Aufgaben: Estersynthese und chemisches Gleichgewicht

Essigsäureethylester ist ein häufig verwendetes Lösemittel, etwa in Nagellackentfernern. Er wird aus Ethansäure und Ethanol unter Zusatz von konzentrierter Schwefelsäure hergestellt.

1. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Estersynthese mit Strukturformeln auf. Kennzeichnen Sie die Estergruppe.

1. b) Nennen Sie die Funktion der Schwefelsäure und erklären Sie, warum man von homogener Katalyse spricht.

1. c) Nennen Sie das Nebenprodukt der Reaktion.

Ester kommen in Fruchtaromen vor. In der Tabelle sind einige Beispiele aufgeführt.

Ester	Geruch
Butansäureethylester	Ananas
Essigsäureisopentylester	Birne
Butansäuremethylester	Apfel

1. a) Nennen Sie die Edukte zur Herstellung von Butansäureethylester und zeichnen Sie die Strukturformel des Esters.

1. b) Nennen Sie drei Maßnahmen, mit denen die Ausbeute einer Estersynthese nach dem Prinzip von Le Chatelier erhöht werden kann.

1. c) Beschreiben Sie, was man unter einem chemischen Gleichgewicht versteht.

Für die Bildung von Essigsäureethylester aus Ethansäure und Ethanol gilt bei $25\,°\mathrm{C}$ die Gleichgewichtskonstante $K_c = 4{,}0$.

1. a) Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für diese Reaktion.

1. b) Beschreiben Sie, wie sich der Zusatz eines Katalysators auf den Wert von $K_c$ auswirkt.

1. c) Erklären Sie anhand des Massenwirkungsgesetzes, warum ein Überschuss an Ethanol die Ausbeute an Ester erhöht.

Ethansäure und Ethanol reagieren zu Essigsäureethylester und Wasser. Für die Reaktion gilt $K_c = 4{,}0$. Alle Stoffe liegen im Gleichgewicht im gleichen Volumen gelöst vor.

1. a) Berechnen Sie die Stoffmenge an Ester im Gleichgewicht, wenn man $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Ethansäure und $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Ethanol einsetzt. Geben Sie die Ausbeute bezogen auf die Säure an.

1. b) Berechnen Sie die Stoffmenge an Ester im Gleichgewicht, wenn man $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Ethansäure und $3{,}00\,\mathrm{mol}$ Ethanol einsetzt. Geben Sie auch hier die Ausbeute bezogen auf die Säure an.

1. c) Begründen Sie den Unterschied der Ausbeuten mithilfe des Prinzips von Le Chatelier.

Vier Ansätze zur Herstellung von Essigsäureethylester werden jeweils $60\,\mathrm{min}$ bei $70\,°\mathrm{C}$ unter Rückfluss erhitzt. Je Ansatz werden $0{,}200\,\mathrm{mol}$ Ethansäure eingesetzt.

Ansatz	Bedingungen	Ausbeute nach 60 min
A	äquimolar, mit Schwefelsäure	62 %
B	3-facher Überschuss Ethanol, mit Schwefelsäure	85 %
C	äquimolar, mit Schwefelsäure, Wasser wird durch ein Trockenmittel gebunden	91 %
D	äquimolar, ohne Schwefelsäure	4 %

1. a) Erklären Sie die Unterschiede der Ausbeuten der Ansätze A, B und C.

1. b) Erklären Sie das Ergebnis von Ansatz D. Beurteilen Sie, ob Ansatz D bei sehr langer Reaktionszeit die gleiche Ausbeute wie Ansatz A erreichen würde.

1. c) Berechnen Sie die Masse an Ester, die in Ansatz B entstanden ist. Es gilt $M(\mathrm{C_4H_8O_2}) = 88{,}1\,\mathrm{g/mol}$.

