Essigherstellung. Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit. Bei dem Versuch wird aus Weißwein durch Oxidation an der Luft Essig hergestellt.

Transkript

1 V2 Essigherstellung Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit Chemie E2 Alkanole xidationsprodukte der Alkanole 5 Tage Zusammenfassung Bei dem Versuch wird aus Weißwein durch xidation an der Luft Essig hergestellt. Einordnung in den Unterricht 1 Der Versuch ist nach dem hessischen Lehrplan G8 der Einführungsphase E2 zuzuordnen. Dort lässt er sich zum verbindlichen Unterrichtsinhalt Alkanole zum Thema c) xidationsprodukte der Alkanole anbringen. 2 Da der Versuch thematisch einen Übergang zwischen Alkanolen und Carbonsäuren schafft, sollte er am Ende der Alkanole stehen. Die SuS wären zu diesem Zeitpunkt mit der Hydroxy-Gruppe vertraut. Auch der Begriff der Redoxreaktion ist ihnen aus der anorganischen Chemie bereits bekannt. Die Übertragung auf organische Verbindungen kann mithilfe des Versuchs geschaffen werden. Auch wird die Carboxy-Gruppe vorgestellt und der Zusammenhang zu den Alkanolen und Carbonylen geschaffen. Dadurch, dass bei dem Versuch ein Alltagsprodukt hergestellt wird, dass mit Sicherheit alle schon einmal gekostet haben, wird das Interesse geweckt und ein Realitätsbezug hergestellt. 1 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010). 2 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010).

2 Der Versuch Die Durchführung 3 Abbildung 1: Links: Versuchsaufbau zur Herstellung von Essig. Rechts: Der Rotkohlindikator. Drei Gläser und ein Einmachglas werden mit kochendem Wasser ausgespült. Ein günstiger Weißwein wird geöffnet und auf die Gefäße aufgeteilt. Nun werden zu einem der mit Wein gefüllten Gläser 5 Teelöffel Wasser gegeben. Bei einem anderen Glas werden Stücke eines Korkens auf der Weinoberfläche platziert. Nun werden die Gläser beschriftet und der Deckel auf das Einmachglas geschraubt. Die Gefäße werden an einen rt gestellt, an dem sie nicht stören, und einige Tage stehen gelassen. Jeden Tag wird durch Riechen an den Gefäßen überprüft, ob schon Essig entstanden ist. Sobald der charakteristische Geruch wahrnehmbar ist, wird der ph-wert mithilfe des Rotkohlindikators getestet. Dafür wird ein Glas Rotkohl geöffnet und der darin enthaltene Rotkohlsaft in ein Glas gegossen, sodass dieses bis zur Hälfte gefüllt ist. Anschließend wird mit Leitungswasser im Verhältnis 2 (Rotkohlsaft):1 (Leitungswasser) verdünnt und umgerührt. Danach werden 5 Schnappdeckelgläschen bis zur Hälfte mit dem verdünnten Rotkohlsaft gefüllt und dann mit jeweils einer der 4 hergestellten Essig-Proben bis oben hin aufgefüllt. In das fünfte Schnappdeckelgläschen wird zum Vergleich mit Essigessenz aufgefüllt. Nehmen die vier Proben die gleiche Färbung an, wie die mit Essigessenz, besitzen sie ebenfalls einen sauren ph-wert. Die Probe im Marmeladenglas wird weitere drei Wochen stehen gelassen und dann erneut mit dem Rotkohlindikator getestet. 3 Vgl. Friedrich-Schiller-Universität Jena: Lernzirkel Carbonsäuren, für Klasse 9 Thüringen, Regelschule und Gymnasium. URL: S. 2. Letzter Zugriff am:

3 Die Beobachtung Am dritten Tag ist eine weißliche trübe Schicht auf den Proben entstanden. Diese ist bei der Probe mit Wasser am stärksten ausgeprägt. Abbildung 2: Ergebnis der Herstellung von Essig nach vier Tagen. Wird an den Proben gerochen, so ist der Essiggeruch am vierten Tag deutlich wahrnehmbar. Auch der Rotkohlindikator zeigt durch seine Verfärbung ins Rote an, dass Essigsäure entstanden ist. Bei allen Proben ist anscheinend Essig entstanden, wobei die Probe, die nur Wein enthielt, am wenigsten verschmutzt und am wenigsten getrübt ist. Auch die Probe im Einmachglas weist Säure auf, allerdings ist kein wirklicher Geruch nach Essig festzustellen und der Geschmack ähnelt eher dem von Wein. Abbildung 3: Ergebnis des Rotkohlindikatortests.

