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chemie artikel (Interpretation und charakterisierung)

Reaktion von ethanol mit aluminiumoxid als katalysator, definitionen


1. Atom
2. Erdöl



Durchführung Der Sand wird etwa 1,5 cm Hoch in das schwerschmelzbare RG gefüllt und mit 1,5 ml Ethanol getränkt. Das RG wird waagerecht in ein Stativ eingespannt, so daß die drei Spatelspitzen Al2O3 im RG verteilt werden können, ohne sich mit dem Ethanol zu vermischen. Nachdem das RG verschlossen ist, wird das Geaseinleitungsrohr in das 2. RG gehaltenen das Al2O3 langsam erhitzt, bis alles Wasser aus dem 2. RG verdrängt ist. Somit ist sichergestellt, daß alle Luft aus dem 1. RG entwichen ist. Das Rohr wird nun mit dem 1. Standzylinder verbunden und sowohl Aluminiumoxid als auch Ethanol werden allmählich erhitzt. Wenn sich der Zylinder vollständig mit dem aufsteigenden Gas gefüllt hat, wird er mit einer Glasplatte verschlossen und aus der Pneumatischen Wanne genommen. Dieser Vorgang wird mit dem zweiten Zylinder wiederholt. Es wird jetzt sowohl im 2. RG, als auch in einem der Zylinder eine Glimmspanprobe durchgeführt. Der andere Standzylinder wird unter einen mit Brom gefüllten Zylinder gestellt, so daß sich die beiden Gase mischen können.



Beobachtungen
Das bei diesem Versuch als Blasen aufsteigende Gas war durchsichtig und besaß einen süßlichen Geruch, der von Tankstellen her bekannt ist. Bei der Glimmspanprobe war zu beobachten, daß er im 2. RG erlosch, während er im Zylinder das Gas entzündete. Das Gas brannte auch nach Entfernen des Glimmspans weiter. Bei der Probe mit Brom war festzustellen, daß das im Standzylinder enthaltene Gas das rotbraune Bromgas entfärbte.





Ergebnis
Da das Aluminiumoxid in diesem Versuch nur als Katalysator eingesetzt, und die Luft aus dem 1. RG vor der Reaktion verdrängt wurde, konnte es sich nur um ein Reaktionsprodukt handelt, das aus dem Ethnol hervorgegangen ist. Zudem wissen wir, daß sich C-C Bindungen nur schwer spalten lassen, und daß das heraustrennen eines Sauerstoffatoms aus einer OH-Gruppe nur unter besonderen Umständen möglich ist. Es kann sich also nur um eine Abspaltung der OH-Gruppe handeln. Da ein OH-Molekül alleine aber nicht stabil ist, wird ein weiteres Wasserstoffatom abgespalten worden sein. Eine solche Reaktion würde Ethen und H2O als Endprodukte zur Folge haben. Dies ist durch die anschließenden Tests des Gases bestätigt worden. Bei Ethen handelt es sich sowohl um ein farbloses, brennbares, als auch um ein Brom entfärbendes Gas. Um sicherzustellen, daß die Bromgasentfärbung nicht vom Licht abhängig ist, und somit eine radikalische Substitution darstellen würde, wurde ein Kontrollversuch zur Reaktion von Alken und Alkan mit Brom unter verschiedenen Lichtbedingungen durchgeführt.



Reaktion von Alkanen/Alkenen mit Brom in Abhängigkeit der Lichteinstrahlung

Chemikalien: Material:
· Cyclohexan · Cyclohexen · 4 RG´s Aluminiumfolie
· Brom RG-Ständer

Durchführung
Zwei RG´s werden vollständig mit Aluminiumfolie umwickelt und mit Cyclohexan bzw. Cyclohexen gefüllt. Die beiden anderen RG´s werden ebenfalls mit jeweils einem der beiden Stoffe gefüllt und alle werden in bekannter Reihenfolge in einen RG-Ständer gestellt. Bei allen RG´s werden nun einige Tropfen Brom hinzugesetzt und die mit Aluminiumfolie umwickelten RG´s werden zusätzlich mit einem Stück Alufolie abgeschlossen. Nachdem das Ganze etwa eine Stunde bei Zimmertemperatur am Licht stehen gelassen worden ist, wird die Aluminiumfolie entfernt und die Beobachtungen werden notiert.


Beobachtungen
Die beiden Ausgangstoffe Cyclohexan und Cyclohexan waren anfangs farblos, verfärbten sich jedoch, so weit sichtbar, bei der Zugabe von Brom in das vom Brom bekannte rotbraun. Bei der Zugabe von Brom war beim Cyclohexen zudem eine heftige Reaktion in Form von Hitze- und Gasentwicklung festzustellen. Das Cyclohexan reagierte hingegen nur geringfügig mit dem Brom. Die heftige Reaktion machte sich beim, dem Licht ausgesetzten Cyclohexen, außerdem dadurch bemerkbar, daß sich das Brom recht schnell nach der Zugabe entfärbte. Nach einer Stunde war festzustellen, das sich das Brom beim Cyclohexen in beiden Fällen entfärbt hatte. Beim Cyclohexan konnte hingegen allenfalls unter Lichteinfluß eine geringfügige Farbabschwächung verzeichnet werden.


