10. – 11. Schuljahr

Peter Pfeifer, Susanne Schaffer und Katrin Sommer

Vom Reinstoff zur Konstitutionsformel

Auf dem Weg zur Strukturformel von Ethanol

Die Strukturaufklärung des Ethanol-Moleküls kann als Idealfall exemplarischen Arbeitens gelten und ist eng verknüpft mit dem forschend-entwickelnden Unterrichtsverfahren mit Beiträgen zum Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung.
Die Formel für die chemische Substanz Ethanol ist das Ergebnis eines zentralen Erkenntnisprozesses, dessen Ziel es ist, Klarheit über die chemische Zusammensetzung eines Reinstoffes zu gewinnen qualitativ und quantitativ. Die für den Erkenntnisprozess relevanten Schritte ergeben sich aus dem Ineinandergreifen von Experimentalbefunden und deren wissenschaftlicher Verarbeitung.
Vom Reinstoff zur Konstitutionsformel
Die Ermittlung der Konstitutionsformel des Reinstoffes erfolgt in mehreren Schritten (Abb.1 ) und wird nachfolgend am Beispiel Ethanol konkretisiert. Die Schritte von der qualitativen Analyse bis zur Ermittlung der empirischen Formel werden auch als Elementaranalyse bezeichnet [1 – 5]. Das Ergebnis die empirische Formel ist eine Aussage über das kleinste ganzzahlige Atomzahlenverhältnis einer chemischen Verbindung.
Schritt1: Die Qualitative Analyse
Ausgangspunkt der Erkenntnisgewinnung ist der Reinstoff, dessen Formel ermittelt werden soll. Idealerweise wird dieser Reinstoff zunächst durch die Schülerinnen und Schüler selbst gewonnen. Sie nutzen dafür die entsprechenden Fachmethoden, wie z.B. die Gewinnung von reinem Ethanol durch Destillation über Calciumoxid. Daran schließt sich nun die Analyse der am Aufbau beteiligten Elemente an (z.B. [10]). Aus deren Ergebnis ist es möglich, alle am Stoffaufbau beteiligten Elemente zu benennen. Dabei handelt es sich um einen qualitativen Schritt.
Schritt 2: Quantitative Analyse
Dieser Schritt hat die quantitative Oxidation einer definierten Stoffportion an Ethanol zur Grundlage. Die bei dieser Reaktion entstehenden Reaktionsprodukte Kohlenstoffdioxid und Wasser werden getrennt adsorbiert (Kohlenstoffdioxid an Natronkalk, Wasser an wasserfreiem Calciumchlorid) und deren Massen bestimmt [4]. Das erforderliche Know-how kann bereits im Rahmen der vorausgegangenen qualitativen Analyse angebahnt werden. In Kenntnis der Formeln für beide Reaktionsprodukte ist der Schluss auf die entsprechenden Massenanteile der Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff in der Verbindung Ethanol möglich. Der Massenanteil von Sauerstoff in der Verbindung Ethanol wird indirekt aus den Massenanteilen von Kohlenstoff und Wasserstoff durch Berechnung bestimmt (vgl. Arbeitsblatt1, Aufgabe2 ). Für diesen Schritt ist Vorwissen über die Begriffe vollständige Verbrennung, Oxidationsprodukte, Formelsprache, Gesetz der Erhaltung der Masse, Gesetz der konstanten Proportionen, Atomtheorie und Molekülbegriff sowie das Mol-Konzept notwendig.
Schritt3: Vom Stoffmengenverhältnis zur Verhältnisformel
Der nächste Schritt besteht darin, von der stofflichen Ebene auf die Teilchenebene und damit zu Aussagen über die molekulare Struktur der Substanz Ethanol zu kommen (vgl. Abb.2 ). Dabei müssen die Massenanteile in Stoffmengenanteile umgerechnet werden (Arbeitsblatt1, Aufgabe2), bevor daraus die empirische Formel abgeleitet werden kann (Arbeitsblatt1, Aufgabe3).
Schritt 4: Über die Bestimmung der Molekülmasse zur Molekülformel
Die Elementaranalyse liefert die empirische Formel (Verhältnisformel) mit der Aussage über das kleinstmögliche ganzzahlige Verhältnis der C-, H- und O-Atome. Ob das kleinstmögliche Atomzahlenverhältnis dem tatsächlichen Atomzahlenverhältnis im Ethanol-Molekül entspricht, muss im nächsten Schritt untersucht werden. Hierzu wird zunächst die molare Masse bestimmt, z.B. über das molare Volumen. Dabei wird das Gasvolumen einer verdampften Ethanolprobe bestimmt und daraus über das Molvolumen die Molekülmasse berechnet. Auf dieser Grundlage und in Kenntnis der Verhältnisformel können Vorschläge für das...

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