4 Abbildung 4: Vergleichsprobe von Essigessenz mit Rotkohlindikator. Wird die Essigprobe im Marmeladenglas noch weitere drei Wochen stehen gelassen, so ändert sich die Farbe stark und es ist der Geruch von Essig wahrnehmbar. Wird der Indikatortest wiederholt zeigt sich, dass sich die Probe im Marmeladenglas rot färbt und im Vergleich zu Essig einen ähnlichen Rotton annimmt, die Weinprobe hingegen eher dem Farbton der neutralen Rotkohllösung entspricht. Abbildung 5: Links: Die Essigprobe im Marmeladenglas nach weiteren drei Wochen im Vergleich zum ursprünglichen Weißwein. Rechts: Erneute Prüfung mit dem Rotkohlindikator: von links nach rechts: Rotkohlindikator als Vergleichsprobe, Weißwein mit Rotkohlsaft, Essig aus dem Marmeladenglas mit Rotkohlsaft und Essigessenz mit Rotkohlsaft als Vergleichsprobe. Entsorgung Alle flüssigen Abfälle können in den Abfluss und alle festen in den Hausmüll entsorgt werden.

5 Fachlicher Hintergrund Bei dem Versuch entsteht durch Luftoxidation aus Weißwein Essig. Dies konnte bei allen Proben durch den Indikatortest bestätigt werden. Selbst im Marmeladenglas findet die xidation von Alkohol zur Carbonsäure statt, was zeigt, dass ein geringes Volumen an Luft für die Reaktion ausreicht. Insgesamt stellt die Variante im Marmeladenglas zwar die zeitaufwendigste Methode zur Essigherstellung dar, jedoch konnte dabei die am wenigsten verunreinigte Essigprobe erhalten werden. Alltäglich wird Essig zum Kochen oder Anrichten von Salaten verwendet. Was ist Essig eigentlich und wie wird er hergestellt? Als Essig werden stark verdünnte wässrige Lösungen von Ethansäure (Essigsäure) bezeichnet. Es gibt viele verschiedene Essigsorten, die sich in ihrer Herstellung und in ihren Ausgangssubstanzen unterscheiden. Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-1: Übersicht über die verschiedenen Essigsorten und deren Ausgangsprodukte 4,5 Handelsform Weinessig bstessig Branntweinessig Kräuteressig Reisessig Gemüseessig Syntheseessig Ausgangsprodukte Aus Wein hergestellt Aus verschiedenen Früchten hergestellt Aus Agraralkohol, der aus landwirtschaftlichen Produkten wie Getreide und Kartoffeln hergestellt wird. Aus Weinessig mit Zusatz von Kräutern Aus Reis bzw. Reiswein Aus verschiedenen Gemüsesorten wie z.b. Rote Beete Aus synthetischer Essigsäure 4 Vgl. Asselborn, W., Jäckel M., Risch K.: Chemie heute S1 Gesamtband. Braunschweig S Vgl. Fischerauer. ALLES UM DEN ESSIG. In: Fischerauer- Alles um den Essig. URL: Letzter Zugriff:

6 Zur Produktion von Essig haben sich verschiedene Methoden etabliert. Das historisch älteste Verfahren ist das berflächenverfahren oder rleans-verfahren, das schon seit dem Mittelalter zur Bereitung von Essig verwendet wird. Dabei wird alkoholhaltige Flüssigkeit in Holzfässer gefüllt. Aus der Luft lagern sich mit der Zeit Essigsäurebakterien an, sodass sich die sogenannte Essigmutter auf der berfläche bildet. Diese Bakterien wandeln enzymatisch den Alkohol in Essig um. Der entstandene Essig wird abgeschöpft und durch neuen Alkohol ersetzt. 6 Industriell bedeutsamer ist das Schnellessigverfahren oder Spanbildner-Verfahren, das zur Herstellung von gewöhnlichem Speiseessig verwendet wird. Dabei wird als alkoholische Ausgangslösung häufig der aus Kartoffeln erhaltene Kartoffelsprit verwendet. Dieser wird mit etwas Malzextrakt und fertigem Essig vermischt und auf Rotbuchenholzhobelspäne, die sich aufgeschüttet in einem Behälter befinden, gegossen. Auf den Buchenholzhobelspänen lagern sich die Essigsäurebakterien an. Die alkoholische Lösung sickert nun langsam durch die Schichten der Buchenholzspäne, die noch zusätzlich von unten belüftet werden. Dabei wird der im Kartoffelsprit enthaltene Ethanol durch die Bakterien zu Essig umgesetzt und fließt am Boden des Behälters über den sogenannten Schwanenhals, ein gewinkeltes Röhrchen, ab. 7 Abbildung 6: Darstellung des Schnellessigverfahren. 8 6 Vgl. Fischkandl, V.: Wie entsteht Essig. In: Vom Fass Wien. URL: Letzter Zugriff Vgl. Wollrab, A.: rganische Chemie Eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. 3., ergänzte Auflage. Heidelberg S Wollrab, A.: rganische Chemie Eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. 3., ergänzte Auflage. Heidelberg S. 560.

