Zuletzt geändert: Sa, 06.05.2006

«K12/K13» Carbonsäuren «PDF», «POD»




0.0.0.1 Carbonsäuren
0.0.0.1.1 Funktionelle Gruppe: Carboxygruppe

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{cccccccrl} {} & & & & \overline{\text{O}}| & & & \,\,\,\} & \\ {} & & & /\!/ & & & & \,\,\,\} & \,\text{Carbonylgruppe} \\ {} \text{R} & - & \text{C} & & & & & \,\,\,\} & \\ {} & & & \backslash{} & & & & & \\ {} & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} & \,\,\,\} & \,\text{Hydroxygruppe} \end{array}[In der XHTML-Version fehlt hier eine Formel. In der PDF-Version ist sie vorhanden.]

0.0.0.1.2 Einteilung der Carbonsäuren
  • Eine COOH-Gruppe → Monocarbonsäure

  • Zwei COOH-Gruppen → Dicarbonsäure

    [Beispiel:] Oxalsäure

    \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccccccc} {} & & |\overline{\text{O}} & & & & ^/\text{O}^\backslash & & & & & & \overline{\text{O}}| & & \\ {} & & & \backslash\!\backslash & & & \vert\vert{} & & | & & & /\!/ & & & \\ {} & & & & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & & & & \\ {} & & & / & & & & & | & & & \backslash{} & & & \\ {} \text{H} & - & \overline{\underline{\text{O}}} & & & & & & & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} \end{array} O¯ O O¯ C C CC HO¯¯ O¯¯H

  • [Mehr als zwei COOH-Gruppen pro C-Atom gibt's nicht (XXX).]

  • R [ist] aliphatisch [kettenförmig, IIRC] → Alkan-, Alken-, Alkinsäure

  • R [ist] aromatisch → aromatische Carbonsäure

  • [Andere Möglichkeiten auch zulässig, aber keine spezielle Benennung (zumindest für uns)]

0.0.0.1.3 Vertreter
  • Methansäure (Ameisensäure):

    \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| & & \\ {} & & & /\!/ & & & \\ {} \text{H} & - & \text{C} & & & & \\ {} & & & \backslash{} & & & \\ {} & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} \end{array} O¯ HC O¯¯H

    a)

    Vorkommen

    Ameisen, Brennnessel

    b)

    Eigenschaften

    • Farblose Flüssigkeit

    • Stechender Geruch

    • Sauer

    • Versuch: Ameisensäure + \text{KMnO}_4KMnO4

      Beobachtung: Braunfärbung und Gasentwicklung

      Erklärung:

      \text{H}{\stackrel{+2}{\text{C}}}\text{OOH} + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow {\stackrel{+4}{\text{C}}}\text{O}_2 + 2\,e^- + 2\,\text{H}_3\text{O}^+HC+2OOH+ 2H2OC+4O2 + 2e + 2H3O+ (Oxidation)

      {\stackrel{+7}{\text{Mn}}}\text{O}_4^- + 5\,e^- + 8\,\text{H}_3\text{O}^+ \longrightarrow {\stackrel{+2}{\text{Mn}}}^{2+} + 12\,\text{H}_2\text{O}Mn+7O4+ 5e + 8H3O+Mn+22+ + 12H2O (Reduktion)

      5\,\text{H}{\stackrel{+2}{\text{C}}}\text{OOH} + 2\,{\stackrel{+7}{\text{Mn}}}\text{O}_4^- + 6\,\text{H}_3\text{O}^+ \longrightarrow 5\,\text{CO}_2 + 2\,{\stackrel{+2}{\text{Mn}}}^{2+} + 14\,\text{H}_2\text{O}5HC+2OOH + 2Mn+7O4 + 6H3O+5CO2 + 2Mn+22+ + 14H2O (Gesamtgleichung)

      Die Ameisensäure nimmt aufgrund ihrer reduzierenden Wirkung eine Sonderstellung bei den Carbonsäuren ein.

      \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & & \overline{\text{\textbf{O}}}| & & \\ {} & & & /\!/ & & & \\ {} \text{\textbf{H}} & - & \text{\textbf{C}} & & & & \\ {} & & & \backslash{} & & & \\ {} & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} \end{array} O¯ HC O¯¯H

      [Carbonylgruppe mit H statt C-Rest = Aldehyd (oxidierbar) statt Keton (nicht oxidierbar)]

    • Löslich in Wasser

    • Siedepunkt 100,7 °C

    c)

    Darstellung

    [Einschub:] Versuch: Zerlegung der Armeisensäure: \text{HCOOH} \longrightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}HCOOHCO+ H2O

    1. \text{NaOH} + \text{CO} \longrightarrow \text{HCOONa (Natriumformiat)}NaOH+ COHCOONa (Natriumformiat)

    2. \text{HCOONa} + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{HCOOH} + \text{Na}_2\text{SO}_4HCOONa+ H2SO4HCOOH + Na2SO4

    d)

    [Verwendung

    • Reinigungsmittel

    • Zigarettenrauch

    • Schädlingsbekämpfungsmittel]

  • Ethansäure (Essigsäure):

    \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{cccccccc} {} & & & & & \overline{\text{O}}| & & \\ {} & | & & & /\!/ & & & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & & & & \\ {} & | & & & \backslash{} & & & \\ {} & & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} \end{array} O¯ CC O¯¯H

