der niedrigste Siedepunkt aller vier Alkohole.

siehe auch: Klausurfragen zum Thema Alkanole, Aldehyde, Ketone

 

II. 1. Formuliere die Oxidationsprodukte der einzelnen Isomere des Butanols.
  1-Butanol 2-Butanol 2-Methyl-1-propanol 2-Methyl-2-propanol
Oxidations-
produkt
1-Butanal
Buttersäure
2-Butanon 2-Methyl-1-propanal
2-Methylpropionsäure
keine Oxidation ohne Zerstörung
des Molekülgerüstes möglich

 

2. Benenne die Oxidationsprodukte, erstelle die Strukturformeln und Struktursymbole.
1-Butanal

2-Butanon

2-Methyl-1-propanal

2-Methyl-2-propanol

keine Oxidation ohne
Zerstörung des
Molekülgerüstes möglich

Buttersäure

keine weitere
Oxidation
möglich ohne
Zerstörung
des
Molekül-
gerüstes
2-Methyl-propionsäure

 

3. Trage aus den entsprechenden Datenblättern Alkanale, Alkanone und Carbonsäuren die Eigenschaften Siedepunkt, Wasserlöslichkeit und Dichte zusammen und begründe die Unterschiede durch eine entsprechende Erörterung der zwischenmolekularen Bindungskräfte.
  1-Butanal 2-Butanon 2-Methyl-propanal-1
Siedepunkt [°C] 74,8 79,6 64,1
Wasserlöslichkeit [g/100 g H2O] 7 26 wenig
Dichte [g/mL] 0,796 0,8 0,784
  Buttersäure   2-Methyl-propionsäure
Siedepunkt [°C] 164,0 154,7
Wasserlöslichkeit [g/100 g H2O] unendlich 21
Dichte [g/mL] 0,953 0,943

Begründung-Siedepunkt: Die Moleküle von 1-Butanal, 2-Methyl-propanal und Butanon binden sich über Dipol-Dipol-Kräfte. Die Unterschiede sind nicht besonders ausgeprägt, bei 2-Butanon sind die SBK am stärksten, weil die polare Ketogruppe aus dem Molekül "herausragt", bei 2-Methyl-propanal-1 am schwächsten aufgrund der fast kugeligen Gestalt des Moleküls. Der gleiche Effekt - Einfluss der Molekülgestalt - zeigt sich im Vergleich der Carbonsäuren, mit dem Unterschied, dass hier starke Wasserstoffbrückenbindung wirken, die vielfach zur Dimer-Bildung neigen.

siehe auch: Lösungen zu den Klausuraufgaben

Begründung-Wasserlöslichkeit: 2-Butanon ist deutlich wasserlöslicher als die beiden Aldehyd-Verbindungen. Der Grund liegt wohl darin, dass die Seitenstellung der Ketogruppe besser die Ausbildung der Wasserstoffbrückenbindung ermöglicht als die endständigen Carbonylgruppen. Gleichzeitig wirkt sich der hydrophobe Anteil der Alkylgruppe weniger stark aus. 
Bei Buttersäure können sich in Wasser die Wasserstoffbrückenbindung vollständig ausbilden, bei 2-Methyl-propionsäure wirkt sich der verzweigte Alkylrest hydrophob aus.

Begründung-Dichte: Die Carbonylverbindungen zeigen alle in etwa die gleiche Dichte an, während die Carboxylverbindungen aufgrund der Dimer-Bildung und der Wasserstoffbrückenbindungen untereinander eine höhere Dichte haben, also mehr Teilchen pro Raumeinheit  verbunden sind.
 

4. Formuliere die Redoxreaktionen zwischen den einzelnen Isomeren des Butanols und den entsprechenden sich daraus ergebenden Oxidationsprodukten (Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren) mit den Oxidationsmitteln Kupferoxid, schwefelsaure Kaliumdichromat-Lösung und schwefelsaure Kaliumpermanganat-Lösung in den Teilgleichungen der Oxidation und Reduktion. Erstelle dazu jeweils die Oxidationszahlen des Oxidations- und des Reduktionsmittels.

Redoxreaktionen mit Kupferoxid: Oxidation von Alkoholen zum Aldehyd oder Keton

Redoxreaktionen mit Kaliumdichromat: Lösungen zu den Klausuraufgaben

Oxidation der Aldehyde

Übungsaufgaben und Fragen zu Alkanolen und Alkanalen

Redoxreaktionen mit Kaliumpermanganat: Lösungen zu den Klausuraufgaben

 

 

 

update: 17.09.17                                                                                                                                                                                   zurück        zur Hauptseite