Alkohole. 1. Alkohole

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1 Alkohole 1. Alkohole Und wieder verknüpfen der Volksmund auf der einen und Expertinnen bzw. Experten auf der anderen Seite mit ein und demselben Begriff sehr unterschiedliche Vorstellungen. Während ersterer unter Alkoholen vor allem Schnaps, Bier, Wein & Co. auflistet, bilden Alkohole in der Chemie eine eigene, große Stoffklasse. Ethanol, das Teufelein alkoholischer Getränke, ist sicherlich der prominenteste Vertreter dieser Stoffe. Der Alkohol wird in der Natur durch Gärung gebildet (Nebenprodukte: Kohlenstoffdioxid, Energie) und ist überall dort anzutreffen, wo Zucker z.b. aus Obst, Getreide etc. unter der Wirkung von Hefepilzen, in Abwesenheit von Sauerstoff zersetzt werden. Neben Ethanol zählen Methanol, Glycol 1 und Glycerol 2 zu den wichtigsten Vertretern. Alkohole werden nach verschiedenen Merkmalen eingeteilt: Nach der Lage der Hydroxylgruppe im Molekül werden primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole unterschieden und nach der Zahl der Hydroxylgruppen im Molekül ein-, zwei-, drei und mehrwertige Alkohole (Polyalkohole, Polyole). Ethanol gehört beispielsweise zur homologen Reihe der primären, einwertigen Alkohole mit der allgemeinen Summenformel: C nh 2n+1OH. Alkoholmoleküle bestehen aus unpolaren, hydrophoben (Wasser abstoßenden) Kohlenwasserstoffresten und polaren, hydrophilen (Wasser anziehenden) Hydroxylgruppen. Sie sind über die Hydroxylgruppen zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen befähigt. Ihre Eigenschaften werden von der Länge und Struktur der Kohlenstoffkette, sowie der Anzahl der OH-Gruppen bestimmt. So nehmen z.b. die Schmelz- und Siedepunkte der Alkohole sowie die Viskosität 3 mit der Länge der Kohlenstoffkette und der Anzahl der Hydroxylgruppen im Molekül zu, die Flüchtigkeit und damit der Geruch ab. Niedere 4, einwertige Alkohole sind flüssig, leicht flüchtig und haben einen charakteristischen Geruch. Höhere 5, einwertige Alkohole sind zähflüssig, schwerflüchtig und riechen unangenehm ("Fuselöle") bzw. sind fest und geruchlos. Je nachdem welcher der beiden Molekülteile stärkere Wirkung zeigt, sind Alkohole in polaren oder/und unpolaren Lösungsmitteln löslich. Die Wasserlöslichkeit nimmt mit steigender Kettenlänge der Alkohole ab und mit steigender Zahl der Hydroxylgruppen zu. Alkohole sind elektrische Nichtleiter. Bei der vollständigen Oxidation (Verbrennung) wird das Kohlenstoffgerüst zerstört und es entstehen unter Abgabe von Energie, Kohlenstoffdioxid und Wasser. 1 Ethan-1,2-diol 2 Propan-1,2,3-triol, Glycerin 3 Fließwiderstand 4 Kurzkettige Alkohole 5 Langkettige Alkohole 9

2 Experimente-Chemie Teil 2 Bei der partiellen (teilweisen) Oxidation 6 bleibt das Kohlenstoffgerüst erhalten und es werden Aldehyde bzw. Ketone gebildet. Das Säure-/Baseverhalten betreffend, sind Alkohole amphoter. Das bedeutet, Alkohole reagieren je nach Reaktionspartner als Säuren oder als Basen. Die intramolekulare 7 Abspaltung von Wasser (Dehydratisierung) führt zur Bildung von Alkenen, die intermolekulare 8 Abspaltung liefert Ether (Kondensationsreaktion). Intermolekulare Abspaltung von Wasser zwischen Alkoholen und Säuren erfolgt unter Bildung von Estern. 6 Dehydrierung (Abspaltung von Wasserstoff) 7 Abspaltung von Wasser innerhalb desselben Moleküls 8 Abspaltung von Wasser zwischen zwei (oder mehreren) Molekülen 10

