Aufgaben: Oxidation von Alkanolen und Nachweise funktioneller Gruppen

Ethanol kann stufenweise zu Ethanal und weiter zu Ethansäure oxidiert werden.

1. a) Bestimmen Sie die Oxidationszahlen des Kohlenstoffatoms der funktionellen Gruppe in Ethanol, Ethanal und Ethansäure. Zeichnen Sie dazu die Strukturformeln.

1. b) Beschreiben Sie anhand der Oxidationszahlen, welche Teilschritte Oxidationen darstellen und warum.

1. c) Nennen Sie die funktionellen Gruppen der drei Stoffe.

Gegeben sind die drei Alkanole Propan-1-ol, Propan-2-ol und 2-Methylpropan-2-ol.

1. a) Zeichnen Sie die Strukturformeln und ordnen Sie die Stoffe begründet den Klassen primäres, sekundäres und tertiäres Alkanol zu.

1. b) Nennen Sie für jedes Alkanol, ob es mit einem Oxidationsmittel wie Kupfer(II)-oxid reagiert. Nennen Sie gegebenenfalls das Oxidationsprodukt.

1. c) Begründen Sie, warum ein tertiäres Alkanol nicht ohne Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts oxidiert werden kann.

Drei farblose Flüssigkeiten sind in unbeschrifteten Gefäßen: Propanal, Propansäure und Propanon. Zur Identifizierung werden zwei Nachweise durchgeführt:

Probe	Fehling-Probe	Universalindikator
1	rotbrauner Niederschlag	grün (pH ca. 7)
2	keine Veränderung	rot (pH ca. 3)
3	keine Veränderung	grün (pH ca. 7)

1. a) Ordnen Sie die Proben 1 bis 3 den drei Stoffen zu und begründen Sie Ihre Entscheidung.

1. b) Formulieren Sie die Teilgleichung der Oxidation von Propanal zu Propansäure und geben Sie die Oxidationszahlen des betroffenen Kohlenstoffatoms an.

1. c) Nennen Sie die funktionelle Gruppe, die durch die Fehling-Probe nachgewiesen wird.

Ein Kupferdraht wird in der Brennerflamme erhitzt, er überzieht sich dabei schwarz. Der noch glühende Draht wird in ein Reagenzglas mit Propan-2-ol getaucht. Er wird wieder kupferrot, und es ist ein charakteristischer, süßlicher Geruch nach Propanon (Nagellackentferner) wahrnehmbar. Die Flüssigkeit zeigt anschließend mit Fehling-Lösung keine Reaktion.

1. a) Erklären Sie die Beobachtungen und stellen Sie die Gleichung der Redoxreaktion zwischen Propan-2-ol und Kupfer(II)-oxid auf.

1. b) Bestimmen Sie die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms, das die Hydroxygruppe trägt, im Edukt und im Produkt. Benennen Sie Oxidationsmittel und Reduktionsmittel.

1. c) Begründen Sie das Ergebnis der Fehling-Probe. Beschreiben Sie, welche Beobachtungen Sie bei der Verwendung von Propan-1-ol erwarten würden.

Ethanol wird mit saurer Kaliumdichromat-Lösung zu Ethansäure oxidiert. Dabei wird Dichromat ($\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$) zu $\mathrm{Cr^{3+}}$ reduziert.

1. a) Stellen Sie die Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion sowie die Gesamtgleichung der Redoxreaktion auf. Beschreiben Sie die Farbänderung der Lösung.

1. b) Es werden $2{,}30\,\mathrm{g}$ Ethanol eingesetzt. Die Ausbeute an Ethansäure beträgt $80{,}0\,\%$. Berechnen Sie die Masse der gebildeten Ethansäure. Es gilt $M(\mathrm{C_2H_5OH}) = 46{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{CH_3COOH}) = 60{,}0\,\mathrm{g/mol}$.

1. c) Begründen Sie, warum die Reaktion mit Dichromat-Lösung nicht nur bei Ethanol, sondern auch bei anderen primären Alkanolen zu Carbonsäuren führen kann.

Vier Isomere der Summenformel $\mathrm{C_4H_{10}O}$ sind Alkanole. Von vier Proben A bis D, die jeweils eines dieser Isomere enthalten, wurden folgende Eigenschaften bestimmt:

Probe	Siedetemperatur	Oxidation mit Kupfer(II)-oxid
A	117 °C	Produkt reagiert mit Fehling-Lösung, weitere Oxidation zur Säure möglich
B	108 °C	Produkt reagiert mit Fehling-Lösung, weitere Oxidation zur Säure möglich
C	100 °C	Produkt reagiert nicht mit Fehling-Lösung
D	82 °C	keine Reaktion

1. a) Zeichnen Sie die Strukturformeln der vier Isomere und benennen Sie sie systematisch.

