Bestimmung der Summenformel von Ethanol einfach erklärt

Ethanol sieht auf den ersten Blick aus wie normales Wasser – es ist eine klare, farblose Flüssigkeit. Aber wie finden Chemiker eigentlich heraus, woraus so eine Flüssigkeit im Inneren besteht? Die Bestimmung der Summenformel von Ethanol ist ein klassisches Beispiel dafür.

In dieser Lektion werden wir wie chemische Detektive arbeiten. Zuerst finden wir heraus, welche unsichtbaren Bausteine (Elemente) im Ethanol versteckt sind. Danach messen wir, wie schwer das Molekül ist. Am Ende setzen wir diese Hinweise wie Puzzleteile zusammen, um die genaue chemische Formel von Ethanol zu knacken.

Vorwissen

• Atome und Moleküle: Atome sind die Grundbausteine der Natur. Moleküle sind Gruppen von Atomen, die fest miteinander verbunden sind.

  Beispiel: Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) besteht aus Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O).

• Stoffmenge und Molare Masse: Die Stoffmenge ($n$) misst die Anzahl der Teilchen in der Einheit Mol. Die molare Masse ($M$) gibt an, wie viel ein Mol eines Stoffes wiegt.

  Beispiel: $1 \text{ mol}$ Kohlenstoff wiegt $12 \text{ g}$.

Aufgabentyp 1: Qualitative Analyse – Welche Elemente sind im Ethanol?

Wenn wir die Bestimmung der Summenformel von Ethanol durchführen wollen, machen wir zuerst eine qualitative Analyse. Das Wort „Qualität“ steht hier für die Art der Bausteine. Wir wollen also wissen: Welche Elemente sind im Ethanol?

Um das herauszufinden, verbrennen wir das Ethanol und untersuchen die Abgase. Wenn ein Stoff brennt, reagiert er mit Sauerstoff aus der Luft. Wenn wir die Abgase auffangen, können wir zwei Dinge nachweisen:

Erstens entsteht Wasser. Das beweist, dass Ethanol Wasserstoffatome (H) enthalten muss.

Zweitens entsteht Kohlenstoffdioxid. Das beweist, dass Ethanol Kohlenstoffatome (C) enthalten muss.

Aber was ist mit Sauerstoff? Um zu prüfen, ob Ethanol selbst Sauerstoff enthält, leitet man heißen Ethanoldampf über das Metall Magnesium. Magnesium ist sehr reaktiv und „klaut“ gerne Sauerstoff. Dabei entsteht weißes Magnesiumoxid ($\text{MgO}$). Da das Magnesium den Sauerstoff aus dem Ethanol gezogen hat, beweist dies: Ethanol enthält auch Sauerstoffatome (O).

Nachweis von Kohlenstoff und Wasserstoff

Ziel: Sichtbarmachen der Verbrennungsprodukte von Ethanol, um C und H nachzuweisen.

Materialien: Abdampfschale, flüssiges Ethanol, großes Becherglas, Wassertestpapier, Kalkwasser.

⚠️ Sicherheitshinweis: Ethanol ist leicht entzündlich. Schutzbrille tragen und Haare zusammenbinden. Nur unter Aufsicht einer Lehrkraft durchführen!

Durchführung:

1. Gib etwas Ethanol in die Abdampfschale und entzünde es vorsichtig.

2. Halte das Becherglas kopfüber direkt über die Flamme, um die Abgase aufzufangen.

3. Prüfe den feuchten Beschlag an der Innenseite des Becherglases mit dem Wassertestpapier.

4. Gib ein paar Tropfen Kalkwasser in das Becherglas und schwenke es leicht.

Beobachtung: Das Wassertestpapier färbt sich sofort blau. Das klare Kalkwasser wird milchig und trüb.

Erklärung: Die blaue Färbung des Papiers weist Wasser nach. Das bedeutet, im Ethanol steckt Wasserstoff. Die Trübung des Kalkwassers weist Kohlenstoffdioxid nach. Das bedeutet, im Ethanol steckt Kohlenstoff.

Aufgabentyp 2: Quantitative Analyse – Wie schwer ist das Molekül?

Nachdem wir wissen, welche Elemente im Ethanol stecken, wollen wir für die Bestimmung der Summenformel von Ethanol wissen, wie viele davon ein Molekül bilden. Dafür brauchen wir die quantitative Analyse (von „Quantität“ = Menge). Zuerst müssen wir herausfinden, wie schwer ein einzelnes Ethanol-Molekül ist.

