Siedetemperatur, Schmelztemperatur und Löslichkeit
Warum ist Ethanol bei Zimmertemperatur flüssig, Dimethylether dagegen ein Gas, obwohl beide die Summenformel $\mathrm{C_2H_6O}$ haben? Und warum lässt sich Fett mit Wasser allein nicht abwaschen, mit Spülmittel oder Spiritus aber schon? Die Antwort steckt in den zwischenmolekularen Wechselwirkungen. In diesem Abschnitt lernst du, sie aus der Strukturformel abzulesen.
Zwischenmolekulare Wechselwirkungen
Beim Sieden müssen die Moleküle voneinander getrennt werden, die Bindungen innerhalb der Moleküle bleiben dabei erhalten. Je stärker die Anziehung zwischen den Molekülen ist, desto mehr Energie braucht man und desto höher liegt die Siedetemperatur $\vartheta_b$. Dasselbe gilt für die Schmelztemperatur $\vartheta_m$.
Drei Arten von Wechselwirkungen sind für dich wichtig:
| Wechselwirkung | Wo tritt sie auf? | Stärke |
|---|---|---|
| Van-der-Waals-Kräfte (London-Kräfte) | zwischen allen Molekülen, auch unpolaren | schwach, wächst mit Moleküloberfläche und Molmasse |
| Dipol-Dipol-Wechselwirkung | zwischen polaren Molekülen, z. B. mit C=O-Gruppe | mittel |
| Wasserstoffbrückenbindungen | zwischen $\mathrm{O{-}H}$ und einem freien Elektronenpaar am O-Atom eines anderen Moleküls | am stärksten |
Merke: In organischen Stoffen entstehen Wasserstoffbrücken vor allem dann, wenn ein Molekül ein H-Atom an einem O-Atom trägt (O–H-Gruppe). Die C–H-Bindungen der Alkylkette bilden keine.
Siedetemperatur und Struktur
Die Siedetemperatur hängt von zwei Dingen ab: von der Art der stärksten Wechselwirkung und von der Größe der Moleküle.
Kettenlänge. Bei den Alkanen steigt $\vartheta_b$ mit der Kettenlänge: Methan $-162\,^\circ\mathrm{C}$, Ethan $-89\,^\circ\mathrm{C}$, Propan $-42\,^\circ\mathrm{C}$, Butan $-1\,^\circ\mathrm{C}$. Längere Moleküle haben eine größere Oberfläche, an der sich die Moleküle berühren. So wirken mehr van-der-Waals-Kräfte.
Funktionelle Gruppe. Bei ähnlicher Molmasse gilt:
$$\text{Alkan} < \text{Ether, Ester} < \text{Alkanal, Alkanon} < \text{Alkanol} < \text{Carbonsäure}$$| Stoff | $M$ in g/mol | stärkste WW | $\vartheta_b$ |
|---|---|---|---|
| Butan | 58 | van der Waals | $-1\,^\circ\mathrm{C}$ |
| Butanal | 72 | Dipol-Dipol | $75\,^\circ\mathrm{C}$ |
| Butan-1-ol | 74 | Wasserstoffbrücken | $118\,^\circ\mathrm{C}$ |
| Butansäure | 88 | Wasserstoffbrücken (Dimere) | $164\,^\circ\mathrm{C}$ |
Carbonsäuren haben die höchsten Werte, weil zwei Moleküle über zwei Wasserstoffbrücken ein Dimer bilden: Die O–H-Gruppe des einen Moleküls bindet an das O-Atom der C=O-Gruppe des anderen, und umgekehrt. Das Dimer verhält sich wie ein doppelt so großes Molekül.
Isomere und Schmelztemperatur
Konstitutionsisomere haben dieselbe Summenformel, aber unterschiedliche Eigenschaften, weil sich ihre funktionellen Gruppen unterscheiden. Beispiel $\mathrm{C_2H_6O}$:
| Stoff | funktionelle Gruppe | $\vartheta_b$ |
|---|---|---|
| Ethanol | Hydroxygruppe | $78\,^\circ\mathrm{C}$ |
| Dimethylether | Ethergruppe (C–O–C), kein O–H | $-24\,^\circ\mathrm{C}$ |
Im Dimethylether ist kein H-Atom an das O-Atom gebunden. Es gibt keine Wasserstoffbrücken zwischen seinen Molekülen, nur schwache Dipol-Dipol-Kräfte. Deshalb ist er bei Zimmertemperatur gasförmig. Das ist auch für die Lagerung wichtig: Dimethylether muss wie ein Flüssiggas in Druckbehältern gelagert werden, Ethanol als leicht entzündliche Flüssigkeit in dichten Behältern, kühl und fern von Zündquellen.