Ergebnis
Da beim Cyclohexan auch unter Lichtabschluß eine Entfärbung des Broms stattgefunden hat kann es sich nicht um eine radikalische Substitution sonder es muß sich um einen anderen, ohne UV-Einwirkung ablaufend Reaktionsmechanismus handeln. Ein solcher Mechanismus, der zudem bei Zimmertemperatur und exotherm verläuft ist die elektrophiele Addition. Dieser Versuch hat also, und sollte ja auch gezeigt werden, sichergestellt, das Alkene nach einem anderen Reaktionsmechanismus mit Brom reagieren, als das bei Alkanen der Fall ist. Dieser Versuch hat also die Vermutung verhärtet, das sich bei der Reaktion von Ethanol mit Al2O3 als Kat. Ethen und Wasser gebildet hat.



Reaktionsgleichung


C6H12 + Br2 keine Reaktion


Cyclohexan Brom


C6H6 + Br2 C6H4Br2 + H2


Cyclohexen Brom 1,4 Bromcyclohexan


Reaktionsmechanismus der elektrophilen Addition am Beispiel des Ethens


Der Vorgang der elektrophilen Addition (d.h. der Anlagerung von Ionen an Mehrfachbindungen) läßt sich in zur Verdeutlichung des Mechanismuses in Teilschritte zerlegen. So wirkt sich die p -Bindung des Ethens einen Elektronen schiebenden Effekt auf das benachbarte Brommolekül aus. Hierdurch verschieben sich die Bindungselektronen und in Richtung des entfernteren Bromatoms. Durch die so erzeugte Verschiebung der Bindungselektronen findet auch eine Verschiebung der Negativen Ladung statt. Das Brommolekül erhält eine d -negatives und eine d -positives Bromatom. Der Komplex, der sich durch diese Einwirkung bildet wird p -Komplex genannt. Durch die Verschiebung der Bindungselektronen ist das Brommolekül jedoch instabil geworden und zerfällt durch Heterolyse in zwei Ionen. (Im Gegensatz dazu findet bei einer radikalischen Substitution eine Homolyse statt). Das bei der Heterolyse entstandene, positive Bromoniumion spaltet jedoch aufgrund von seiner elektophilen Eigenschaften sofort in die p -Bindung des Ethens um mit den Elektronen dieser Bindung sein Oktett zu erfüllen. Das Bromoniumion geht also abwechselnd eine Bindung mit den Kohlenstffatomen des Ethens ein, beziehungsweise bildet ein positiv geladenen Komplex, den Sigmakomplex, mit dem Ethen, bei dem die p -Elektronen des Ethens frei über den ganzen Komplex verteilt sind. Von der positiven Ladung dieses Moleküls wird jetzt das von der Heteroyse verbliebene, negative Bromion angezogen. Da es in seiner nucleophilen Eigenschaft die zwei benötigten Bindungselektronen mitbringt, Kann es mit dem Molekül eine Bindung eingehen. Bei dieser Bindung wird es den größtmöglichen Abstand zum anderen Bromatom einhalten, das heißt also, daß es am zweiten Kohlenstoffatom auf der gegenüberliegenden Seite angreift. Durch diesen Mechanismus werden die Brommoleküle gespalten, d.h. das Brom entfärbt, und es entsteht 1,2 Dibromethan.



Reaktionsgleichung

C2H5OH Al2O3 CH4 + H2O

Ethanol Aluminiumoxid Ethen Wasser


Definitionen



Radikalische Substitution:
Unter der radikalischen Substitution versteht man die anlagerung von Radikalen an ein Atom unter Abspaltung von Wasserstoffionen.

Elektrophile Addition:
Bei der elektrophilen Substitution werden Atome oder Atomgruppen an einer Mehrfachbindung angelagert, wobei die Mehrfachbindungen in Doppel- oder Einfachbindungen überführt werden.


p -Bindung:
Die p -Bindung entsteht durch seitliche Überlappung von zwei einfach besetzten 2p Orbitalen. Die Elektronenverteilung in p -Bindungen ist nicht rotationssymetrisch zur Verbindungsachse der beiden Atomkerne, da die größte Elektronendichte ober und unterhalb dieser Achse Liegt. Die Elektronenwolke der p -Bindung stellt eine Walze um die Rotationsachse dar. Aufgrund der Krümmung dieser Walze zu den Atomkernen hin kann die p -Bindung auch als Bananenbindung bezeichnet werden.
Bindungslänge (zwischen 2 C-Atomen) : 0,134nm
Bindungswinkel (bei C-Atomen) : 117,5°

Bindungsenthalphie: D H = 599 KJ/mol
Geometrische Anordnung: planar

 
 




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