3 Alkoholische Gärung Alkoholische Gärung 60 Min Schnaps, Bier, Wein, lass das sein, drinnen sitzt ein Teufelein, so heißt es in einem bekannten Kinderreim. Mit dem Teufelein ist natürlich der Alkohol Ethanol gemeint, ein Nerven- und Suchtgift, dessen Konsumation seit Jahrtausenden Eingang in die - zumindest abendländische Ess- und Trinkkultur gefunden hat. Woraus und wodurch Alkohol gewonnen wird, zeigt der im Folgenden beschriebene Versuch. Das wird gebraucht: Geräte: Waage, Stehkolben (600 ml) mit entsprechendem, gelochtem Stopfen, Gärröhrchen, Messzylinder (500 ml), Glasstab, Löffel Chemikalien: Traubenzucker (Glucose, 30 g), getrocknete Weinbeeren (Rosinen, 100 g), deion. Wasser (ca. 300 ml) ½ Pkg. Trockenhefe oder ½ Würfel Frischhefe oder Turbohefe 9 klares Kalkwasser: Gefahr Entsorgung der Rückstände: Kalkwasser neutralisieren und in Sammelbehälter für Salzlösungen geben. Ein ph-wert von 6-8 ist einzustellen. Sicherheitsaspekte: Darauf muss unbedingt (!) geachtet werden: Arbeitsvorschrift einhalten. Gefahrenpiktogramme, Gefahren- und Sicherheitshinweise auf Probenbehältern und Reagenzien beachten. Sehr genau und vor allem auch sauber arbeiten! Schutzausrüstung (Schutzbrille, Schutzhandschuhe, Labormantel) tragen. Chemikalien nicht mit der Haut in Kontakt bringen, nicht einatmen und keinesfalls verschlucken. Eventuelle Abfälle sachgerecht entsorgen! So wird es gemacht: Den Stehkolben mit ca. 300 ml, etwa 30 C warmen, deion. Wasser füllen. 30 g Traubenzucker hinzufügen. Umrühren, bis sich der Zucker aufgelöst hat. Trocken-/Frisch- oder Turbohefe zugeben. Frischhefe zuvor gut zerbröseln. Gärröhrchen auf den Stopfen setzen und den Kolben damit verschließen. Gärröhrchen zur Hälfte mit klarem Kalkwasser füllen. Warten! - Gut Ding braucht Weile. Die Gärung setzt innerhalb der 1. Stunde ein und dauert Stunden, ja Tage. Gärröhrchen abnehmen und den Geruch der Lösung im Kolben überprüfen. Experiment mit 100 g Rosinen als Ausgangsstoff wiederholen. 9 Sammelbegriff für ein Gemisch aus hochdosierter Hefe und Hefenahrung 11

4 Experimente-Chemie Teil 2 Das kann man beobachten: Die Lösung im Stehkolben wird trüb, blubbert und schäumt. Das entweichende, farblose Gas trübt das klare Kalkwasser im Gärverschluss. Erklärung: Der Prozess der Alkoholbildung wird als alkoholische Gärung bezeichnet. Der Vorgang ist natürlich, seit Jahrtausenden bekannt und setzt immer dann ein, wenn Hefepilze 10 unter bestimmten Bedingungen mit Zuckerlösungen in Kontakt kommen. Hefepilze nutzen Zucker zur Energiegewinnung. Sie enthalten den Enzymkomplex 11 Zymase und wandeln mit dessen Hilfe unter Ausschluss von Sauerstoff 12, Traubenzucker (Glucose) in Ethanol und Kohlenstoffdioxid um. Aus einem Kilogramm Zucker entsteht ca. ein halber Kilogramm Ethanol. C 6H 12O 6 2 C 2H 5OH + 2 CO 2 Glucose Ethanol Kohlenstoffdioxid Der gebildete Alkohol ist am charakteristischen Geruch erkennbar. Das Kohlenstoffdioxidgas ist durch die Trübung des Kalkwassers im Gärröhrchen nachweisbar. Durch Reaktion mit Calciumhydroxid entstehen dabei Kalk und Wasser. Der Kalk fällt aus und trübt das Kalkwasser. CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2O Kohlenstoffdioxid Calciumhydroxid Calciumcarbonat (Kalk) Wasser Zur Umwandlung von Traubenzucker in Alkohol genügen an und für sich einfache Backhefen. Da ihre ureigene Aufgabe aber in erster Linie die Teigauflockerung und nicht die Alkoholproduktion ist, verlaufen Backhefe-Gärungen entsprechend langsam und die Alkoholausbeute ist eher gering. Bessere Ergebnisse werden mit sogenannten Reinzuchthefen erzielt - Hefen, die für derartige Zwecke extra gezüchtet wurden. Noch stürmischere, noch schnellere Gärungen bewirken Turbohefen. Sie beinhalten nicht nur Hefepilze, sondern auch Hefenahrung (Nährsalze, Vitamine), die insbesondere für die Alkoholgewinnung aus reiner Traubenzuckerlösung erforderlich ist. Obst-, Getreide- und Kartoffelmaischen enthalten Nährsalze von Haus aus. Die optimale Nahrungsversorgung bewirkt eine schnellere Vermehrung der Hefepilze und damit kürzere Gärzeiten sowie deutlich höhere Alkoholkonzentrationen. 10 Einzellige Mikroorganismen, ubiquitär (lat. - überall vorkommend) 11 Enzyme sind Biokatalysatoren. Enzymkomplexe sind Mischungen mehrerer Enzyme. 12 Anaerob 12