Schmelztemperatur. Beim Schmelzen bricht das Kristallgitter auf. Hier spielt zusätzlich die Packung der Moleküle im Feststoff eine Rolle. Symmetrische, kompakte Moleküle lassen sich besonders dicht packen und haben oft eine hohe Schmelztemperatur, obwohl ihre Siedetemperatur niedriger ist als die des unverzweigten Isomers. So schmilzt 2-Methylpropan-2-ol bei etwa $25\,^\circ\mathrm{C}$, das unverzweigte Butan-1-ol aber erst bei etwa $-90\,^\circ\mathrm{C}$. Beim Sieden liegt also Butan-1-ol vorn ($118\,^\circ\mathrm{C}$ gegenüber $82\,^\circ\mathrm{C}$), beim Schmelzen das verzweigte, symmetrische Isomer: Die Reihenfolge kehrt sich um. Die Schmelztemperatur ist schwerer vorherzusagen als die Siedetemperatur.
Die Isomere Butan-1-ol ($\vartheta_b = 118\,^\circ\mathrm{C}$) und 2-Methylpropan-2-ol ($\vartheta_b = 82\,^\circ\mathrm{C}$) haben dieselbe Molmasse. a) Zeichnen Sie…
Die Isomere Butan-1-ol ($\vartheta_b = 118\,^\circ\mathrm{C}$) und 2-Methylpropan-2-ol ($\vartheta_b = 82\,^\circ\mathrm{C}$) haben dieselbe Molmasse.
- a) Zeichnen Sie beide Strukturen.
- b) Erklären Sie den Unterschied in den Siedetemperaturen mit der Moleküloberfläche und der Zugänglichkeit der Hydroxygruppe.
- c) Sagen Sie voraus, welcher der beiden Alkohole die höhere Schmelztemperatur haben könnte, und begründen Sie die Möglichkeit mit der Symmetrie.
Die Isomere Ethanol ($\vartheta_b = 78\,^\circ\mathrm{C}$) und Dimethylether ($\vartheta_b = -24\,^\circ\mathrm{C}$) haben die Summenformel $\mathrm{C_2H_6O}$. a)…
Die Isomere Ethanol ($\vartheta_b = 78\,^\circ\mathrm{C}$) und Dimethylether ($\vartheta_b = -24\,^\circ\mathrm{C}$) haben die Summenformel $\mathrm{C_2H_6O}$.
- a) Begründen Sie den großen Unterschied der Siedetemperaturen.
- b) Beurteilen Sie die Wasserlöslichkeit beider Stoffe.
- c) Ein Brandschutzbeauftragter muss Dimethylether und Ethanol lagern. Leiten Sie aus den Siedetemperaturen unterschiedliche Anforderungen an die Lagerung ab.
Ethansäure ($M = 60$ g/mol, $\vartheta_b = 118\,^\circ\mathrm{C}$), Propan-1-ol ($M = 60$ g/mol, $\vartheta_b = 97\,^\circ\mathrm{C}$) und Methansäuremethylester (…
Ethansäure ($M = 60$ g/mol, $\vartheta_b = 118\,^\circ\mathrm{C}$), Propan-1-ol ($M = 60$ g/mol, $\vartheta_b = 97\,^\circ\mathrm{C}$) und Methansäuremethylester ($M = 60$ g/mol, $\vartheta_b = 32\,^\circ\mathrm{C}$) sind Konstitutionsisomere.
- a) Ordnen Sie jedem Stoff Strukturformel und funktionelle Gruppe zu.
- b) Erklären Sie die Reihenfolge der Siedetemperaturen über die Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen.
- c) Beurteilen Sie, welcher Stoff in der gasförmigen Phase Dimere bilden kann, und diskutieren Sie die Auswirkung auf die gemessene Molmasse.
Löslichkeit: hydrophil und lipophil
„Gleiches löst sich in Gleichem": Polare Stoffe lösen sich in polaren Lösemitteln, unpolare in unpolaren.
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hydrophil („wasserliebend"): kann mit Wasser Wasserstoffbrücken oder Dipol-Wechselwirkungen eingehen. Beispiel: die Hydroxygruppe.
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lipophil („fettliebend"): wechselwirkt nur über van-der-Waals-Kräfte, mischt sich mit Fetten und Benzin. Beispiel: die Alkylkette.