1. b) Ordnen Sie die Proben A bis D den Isomeren zu, soweit dies durch die Oxidationsversuche möglich ist. Begründen Sie Ihre Zuordnung.

1. c) Erklären Sie mithilfe zwischenmolekularer Wechselwirkungen, warum die Siedetemperaturen der Isomere unterschiedlich sind und mit zunehmender Verzweigung sinken.

Anna möchte im Schullabor Propanal aus Propan-1-ol herstellen. Sie weiß, dass Propanal bei weiterer Oxidation zu Propansäure reagiert. Aus einer Tabelle entnimmt sie die Siedetemperaturen:

Stoff	Siedetemperatur bei 1013 hPa
Propanal	48 °C
Propan-1-ol	97 °C
Propansäure	141 °C

Sie schlägt vor, das Oxidationsmittel zu dem erwärmten Alkanol zu tropfen und das Produkt gleichzeitig aus der Reaktionsmischung abzudestillieren.

1. a) Erklären Sie die Reihenfolge der Siedetemperaturen mithilfe der zwischenmolekularen Wechselwirkungen.

1. b) Planen Sie ein Experiment zur Herstellung von Propanal nach Annas Vorschlag. Nennen Sie die Apparatur, die Reaktionsbedingungen und eine Möglichkeit, das Produkt nachzuweisen.

1. c) Beurteilen Sie, inwiefern die Destillation der Überoxidation entgegenwirkt, und nennen Sie mögliche Grenzen des Verfahrens.

Methanol wird im Körper stufenweise zu Methanal, dann zu Methansäure und schließlich zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Die Zwischenprodukte sind giftig.

1. a) Bestimmen Sie die Oxidationszahlen des Kohlenstoffatoms in Methanol, Methanal, Methansäure und Kohlenstoffdioxid.

1. b) Formulieren Sie die Teilgleichungen für die Oxidation von Methanal zu Methansäure und von Methansäure zu Kohlenstoffdioxid (saure Lösung). Erklären Sie, warum Methansäure im Unterschied zu Ethansäure noch weiter oxidiert werden kann. Berücksichtigen Sie dabei die Oxidationszahl.

1. c) Methanol verbrennt vollständig gemäß $\mathrm{2\,CH_3OH + 3\,O_2 \longrightarrow 2\,CO_2 + 4\,H_2O}$. Berechnen Sie das Volumen an Sauerstoff, das für die vollständige Verbrennung von $3{,}20\,\mathrm{g}$ Methanol bei $20\,°\mathrm{C}$ und $1013\,\mathrm{hPa}$ benötigt wird. Es gilt $M(\mathrm{CH_3OH}) = 32{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und das molare Volumen $V_\mathrm{m} = 24{,}0\,\mathrm{L/mol}$.

Ein Gemisch aus Propan-1-ol und Propan-2-ol mit einer Gesamtmasse von $1{,}00\,\mathrm{g}$ wird vorsichtig mit Kupfer(II)-oxid oxidiert. Anschließend wird die Reaktionsmischung mit Fehling-Lösung erwärmt. Es entstehen $1{,}43\,\mathrm{g}$ Kupfer(I)-oxid ($\mathrm{Cu_2O}$). Pro Mol Aldehyd entsteht dabei ein Mol Kupfer(I)-oxid. Es gilt $M(\mathrm{Cu_2O}) = 143\,\mathrm{g/mol}$ und für beide Alkanole $M = 60{,}0\,\mathrm{g/mol}$.

1. a) Erklären Sie, warum nur eines der beiden Alkanole zu einer positiven Fehling-Probe führt, und geben Sie die Reaktionsgleichung der Oxidation dieses Alkanols mit Kupfer(II)-oxid an.

1. b) Berechnen Sie den Massenanteil $w$ von Propan-1-ol in dem Gemisch unter der Annahme einer vollständigen Oxidation zum Aldehyd.

1. c) Beurteilen Sie die Aussagekraft dieses Verfahrens. Berücksichtigen Sie mögliche Fehlerquellen, zum Beispiel Überoxidation und unvollständigen Umsatz.