5 Alkoholische Gärung Materialübersicht Vergärung von Glucose; Anfangsphase Vergärung von Glucose; nach etwa 1 Stunde Vergärung von Rosinen; Anfangsphase Vergärung von Rosinen; nach etwa 1 Stunde Gärröhrchen mit klarem Kalkwasser im Detail Gärröhrchen mit trübem Kalkwasser im Detail 13

6 Experimente-Chemie Teil 2 Einflussfaktoren der alkoholischen Gärung 60 Min Die alkoholische Gärung ist ein komplexer, biochemischer Prozess, der ganz bestimmten Einflussfaktoren unterliegt. Obwohl die Ethanol-Gärung seit Jahrtausenden bekannt und zur Bierbzw. Weinherstellung genutzt wird, werden der Ablauf als solches und begleitende Fragestellungen selbst heute noch beforscht. Eigene Forschungszweige wie Brauwesen 13, Weinbau, Önologie 14 und Weinwirtschaft etablierten sich an Universitäten mit dem letztendlichen Ziel der Herstellung qualitativ hochwertiger Biere, Weine und deren Folgeprodukte. Im nachfolgenden Versuch wird untersucht, welchen Einfluss die Temperatur und Zuckerkonzentration auf die alkoholische Gärung haben. Das wird gebraucht: Geräte: Waage, 4 Stehkolben (600 ml), 4 Bechergläser (250 ml), 2 kleine Wannen, Glasstäbe, Löffel, Thermometer, 4 Luftballone Chemikalien: Traubenzucker (Glucose, 3 x 75 g, 1 x 120 g), 2 Packungen Trockenhefe oder 2 Würfel Frischhefe oder 2 Packungen Turbohefe 15, deion. Wasser (4 x ca. 300 ml), Eiswürfel So wird es gemacht: In die Stehkolben A, B und C jeweils 300 ml lauwarmes, deion. Wasser (30 C) geben, in Kolben D, 300 ml etwa 70 C heißes Wasser einfüllen. Beim Hantieren mit dem heißen Wasser Acht geben! Unbedingt Schutzausrüstung anlegen! Temperaturen während der gesamten Beobachtungsphase immer wieder kontrollieren! Den Stehkolben A und B sowie D jeweils 75 g Traubenzucker, dem Stehkolben C 120 g Traubenzucker zusetzen. Alle Zucker durch Umrühren auflösen. Die Lösung im Stehkolben A auf ca. 3 5 C abkühlen und in ein Eiswürfelbad stellen. Kolben D in ein ca. 70 C heißes Wasserbad stellen. Hefe in vier gleich große Portionen teilen. Frischhefe gut zerbröseln. Je einen Teil Hefe den Zuckerlösungen A, B, C und D zugeben. Umschwenken. Jeden Stehkolben mit einem leeren Luftballon verschließen und etwa eine Stunde warten. Luftballone beobachten, Größe in bestimmten Zeitabschnitten vermessen. Werte notieren. 13 Forschung, Lehre, Beratung zum Thema Bier 14 Kellerwirtschaft 15 Sammelbegriff für ein Gemisch aus hochdosierter Hefe und Hefenahrung 14