Ein Alkanol hat beides: einen hydrophilen Kopf (–OH) und einen lipophilen Schwanz (Alkylrest). Der Rest bestimmt, wer gewinnt.
| Alkanol | Löslichkeit in Wasser bei $20\,^\circ\mathrm{C}$ |
|---|---|
| Methanol, Ethanol | unbegrenzt mischbar |
| Butan-1-ol | etwa $80\,\mathrm{g\cdot L^{-1}}$ |
| Hexan-1-ol | etwa $6\,\mathrm{g\cdot L^{-1}}$ |
| Decan-1-ol | praktisch unlöslich |
Je länger die Kette, desto mehr überwiegt der lipophile Teil, und desto schlechter löst sich der Alkohol in Wasser. Dafür löst er sich besser in Fett und Benzin.
Methanol und Heptan werden jeweils mit Wasser gemischt. a) Geben Sie an, welcher Stoff sich löst. b) Begründen Sie mit den zwischenmolekularen Kräften. c) Erläutern Sie,…
Methanol und Heptan werden jeweils mit Wasser gemischt.
- a) Geben Sie an, welcher Stoff sich löst.
- b) Begründen Sie mit den zwischenmolekularen Kräften.
- c) Erläutern Sie, was „hydrophil" und „lipophil" bedeutet, und ordnen Sie die Hydroxygruppe und die Alkylkette zu.
Die Löslichkeit von Alkoholen in Wasser bei $20\,^\circ\mathrm{C}$ nimmt ab: Methanol und Ethanol sind unbegrenzt mischbar, Butan-1-ol löst sich zu etwa…
Die Löslichkeit von Alkoholen in Wasser bei $20\,^\circ\mathrm{C}$ nimmt ab: Methanol und Ethanol sind unbegrenzt mischbar, Butan-1-ol löst sich zu etwa $80\,\mathrm{g\cdot L^{-1}}$, Hexan-1-ol zu etwa $6\,\mathrm{g\cdot L^{-1}}$.
- a) Erklären Sie den Trend.
- b) Sagen Sie voraus, ob Decan-1-ol in Wasser besser oder schlechter löslich ist als Hexan-1-ol.
- c) Berechnen Sie die Stoffmenge an Butan-1-ol ($M = 74{,}12\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$), die in $250\,\mathrm{mL}$ Wasser höchstens gelöst werden kann.
Anwendung: Lösemittel auswählen
Bei der Wahl eines Lösemittels fragst du: Was soll gelöst werden, und womit soll es später wieder abgespült werden?
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Hexan: löst Fett sehr gut, mischt sich nicht mit Wasser.
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Ethanol und Propanon (Aceton, im Nagellackentferner): haben polare und unpolare Anteile und mischen sich mit Wasser und lösen teilweise Fette.
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Butan-1-ol: Fettlöslichkeit gut, Wasserlöslichkeit begrenzt.
Ein Gemisch aus einem Lösemittel für Fett und einem für Wasser kann beide Aufgaben verbinden. Dazu kommt immer die Sicherheit: Alle genannten Stoffe sind leicht entzündlich, Hexan ist zudem gesundheitsschädlich (Nervengift), Methanol ist giftig. Auch die Entsorgung gehört zur Beurteilung.
Zurück zum Anfang: Ethanol siedet höher als Dimethylether, weil seine Moleküle Wasserstoffbrücken bilden. Fett lässt sich mit Wasser allein nicht entfernen, weil es lipophil ist und Wasser nur hydrophile Stoffe gut löst.
Ein Reinigungsmittel soll Fett lösen und sich gleichzeitig mit Wasser abspülen lassen. Zur Auswahl stehen Ethanol, Hexan, Propanon und Butan-1-ol. a) Beurteilen Sie für…
Ein Reinigungsmittel soll Fett lösen und sich gleichzeitig mit Wasser abspülen lassen. Zur Auswahl stehen Ethanol, Hexan, Propanon und Butan-1-ol.
- a) Beurteilen Sie für jedes Lösemittel Fettlöslichkeit und Wasserlöslichkeit anhand der zwischenmolekularen Kräfte.
- b) Wählen Sie begründet zwei Lösemittel aus und entscheiden Sie, ob ein Gemisch sinnvoll ist.
- c) Nennen Sie je einen Sicherheitsaspekt (Entzündlichkeit, Toxizität), den Sie bei der Auswahl berücksichtigen würden.