Untersuchung auf die Elemente Wasserstoff und Kohlenstoff

Die nachstehende Apparatur kennst du schon. Mit ihr hatten wir durch die Verbrennung von Stadtgas (Methan) herausgefunden, dass Alkane aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen aufgebaut sein müssen. Du weißt außerdem, dass Stoffe, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen aufgebaut sind, zu den "organische Verbindungen"^Lex zugeordnet werden.

Mit einfachen Schülerexperimenten konnten wir beim Trinkalkohol ebenfalls die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff indirekt nachweisen.

Ergebnis:

Bei der Verbrennung (Oxidation), also der Reaktion mit dem molekularen Luftsauerstoff, entstehen die Verbindungen Kohlenstoffdioxid (Nachweis durch Trübung einer klaren Barytwasser-Lösung) und Wasser (Nachweis durch Blaufärbung von weißem, wasserfreien Kupfersultat).

Wenn Wasser entsteht, müssen bei der Oxidation Wasserstoff-Atome mit dem molekularen Luftsauerstoff reagiert haben:

4 H + O₂ → 2 H₂O

Wenn Kohlenstoffdioxid entsteht, müssen bei der Oxidation Kohlenstoff-Atome mit dem molekularen Luftsauerstoff reagiert haben:

C + O₂ → CO₂

Hypothese: Im Trinkalkohol-Molekül sind Sauerstoff-Atome enthalten!

Vorüberlegungen:

• Wir wollen einen möglichst einfachen Versuchsaufbau - wenn es geht: im Reagenzglas.
• Wenn Trinkalkohol Sauerstoff-Atome enthält, müsste man dem Trinkalkohol durch ein Reduktionsmittel den Sauerstoff entziehen können. Dazu brauchen wir ein unedles Metall wie Magnesium.
  
• Wenn also Magnesiumoxid entsteht, welches bekannterweise ein weißes Pulver ist und im Turnunterricht verwendet wird, sollten wir uns vergewissern, dass es sich wirklich um Magnesiumoxid handelt. Möglicherweise bildet ein anderes Element des Alkohols mit dem Magnesium ein weißes Pulver. Wie weise ich aber Magnesiumoxid nach? Aus dem Unterricht ist bekannt, dass Magnesiumoxid mit Wasser zu Magnesiumlauge reagiert. Magnesiumlauge ist eine sehr schwache Lauge und kann mit dem Indikator Phenolphthalein durch Rosafärbung nachgewiesen werden (der Universalindikator ist zu unempfindlich).
   
• Das Magnesium darf nicht mit dem Luftsauerstoff reagieren sondern nur mit den (hypothetischen) Sauerstoff-Atomen des Trinkalkohols. Ansonsten hätten wir den Luftsauerstoff nachgewiesen.
  • Würde eine Verbrennung des Alkohols mit dem Sauerstoff der Luft stattfinden, dann würden natürlich - wie bei allen organischen Verbindungen - die sauerstoffhaltigen Verbindungen CO₂ und H₂O entstehen. Kohlenstoffdioxid wird durch Magnesium jedoch reduziert: Es entsteht Magnesiumoxid. Auch hierbei hätten wir den Sauerstoff der Luft nachgewiesen.

Lösung: Fluten der Apparatur mit Stickstoff (inertes Gas).

Wenn kein Stickstoff in der Schule vorhanden ist, muss sichergestellt sein, das sich nur Trinkalkohol (und Magnesium) in der Apparatur befindet. Dies ist gegeben, wenn man viel Trinkalkoholdampf in der Apparatur hat, der die Luft verdrängt hat.

• Günstig müsste der Versuch laufen, wenn man fein verteilten Alkohol mit Magnesium reagieren lässt. Du weißt noch aus der Unterrichtseinheit Feuer (8. Klasse), dass eine große Oberfläche eine Reaktion begünstigt. Man müsste also Alkoholdampf erzeugen. Dort sind die Alkohol-Moleküle fein verteilt. Außerdem gelangen auf diese Art die Alkohol-Moleküle in der Apparatur an das Magnesium.

Lösung: Verwendung von Sand.

Die Verwendung von Sand ist ein Trick: Da Sand Wärme speichern kann und sie gleichmäßig wieder abgeben kann, wenn keine Wärmezufuhr mehr stattfindet, kann sich kontinuierlich Alkoholdampf bilden - auch, wenn man kurz den Brenner entfernt.

• Wir brauchen eine Aktivierungsenergie.

Lösung: Erhitzen von Magnesium bis zur Glut. Die Glut liefert genug Aktivierungsenergie.


 

Versuchsaufbau

Versuchsdurchführung

In dem Reagenzglas befindet sich mit Trinkalkohol getränkter Sand und Magnesium.

Das Magnesium wird bis zur Glut erhitzt (1), zugleich wird durch schwaches Erwärmen Alkoholdampf erzeugt (2) (Bedenke nochmals: Trinkalkohol wird nicht - wie beim Versuch vorher - verbrannt! Es ändert sich nur der Aggregatzustand).

Wenn das Magnesium aufglüht, wird nur noch die Dampfentwicklung des Trinkalkohols fortgesetzt. Das austretende Gas wird entzündet. Nach Abschluss des Experimentes wird der feste Rückstand in Wasser gegeben und mit Phenolphthalein geprüft.


 

Versuchsbeobachtungen

• Es entsteht ein weißes Pulver, also ein neuer Stoff (=> chemische Reaktion)

• Das weiße Pulver lässt im Wasser das Phenolphthalein rosa färben.
  
   

• Schwarze Färbung des Sandes oder/und auf dem Magnesiumoxid.

• Ein Stoff oder mehrere Stoffe lassen sich an der Düse entzünden und brennen mit blau-gelber Flamme.
  
  
   

Versuchsauswertung

Im Folgenden Text: grün = Ausgangsstoffe (Edukte); rot = Reaktionsprodukte.

• Magnesium wird bei diesem Versuch zu Magnesiumoxid oxidiert, welches mit Wasser Magnesiumlauge bildet.

Trinkalkohol + Magnesium → Magnesiumoxid

Nachweis von Magnesiumoxid:

Magnesiumoxid + Wasser → Magnesiumhydroxid → Magnesiumlauge

Mg²⁺O^2- + H₂O → Mg²⁺(OH^-)₂ → Mg²⁺_(aq) + 2 OH^-_(aq)

(Nachweis von Magnesiumlauge durch Rosafärbung von Phenolphthalein)
 

• Der für die Bildung von Magnesiumoxid benötigte Sauerstoff muss aus dem Alkoholdampf stammen!

Da das Reagenzglas mit Trinkalkoholdampf gesättigt ist, befindet sich im Reagenzglas auch kein Luftsauerstoff mehr.

• Die Schwarzfärbungen deuten auf das Entstehen von Kohlenstoff hin.

• Die Flamme an der Düse des Reagenzglases entsteht durch überschüssigem Alkoholdampf, aber auch durch den bei der Verbrennung entstandenem Wasserstoff (siehe auch am Anfang dieser Seite). Alkohol und Wasserstoff sind brennbar.

• Das Reaktionsschema für die gesamte Reaktion ist noch nicht aufzustellen, da wir die Summenformel eines Trinkalkohol-Moleküls noch nicht kennen.