    \text{CH}_3\text{COOH}CH3COOH

  • Propansäure (Propionsäure): \text{C}_2\text{H}_5\text{COOH}C2H5COOH

  • Butansäure (Buttersäure): \text{C}_3\text{H}_7\text{COOH}C3H7COOH

  • Hexadecansäure (Palmitinsäure): \text{C}_{15}\text{H}_{31}\text{COOH}C15H31COOH

  • Benzolcarbonsäure (Benzoesäure):

    .cache/c8728e13d9468088a1a75c7dabdebbe0.png
Size: 118x102
Scaled to: 118x102
  • Octadecansäure (Stearinsäure): \text{C}_{17}\text{H}_{\text{35}}\text{COOH}C17H 35COOH

0.0.0.1.4 Eigenschaften der Carbonsäuren
a)

Physikalische Eigenschaften

  • Siedepunkt: Höher als bei Alkanen und Alkanalen durch Wasserstoffbrückenbindungen.

    → Dimerisation

    \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccccccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| & \cdot & \cdot & \ \cdot\ \cdot\ \cdot & \text{H} & - & \overline{\underline{\text{O}}} & & & & & & \\ {} & & & /\!/ & & & & & & & & & & \backslash{} & & & \\ {} \text{R} & - & \text{C} & & & & & & & & & & & & \text{C} & - & \text{R} \\ {} & & & \backslash{} & & & & & & & & & & /\!/ & & & \\ {} & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} & \cdot\ \cdot\ \cdot\ & \cdot & \cdot & |\underline{\text{O}} & & & & & & \end{array} O¯HO¯¯ RC CR O¯¯HO¯

    [Zwei Brücken → "Molekül bestehend aus zwei Submolekülen"; sehr starker Zusammenhalt]

    [Bei Alkanalen könnte es mit der Argumentation auch zur Dimerisation kommen – kommt es aber nicht (Chemie ist wie backen etc.).]

  • Löslichkeit: In Wasser nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Anzahl der Wasserstoffatome ab, in unpolaren Lösungsmitteln zu.

b)

Chemische Eigenschaften

  • Säurewirkung:

    Versuch 1: Konzentrierte Essigsäure mit Magnesiumband [→ keine Reaktion]

    Versuch 2: Konzentrierte Essigsäure mit Magnesiumband und Wasser → Gasentwicklung/Mg-Band löst sich auf

    [Konzentrierte Säuren können – ganz allgemein – niemals Metalle angreifen; Protonen alleine können das nicht. Nur wenn Wasser dazu kommt geht's: In diesem Fall kann das Proton, welches von der Säure abgegeben wird, mit dem Wasser zu \text{H}_3\text{O}^+H3O+-Ionen reagieren, welche dann Metalle angreifen können.]

    Erklärung:

    \underbrace{{ \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| & & \\ {} & & & /\!/ & & & \\ {} \text{H}_3\text{C} & - & \text{C} & & & & \\ {} & & & \backslash{} & & & \\ {} & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} \end{array} }}_{\text{\scriptsize Protonendonator}} + \underbrace{\text{H}_2\text{O}}_{\text{\scriptsize Protonenakzeptor}} \longrightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \underbrace{{ \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| \\ {} & & & /\!/ & \\ {} \text{H}_3\text{C} & - & \text{C} & & \\ {} & & & \backslash{} & \\ {} & & & & \underline{\overline{\text{O}}}|^\ominus \end{array} }}_{\text{\scriptsize Ethanoation}} O¯ H3CC O¯¯H Protonendonator+ H2OProtonenakzeptorH3O++ O¯ H3CC O¯¯ Ethanoation

    \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Mg} \longrightarrow \text{H}_2 + \text{Mg}^{2+} + \text{H}_2\text{O}H3O++ MgH2 + Mg2+ + H2O

    \text{Mg}^{2+} + { \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| & & \\ {} & & & /\!/ & & & \\ {} \text{H}_3\text{C} & - & \text{C} & & & & \\ {} & & & \backslash{} & & & \\ {} & & & & \overline{\underline{\text{O}}} & - & \text{H} \end{array} } \longrightarrow \underbrace{\text{Mg}\!\left({ \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| \\ {} & & & /\!/ & \\ {} \text{H}_3\text{C} & - & \text{C} & & \\ {} & & & \backslash{} & \\ {} & & & & \underline{\overline{\text{O}}}|^\ominus \end{array} }\right)_2}_{\text{\scriptsize [Magnesiumethanoat]}}Mg2++ O¯ H3CC O¯¯ H Mg O¯ H3CC O¯¯ 2 [Magnesiumethanoat]

    [XXX eigentlich fehlt doch noch das \text{H}_2H2 als Produkt, oder?]

    [Allgemeines] Carboxylation [mesomeriestabilisiert]:

    \left[{ \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccc} {} & & & & \overline{\text{O}}| \\ {} & & & /\!/ & \\ {} \text{R} & - & \text{C} & & \\ {} & & & \backslash{} & \\ {} & & & & \underline{\overline{\text{O}}}|^\ominus \end{array} } \longleftrightarrow { \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccc} {} & & & & \underline{\overline{\text{O}}}|^\ominus \\ {} & & & / & \\ {} \text{R} & - & \text{C} & & \\ {} & & & \backslash\!\backslash & \\ {} & & & & \underline{\text{O}}| \end{array} }\right] O¯ RC O¯¯ O¯¯ RC O¯