5. – 13. Schuljahr

Peter Pfeifer und Susanne Schaffer

Redox-Reaktionen mit Alkanolen

Fachmethodische Kompetenzen, Fachbegriffe, Kontexte

Am Leitthema „Alkohole lassen sich wichtige Perspektiven fachsystematischer Zusammenhänge, wissenschaftliche Konzepte, fachmethodische Kompetenzen und praxisorientierte Kontexte über die Jahrgangsstufen hinweg lernwirksam zusammenführen. Dieser Anspruch lässt sich durch das Heranführen der Lernenden an ein wissenschaftlich tragfähiges Konzept für die Begriffe Oxidation, Reduktion und Redox-Reaktion an Themen aus der Lebenswelt einlösen. Dabei ist besonders auf die Anschlussfähigkeit von Präkonzepten zu achten. Dies betrifft vor allem den frühen Chemieunterricht, in dem der Begriff der Oxidation nicht mit einer undifferenzierten „Sauerstoffaufnahme belastet werden sollte [2, 3, 4]. Zur Orientierung sind in Tabelle1 Kriterien, Repräsentationsebenen und damit korrespondierende Modellvorstellungen für verschiedene Definitionen der Begriffe Oxidation und Reduktion zusammengestellt [2].
Oxidation von Alkoholen
Oxide als Reaktionsprodukte vollständige Oxidation
Verbrennungsreaktionen von Alkoholen mit elementarem Sauerstoff sind weit verbreitet, vom Flambieren bis zum Spiritusbrenner. Im klassischen Experimentalunterricht lassen sich Kohlenstoffdioxid und Wasser als Reaktionsprodukte qualitativ nachweisen und quantitativ bestimmen (vgl. Verbrennungsanalyse).
Beispiel: Ethanol
C2H6O + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O ;
ΔrHm0 = 1380 kJ/mol ⩠ ca. 30 kJ/g
Als Begleitprodukte entstehen bei dieser Verbrennung (Oxidation) von Ethanol infolge der heißen Flamme auch Stickstoffoxide (NO/NO2).
Die Volumenverhältnisse in der Reaktionsgleichung lassen erkennen, dass diese exotherme Reaktion auch explosionsartig verlaufen kann je nach der Zusammensetzung eines Gemisches aus Ethanoldampf und Sauerstoff bzw. Luft. Die Explosionsgrenzen liegen zwischen 3,5% – 15% Ethanoldampf in der Luft. Die leichte Entflammbarkeit von Ethanol hängt zusammen mit dem niedrigen Flammpunkt es verdunstet leicht. Da die blaue Flamme mitunter schlecht zu erkennen ist, kann die Alkoholflamme zur Gefahr werden.
Der Ausdruck „vollständige Verbrennung bezieht sich auf die stabilen Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Oxidationszahl des Kohlenstoff-Atoms im Kohlenstoffdioxid-Molekül beträgt +IV und entspricht der höchsten Oxidationsstufe des Kohlenstoff-Atoms. Bei der vollständigen Verbrennung von Alkoholen entstehen die Oxide Kohlenstoffdioxid und Wasser Oxidationsmittel ist der Sauerstoff. Abbildung1 zeigt, wie auf der Basis von Experimentalbefunden von der Brennbarkeit über den Brennstoff Ethanol bis hin zur Verwendung als Treibstoff ein Aufbau chemischer Fachkompetenz erfolgt.
Biochemische Aspekte Gesundheitserziehung
Der oxidative Abbau von Ethanol im Körper wird alltagsprachlich ebenfalls als „Verbrennung bezeichnet (vgl. Kasten1 ). Diese Analogie ist allenfalls im Hinblick auf die Endprodukte und die Energiebilanz zu rechtfertigen. Angemessene Vorstellungen zum biochemischen Geschehen führen zu wichtigen Einblicken in die schrittweise ablaufenden Stoffwechselvorgänge zwischen Metaboliten und Wasserstoff übertragenden Enzymen, wie z.B. der Alkohol-Dehydrogenase mit dem Coenzym-NADH/H+-System [10]. Es handelt sich um Redox-Reaktionen, bei denen sowohl auf Stoff- als auch auf Teilchenebene von einer „Wasserstoffübertragung gesprochen werden kann. Je nach Konsumverhalten werden im Körper beachtliche Stoffportionen an Ethanol abgebaut.
Alkoholische Gärung in der Hefezelle
Alkoholische Gärung in der Hefezelle
Mensch und Hefe bauen die Glucose in einer Reihe von Reaktionsschritten bis zur Brenztraubensäure ab, bzw. zu ihrem Salz, dem Pyruvat. Hefen sind in der Lage, dieses Stoffwechselzwischenprodukt in zwei Schritten mit spezifischen Enzymen (Pyruvat-Decarboxylase und Alkohol-Dehydrogenase) über Acetaldehyd zu Ethanol umzusetzen, beim Menschen wird bei Sauerstoffmangel...

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