Dafür nutzen wir einen Trick mit Gasen. Wir wiegen eine winzige Menge flüssiges Ethanol ab und erhitzen es, bis es komplett zu Gas verdampft. Für alle Gase gilt bei Raumtemperatur eine feste Regel: Ein Mol eines beliebigen Gases nimmt immer ein Volumen von $24 \text{ Litern}$ ein. Das nennt man das molare Volumen ($V_m = 24 \text{ L/mol}$).

Wenn wir messen, wie viel Platz unser Ethanoldampf einnimmt, können wir berechnen, wie viele Teilchen (Stoffmenge $n$) wir haben. Wenn wir dann die Masse durch diese Stoffmenge teilen, erhalten wir die molare Masse ($M$). Die molare Masse in $\text{g/mol}$ entspricht genau dem Gewicht eines einzelnen Moleküls in der atomaren Masseneinheit $\text{u}$.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Volumen umrechnen: Wandle das gemessene Gasvolumen in Liter ($\text{L}$) um, falls es in Milliliter ($\text{mL}$) angegeben ist.
2. Stoffmenge berechnen: Teile das Volumen durch das molare Volumen ($V_m = 24 \text{ L/mol}$), um die Stoffmenge $n$ zu erhalten: $n = \frac{V}{V_m}$.
3. Molare Masse berechnen: Teile die Masse $m$ der Flüssigkeit durch die berechnete Stoffmenge $n$: $M = \frac{m}{n}$.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Ein Chemiker verdampft $0,0785 \text{ g}$ flüssiges Ethanol in einer Gasspritze. Auf der Skala liest er das Volumen des entstandenen Gases ab.

Das Gas nimmt ein Volumen von $40,9 \text{ mL}$ ein. Berechne die molare Masse von Ethanol in $\text{g/mol}$. Alltagsbezug: Gehe von Raumtemperatur aus, bei der $V_m = 24 \text{ L/mol}$ gilt.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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1. 1
   Schritt 1
   Volumen umrechnen

   $40,9 \text{ mL} = 0,0409 \text{ L}$

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   Schritt 2
   Stoffmenge berechnen

   $n = \frac{0,0409 \text{ L}}{24 \text{ L/mol}}$

   $= 0,00171 \text{ mol}$

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Molare Masse berechnen

   $M = \frac{0,0785 \text{ g}}{0,00171 \text{ mol}}$

   $\approx 46 \text{ g/mol}$

Ergebnis:

Die molare Masse von Ethanol beträgt gerundet $46 \text{ g/mol}$. Das bedeutet, ein einzelnes Molekül wiegt $46 \text{ u}$.

Aufgabentyp 3: Das Puzzle zusammensetzen – Die Summenformel

Jetzt haben wir alle Puzzleteile für die Bestimmung der Summenformel von Ethanol zusammen! Aus der qualitativen Analyse wissen wir, dass Ethanol aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht. Aus der quantitativen Analyse wissen wir, wie schwer das gesamte Molekül ist.

Jedes Atom hat ein festes Gewicht, das wir im Periodensystem ablesen können: Ein C-Atom wiegt $12 \text{ u}$, ein H-Atom wiegt $1 \text{ u}$ und ein O-Atom wiegt $16 \text{ u}$.

Um die Summenformel zu finden, müssen wir nun ausprobieren, welche Kombination dieser Atome exakt das Gesamtgewicht des Moleküls ergibt. Es ist wie ein Zahlenschloss, bei dem die Summe genau stimmen muss.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Bekannte Elemente notieren: Schreibe die Elemente auf, die durch die qualitative Analyse nachgewiesen wurden, und notiere ihre Atommassen.
2. Kombinationen testen: Probiere verschiedene Anzahlen der Atome aus und addiere ihre Massen. Das Ziel ist es, exakt die berechnete Gesamtmasse des Moleküls zu erreichen.
3. Formel aufstellen: Schreibe die gefundene Anzahl der Atome als kleine Zahlen (Indizes) hinter das jeweilige Elementsymbol.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Qualitative Analyse: Zeigt, welche Elemente in einem Stoff stecken (z.B. C, H und O in Ethanol).
• Quantitative Analyse: Zeigt, wie schwer ein Molekül ist. Aus dem Gasvolumen und der Masse lässt sich die molare Masse berechnen.
• Summenformel: Durch das clevere Kombinieren der Atommassen der gefundenen Elemente kann man Formeln aufstellen, die exakt die Gesamtmasse des Moleküls ergeben.