Chemie · C10 · Alkohole, Carbonsäuren und Ester

Ester bilden und spalten

Säure und Alkohol reagieren zum Ester: Gleichgewicht, Katalysator, Duftstoffe und die Esterhydrolyse.

So gehst du vor

1Wähle eine Säure und einen Alkohol. Sieh dir an, welche Atome als Wasser abgespalten werden, und benenne den Ester selbst, bevor du dir den Namen zeigen lässt.
2Starte die Veresterung mit je 1 mol Säure und Alkohol und verfolge die Stoffmengen. Lies am Ende ab, wie viel Ester entstanden ist.
3Ändere eine Sache nach der anderen: ohne Katalysator, Überschuss an Alkohol, Wasser entfernen. Übernimm jeden Lauf in den Vergleich.
4Spalte den Ester: saure Hydrolyse und Verseifung mit Natronlauge. Vergleiche, wie weit die Spaltung jeweils geht.

Säure und Alkohol wählen

Säure

Alkohol

Veresterung in Strukturformeln

Ethansäure

Ethanol

⇌

Ester

H₂O

Wasser

CH₃–COOH + HO–CH₂–CH₃ ⇌ CH₃–COO–CH₂–CH₃ + H₂O

Die OH-Gruppe der Säure und das H-Atom aus der OH-Gruppe des Alkohols werden als Wasser abgespalten (blau). Die übrigen Teile verbinden sich über ein O-Atom zur Estergruppe (rostrot). Die Veresterung ist eine Kondensation.

Wie heißt der Ester? Überlege zuerst selbst.

Veresterung: Stoffmengen über die Zeit (Modell)

Säure: 1,00 molAlkohol: 1,00 molEster: 0,00 molWasser: 0,00 mol

Punkte: Anfangsstoffmengen. Volumen 1 L, Raumtemperatur.

Ansatz

Reaktion

1 mol Säure und Alkohol, dazu einige Tropfen konzentrierte Schwefelsäure.

Stoffmenge Alkohol

Ester spalten: sauer oder alkalisch

Saure Esterhydrolyse (umkehrbar)

CH₃–COO–CH₂–CH₃ + H₂O ⇌ CH₃–COOH + HO–CH₂–CH₃

Die Rückreaktion der Veresterung, ebenfalls durch Oxonium-Ionen katalysiert. Sie läuft nur bis zum Gleichgewicht: Aus 1 mol Ester und 1 mol Wasser entsteht dieselbe Mischung wie aus 1 mol Säure und 1 mol Alkohol.

Verseifung mit Natronlauge (vollständig)

CH₃–COO–CH₂–CH₃ + OH⁻ → CH₃–COO⁻ + HO–CH₂–CH₃

Das Hydroxid-Ion greift direkt an. Es entstehen Ethanoat-Ion (Acetat-Ion) und Ethanol. Das Carboxylat-Ion ist negativ geladen und wird vom Alkohol nicht angegriffen: Die Rückreaktion fehlt. So stellt man aus Fetten Seifen her.

So läuft der Versuch im Labor (Lehrerversuch)

Im Reagenzglas werden 2 mL Ethanol und 2 mL Essigsäure gemischt; vorsichtig kommen 5 Tropfen konzentrierte Schwefelsäure dazu. Das Gemisch steht etwa 10 Minuten im heißen Wasserbad (etwa 70 °C) und wird dann in ein Becherglas mit kalter Natriumhydrogencarbonat-Lösung gegossen. Beobachtung: Es schäumt; auf der Lösung schwimmt eine dünne, farblose Schicht, die fruchtig nach Klebstoff riecht. Die Hydrogencarbonat-Lösung neutralisiert die übrigen Säuren (Kohlenstoffdioxid schäumt), sodass man den Ester riechen kann. Im warmen Wasserbad läuft die Reaktion viel schneller als im Modell bei Raumtemperatur.

Sicherheit (im echten Versuch)

Konzentrierte Schwefelsäure verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. Sie zieht Wasser an und erhitzt sich beim Verdünnen stark: nur tropfenweise zum Gemisch geben, nie Wasser in die konzentrierte Säure gießen. Lehrerversuch, Schutzbrille, Schutzhandschuhe, Abzug.
Ethansäure: Ethansäure (Eisessig) verursacht schwere Verätzungen und ist entzündbar.
Ethanol: Ethanol ist leicht entzündbar und reizt die Augen.
Die Alkohole und die kurzkettigen Ester sind leicht entzündbar: kein offenes Feuer, im Wasserbad erwärmen. Den Geruch nur vorsichtig zufächeln.
Natronlauge (Verseifung) verätzt Haut und besonders die Augen: Schutzbrille, Handschuhe.

Modell: Geschwindigkeitskonstanten wie im Skript CL2 (k_hin = 0,08 und k_rück = 0,02, jeweils in L pro mol und Stunde, also K = 4), gemessen für Ethanol und Ethansäure; für alle anderen Paare hier vereinfacht dieselben Werte. Ohne Katalysator sind beide Konstanten 20-mal kleiner (Annahme). Beim Wasserentzug werden je Stunde 10 % des vorhandenen Wassers entfernt (Annahme). Verseifung: Geschwindigkeitskonstante in der Größenordnung, wie man sie für Ethylacetat bei Raumtemperatur misst. Düfte nur, wo sie im Skript gesichert sind; Gefahrenhinweise vereinfacht nach der GESTIS-Stoffdatenbank.

Aufträge

Benenne die Ester aus Ethansäure und Methanol, aus Propansäure und Ethanol und aus Methansäure und Butan-1-ol und gib ihre Halbstrukturformeln an. Prüfe hier.
Butansäuremethylester riecht nach Apfel. Nenne die Säure und den Alkohol, aus denen er entsteht, und stelle die Reaktionsgleichung in Halbstrukturformeln auf.
Starte die Veresterung mit je 1 mol Säure und Alkohol einmal mit und einmal ohne Katalysator. Vergleiche die Kurven und die Endwerte. Welche Aufgaben hat die konzentrierte Schwefelsäure?
Erhöhe die Stoffmenge des Alkohols auf 2, 3 und 5 mol und schalte dann bei 1 mol den Wasserentzug ein. Wie viel Prozent der Säure werden jeweils verestert? Erkläre.
Starte die saure Hydrolyse mit 1 mol Ester und 1 mol Wasser. Vergleiche die Endwerte mit denen der Veresterung aus je 1 mol Säure und Alkohol.
Vergleiche die saure Hydrolyse mit der Verseifung durch Natronlauge (je 2 mol Wasser bzw. Hydroxid-Ionen). Warum wird der Ester bei der Verseifung vollständig gespalten?
Für Profis (CL2): Berechne mit K = 4, wie viel Ester im Gleichgewicht entsteht, wenn man 1 mol Säure mit 3 mol Alkohol umsetzt. Prüfe mit dem Modell.

Theorie: Kapitel „Ester und Veresterung; Polyester“ im Skript C10; Mechanismus, Gleichgewicht und Verseifung im Skript CL2 (Chemie-LK), Kapitel „Veresterung und Esterhydrolyse“ und „Das dynamische Gleichgewicht“. Wie Säure und Alkohol entstehen, zeigt die Station Alkohole oxidieren; wie man ein Gleichgewicht verschiebt, die Station Gleichgewicht verschieben.