Quantitative Analyse von Ethanol einfach erklärt: Reaktivität

Hast du dich jemals gefragt, wie Chemiker bei der quantitativen Analyse und chemischen Reaktivität von Ethanol herausfinden, wie schwer ein einzelnes, unsichtbares Molekül ist? Wir können Moleküle natürlich nicht einzeln auf eine Waage legen.

Aber wir können einen cleveren Trick anwenden: Wir verwandeln eine Flüssigkeit in ein Gas und messen, wie viel Platz es einnimmt. In diesem Artikel lernst du, wie man durch das Verdampfen von Ethanol seine Masse berechnet. Außerdem schauen wir uns an, was passiert, wenn Ethanol auf reaktive Metalle trifft, und lüften so seine verborgenen chemischen Eigenschaften.

Vorwissen

• Stoffmenge und Molare Masse: Die molare Masse ($M$) gibt an, wie viel ein Mol eines Stoffes wiegt. Die Formel lautet $M = \frac{m}{n}$.

  Beispiel: Wenn $2 \text{ mol}$ eines Stoffes $36 \text{ g}$ wiegen, ist die molare Masse $18 \text{ g/mol}$.

• Molares Volumen ($V_m$): Ein Mol eines beliebigen Gases nimmt bei Raumtemperatur ein festgelegtes Volumen ein, meist $24 \text{ l/mol}$. Die Formel lautet $n = \frac{V}{V_m}$.

  Beispiel: $12 \text{ l}$ Gas entsprechen genau $0.5 \text{ mol}$.

• Elektrische Leitfähigkeit: Eine Flüssigkeit leitet nur dann elektrischen Strom, wenn sie frei bewegliche Ionen (geladene Teilchen) enthält.

  Beispiel: Salzwasser leitet Strom, weil es gelöste Ionen enthält, reines Wasser hingegen nicht.

Aufgabentyp 1: Bestimmung der Molekülmasse über das Gasvolumen

Um die Masse eines Ethanol-Moleküls zu bestimmen, nutzen wir eine besondere Eigenschaft: Ethanol verdampft sehr leicht. Wenn eine Flüssigkeit zu Gas wird, dehnt sie sich stark aus. Wir spritzen eine genau gewogene Menge flüssiges Ethanol in ein geschlossenes System.

Das Ethanol verdampft im Kolben und verdrängt dabei die dort vorhandene Luft in einen Messzylinder (den Kolbenprober). Das Volumen der verdrängten Luft entspricht genau dem Volumen des entstandenen Ethanolgases. Da wir wissen, dass ein Mol eines Gases immer ein bestimmtes Volumen einnimmt (das molare Volumen $V_m = 24 \text{ l/mol}$), können wir aus dem gemessenen Volumen berechnen, wie viele Teilchen (Mol) wir haben. Aus der Masse und der Teilchenzahl berechnen wir dann die molare Masse in $\text{g/mol}$. Dieser Wert entspricht genau der Molekülmasse in atomaren Masseneinheiten (u).

Verdampfung von Ethanol

Zweck: Messung des Gasvolumens einer bekannten Masse Ethanol zur Bestimmung der molaren Masse.

Materialien: Injektionsspritze, 100-ml-Kolbenprober, 1-Liter-Rundkolben mit Glaskugeln, Dreiwegehahn, $0.1 \text{ g}$ flüssiges Ethanol.

Vorgehen:

1. Wiege die Injektionsspritze mit dem flüssigen Ethanol auf einer Feinwaage.

2. Spritze das Ethanol über den Dreiwegehahn in den Rundkolben.

3. Lies das Volumen des verdrängten Gases am Kolbenprober ab.

4. Wiege die leere Injektionsspritze erneut, um die exakte Masse des eingespritzten Ethanols zu bestimmen.

Beobachtung: Das flüssige Ethanol verschwindet im Kolben. Der Stempel des Kolbenprobers bewegt sich nach außen und bleibt bei einem bestimmten Volumen stehen.