7 Einflussfaktoren der alkoholischen Gärung Das kann man beobachten: Lösung A und Lösung D gären kaum, die Luftballone bleiben nahezu leer. Die Lösung im Stehkolben B gärt, sie blubbert und schäumt. Der Luftballon füllt sich nach und nach mit Gärgas. Lösung C gärt, jedoch wesentlich schwächer als Lösung B. Der Luftballon ist weniger prall mit Gas gefüllt als jener über Lösung B. Erklärung: Die Zuckerlösung im Stehkolben B gärt. Dabei wird Glucose in Gegenwart von Hefepilzen und unter Sauerstoffausschluss über viele Zwischenstufen unter Abgabe von Wärme zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. C 6H 12O 6 2 C 2H 5OH + 2 CO 2 Glucose Ethanol Kohlenstoffdioxid Das gebildete Kohlenstoffdioxid, ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, entweicht und bläst den Luftballon über der Lösung B auf. Seit Jahrtausenden machen sich Menschen diese Reaktion zunutze, um Bier zu brauen, Weine und andere alkoholische Getränke herzustellen. Als Ausgangsstoffe dienen dazu in der Praxis zuckerhaltige Lösungen wie z.b. Fruchtsäfte (Traubensaft etc.), Rüben bzw. Rohrzuckerlösungen, Melasse, stärkehaltige Getreide-, Kartoffel-, Reis-Maischen, aber auch Sulfitablaugen von Zellstofffabriken. Die alkoholische Gärung läuft jedoch nur unter ganz bestimmten Bedingungen optimal. Neben der Auswahl der Hefen spielen insbesondere der Zuckergehalt und die Gärtemperatur eine große Rolle: Ist der Zuckergehalt zu hoch (> 25 %) wie im Versuchsansatz C, so verläuft die Gärung wesentlich schlechter bzw. kommt zum Stillstand. Glucose ist nämlich hygroskopisch 16 und entzieht den Hefepilzen lebenswichtiges Wasser, sie werden inaktiv und sterben ab. Stimmt die Temperatur nicht, so gibt es ebenfalls Probleme. Die optimale Gärtemperatur liegt zwischen 30 und 37 C. Bei zu niedrigen Temperaturen wie im Stehkolben A verläuft die Gärung kaum bzw. zu langsam. Höhere Temperaturen (> 65 C) machen wichtige Hefe-Enzyme unwirksam. Die Gärung wird, wie im Stehkolben D, gestoppt. Auch der Alkoholgehalt beeinflusst das Wachstum der Hefen. Wird er zu hoch, bei Weinhefen etwa über %, so sterben die Hefepilze im eigenen Produkt ab, die Gärung kommt zum Stillstand. 16 Eigenschaft eines Stoffes, Feuchtigkeit aus der Umgebung zu binden 15

8 Experimente-Chemie Teil 2 Turbohefen sind alkoholtoleranter als herkömmliche Hefen und bis etwa 20 % Alkoholgehalt aktiv. Spirituosen, geistige Getränke wie Schnäpse, Branntweine etc. mit Alkoholgehalten jenseits von 15 % werden daher nur durch Destillation ( Brennen ) alkoholischer Lösungen gewonnen. Materialübersicht Einflussfaktoren alk. Gärung 16

9 Einflussfaktoren der alkoholischen Gärung Stehkolben "A" (75 g Glucose, 300 ml Wasser, 5 C); nach etwa einer Stunde Stehkolben "B" (75 g Glucose, 300 ml Wasser, 30 C); nach etwa einer Stunde Stehkolben "C" (120 g Glucose, 300 ml Wasser, 30 C); nach etwa einer Stunde Stehkolben "D" (75 g Glucose, 300 ml Wasser, 70 C); nach etwa einer Stunde 17