In einem Fruchtjoghurt mit einem pH-Wert von etwa 4 ist ein Aromaester gelöst. Zur Modellierung wird die Hydrolyse von Essigsäureethylester betrachtet. $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Ester (entspricht $88{,}1\,\mathrm{g}$) und $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Wasser werden gemischt. Für die Bildung des Esters aus Säure und Alkohol gilt $K_c = 4{,}0$.

1. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Hydrolyse von Essigsäureethylester mit Strukturformeln auf.

1. b) Erklären Sie, warum Oxonium-Ionen sowohl die Veresterung als auch die Hydrolyse katalysieren, ohne die Lage des Gleichgewichts zu verändern.

1. c) Berechnen Sie, welche Masse an Ester im Gleichgewicht noch vorliegt. Gehen Sie davon aus, dass alle Stoffe im gleichen Volumen gelöst vorliegen.

Mia soll im Schullabor Essigsäuremethylester herstellen und dabei die Ausbeute möglichst hoch halten. Ihr stehen folgende Angaben zur Verfügung:

Stoff	Siedetemperatur
Essigsäuremethylester	57 °C
Methanol	65 °C
Wasser	100 °C
Ethansäure	118 °C

Als Material stehen ihr Ethansäure, Methanol, konzentrierte Schwefelsäure, ein Trockenmittel, Siedesteine und handelsübliche Glasgeräte zur Verfügung.

1. a) Planen Sie ein Experiment zur Herstellung von Essigsäuremethylester. Geben Sie Edukte, Katalysator, Apparatur und Maßnahmen zur Optimierung der Ausbeute an.

1. b) Begründen Sie jede der von Ihnen geplanten Maßnahmen mithilfe des Prinzips von Le Chatelier.

1. c) Methanol ist giftig. Beurteilen Sie, welche Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind und ob ein anderes Alkanol sinnvoller wäre.

Bei der Synthese eines Esters aus je $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Carbonsäure und Alkanol in einem Gesamtvolumen von $1{,}00\,\mathrm{L}$ wird die Stoffmenge des Esters zeitabhängig bestimmt:

t in min	0	10	20	40	60	90	120	150
n(Ester) in mol	0	0,18	0,29	0,44	0,52	0,58	0,60	0,60

1. a) Beschreiben Sie den Verlauf der Stoffmenge des Esters und deuten Sie ihn im Hinblick auf das chemische Gleichgewicht.

1. b) Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante $K_c$ der Reaktion.

1. c) Berechnen Sie die Ausbeute bezogen auf die Säure, wenn bei gleichem $K_c$ $1{,}00\,\mathrm{mol}$ Säure mit $2{,}00\,\mathrm{mol}$ Alkanol umgesetzt werden.

1. d) Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf von $n(\text{Ester})$ gegen $t$ bei Zusatz von mehr Katalysator in den gleichen Ansatz und erläutern Sie ihn.

Ein Entsorgungsunternehmen und ein Hersteller von Lösemitteln vergleichen zwei Verfahren zur Herstellung von $1000\,\mathrm{kg}$ Essigsäureethylester. In beiden Verfahren wird der Ester kontinuierlich abgetrennt, der jeweils nicht vollständig umgesetzte Anteil der Ethansäure wird nicht zurückgewonnen.

	Verfahren A	Verfahren B
Maßnahme	Überschuss an Ethanol	Entfernen von Wasser mit Wasserabscheider
Ausbeute bezogen auf Ethansäure	85 %	97 %
Energiebedarf je kg Ester	2,1 MJ	3,4 MJ

Es gilt $M(\mathrm{CH_3COOH}) = 60{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{C_4H_8O_2}) = 88{,}1\,\mathrm{g/mol}$.

1. a) Erklären Sie für beide Verfahren die Wirkung der Maßnahme mit dem Prinzip von Le Chatelier.

1. b) Berechnen Sie für beide Verfahren die Masse an Ethansäure, die für $1000\,\mathrm{kg}$ Ester eingesetzt werden muss, sowie den Gesamtenergiebedarf.

1. c) Bewerten Sie beide Verfahren unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten und geben Sie eine begründete Empfehlung ab.