Erklärung: Das Ethanol verteilt sich über die große Oberfläche der Glaskugeln und verdampft sofort. Das Ethanolgas benötigt viel mehr Platz als die Flüssigkeit und drückt die Luft in den Kolbenprober. Das abgelesene Volumen ist das Volumen des Ethanolgases.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Masse des Stoffes berechnen: Subtrahiere die Masse der leeren Spritze von der Masse der vollen Spritze, um die Masse $m$ der Flüssigkeit zu erhalten.
2. Stoffmenge des Gases berechnen: Wandle das abgelesene Volumen $V$ in Liter um. Teile es dann durch das molare Volumen $V_m$ (meist $24 \text{ l/mol}$), um die Stoffmenge $n$ zu erhalten: $n = \frac{V}{V_m}$.
3. Molare Masse berechnen: Teile die Masse $m$ durch die Stoffmenge $n$, um die molare Masse $M$ zu erhalten: $M = \frac{m}{n}$.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Reaktion von Ethanol mit Natrium

Ethanol ist nicht nur eine Flüssigkeit, die verdampfen kann, sondern es reagiert auch chemisch. Wenn wir ein unedles Alkalimetall wie Natrium in Ethanol geben, findet eine Redoxreaktion statt. Das Natrium greift gezielt die OH-Gruppe des Ethanols an und verdrängt das Wasserstoffatom.

Dabei entstehen zwei völlig neue Stoffe: Erstens verbinden sich die verdrängten Atome zu brennbarem Wasserstoffgas. Zweitens entsteht eine neue Verbindung namens Natriumethanolat. Diese Verbindung zerfällt in der Flüssigkeit sofort in geladene Ionen (Natrium-Ionen und Ethanolat-Ionen). Weil nun frei bewegliche Ionen in der Lösung schwimmen, kann die Flüssigkeit plötzlich elektrischen Strom leiten.

Ethanol trifft auf Natrium

Zweck: Nachweis der Reaktionsprodukte bei der Reaktion von Ethanol mit Natrium.

Materialien: Becherglas, $50 \text{ ml}$ reines Ethanol, ein erbsengroßes Stück Natrium, Reagenzglas, Leitfähigkeitsprüfer, Bunsenbrenner.

⚠️ Sicherheitshinweis: Natrium ist stark ätzend und reagiert heftig mit Feuchtigkeit. Wasserstoff ist hochentzündlich. Schutzbrille tragen und Versuch nur unter Aufsicht der Lehrkraft durchführen!

Vorgehen:

1. Prüfe die Leitfähigkeit des reinen Ethanols im Becherglas.

2. Gib das erbsengroße Stück Natrium in das Ethanol.

3. Fange das aufsteigende Gas mit einem umgedrehten Reagenzglas auf.

4. Führe die Knallgasprobe durch, indem du das Reagenzglas an die Flamme des Bunsenbrenners hältst.

5. Prüfe die Leitfähigkeit der Lösung nach der Reaktion erneut.

Beobachtung: Vor der Reaktion leitet das Ethanol keinen Strom. Sobald das Natrium hinzugegeben wird, sprudelt es stark. Bei der Knallgasprobe hört man ein deutliches "Plopp"-Geräusch. Nach der Reaktion leuchtet die Lampe des Leitfähigkeitsprüfers hell auf.

Erklärung: Das Sprudeln und das "Plopp"-Geräusch beweisen, dass Wasserstoffgas entstanden ist. Das Leuchten der Lampe beweist, dass sich Ionen gebildet haben, die den Strom durch die Lösung transportieren.

Wichtige Erkenntnisse

• Die molare Masse einer flüchtigen Flüssigkeit lässt sich berechnen, indem man ihr Gasvolumen misst und das molare Volumen ($V_m$) nutzt.

• Ethanol reagiert mit Alkalimetallen wie Natrium unter Bildung von Wasserstoffgas.

• Die bei dieser Reaktion entstehende Lösung enthält Ionen und leitet daher elektrischen Strom.