7 Das modernste Verfahren zur Gewinnung von Essig ist das Submersverfahren oder Acetator-Verfahren. Hierbei wird direkt in den alkoholischen Rohstoff, der sich in einem großen Tank befindet, Sauerstoff gepumpt und so die Essigsäurebakterien aus der Luft in der Schwebe gehalten. Dieses Verfahren ist sehr effizient, sodass eine Tagesproduktion von mehreren tausend Litern möglich ist. 9 Wird der Essig aus zucker- oder alkoholhaltigen Lösungen als xidations- oder Gärungsprodukt gewonnen, so handelt es sich meist um einen teuren, gut schmeckenden Essig. Wird er durch einfaches Verdünnen von Ethansäure hergestellt, so handelt es sich eher um einen preislich günstigen Essig. 10 Dies ist der Fall bei der im Supermarkt erhältlichen Essigessenz, die einen Ethansäuregehalt von 25 % aufweist und bei vierfacher Verdünnung als Tafelessig verwendet wird. 11 Die Ethansäure und ihr Anhydrid sind in der Industrie als Grundstoffe von großer Bedeutung für die Produktion von Pharmaka, Farbstoffen, Pestiziden und Polymeren. Die großtechnische Produktion erfolgt über drei wichtige Verfahren: die Ethen- xidation über Acetaldehyd, die Luftoxidation von Butan und die Carbonylierung von Methanol. Alle diese Syntheseverfahren folgen komplexen Mechanismen. 12 xidation von Ethen: 2, H 2, PdCl 2 /CuCl 2 -Katalyse 2, Co 3+ -Katalyse H 2 C CH 2 H H Wacker-Verfahren Ethen Ethanol Ethansäure xidation von Butan: 9 Vgl. Fischkandl, V.: Wie entsteht Essig. URL: Letzter Zugriff am: Vgl. Fischerauer, A.: ALLES UM DEN ESSIG. URL: Was+ist+Essig.html. Letzter Zugriff am: Vgl. Wollrab, A.: rganische Chemie. S Vgl. Butenschön, H. (Hrsg. Der Übersetzungsauflage): Vollhardt, K.P.C., Schore, N.P.: rganische Chemie. 4. Auflage. Weinheim S. 978f.

8 , Co Katalyse, kpa, 180 C 2 Butan H Ethansäure Carbonylierung von Methanol: H Methanol C, Rh 3+ -Katalyse, I 2, kpa, 180 C Monsanto-Verfahren H Ethansäure

9 Nach einiger Zeit entsteht aus Weißwein Essig! Stelle eine Vermutung darüber auf, wie es dazu kommt! Carbonsäuren können durch xidation primärer Alkohole zu Aldehyden und anschließender Weiteroxidation dargestellt werden. Auf sehr einfache Weise entsteht Essig durch enzymatische xidation, wenn Wein an Luft stehen gelassen wird. Schon in der Antike wurde Essig als Erfrischungsgetränk, zur Säuerung und zur Konservierung von Lebensmitteln verwendet. Es war bekannt, dass zur Herstellung Luft, Alkohol und Essigsäurebakterien 13 benötigt werden. Die Essigsäurebakterien können nur im sauerstoffreichen Milieu Ethanol zu Ethansäure umsetzen. Die xidation von Ethanol erfolgt mithilfe der in Acetobacter enthaltenen Alkohol-Dehydrogenase (ADH) und Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH). Im ersten Schritt erfolgt die xidation von Ethanol zu Ethanal durch Luftsauerstoff: H ADH 2 + 2(g) H 2 H H H Ethanol Ethanal Anschließend wird Ethanal zu Ethansäure weiteroxidiert: ALDH 2 + 2(g) 2 H H Ethanal Ethansäure Ist am Ende kein Ethanol mehr vorhanden, so wird Essigsäure zu C2 oxidiert. 14,15 Was macht Essig sauer? 13 Systematik: Klassifikation: Lebewesen, Domäne: Bakterien, Abteilung: Proteobacteria, Klasse: Alphaproteobacteria, rdnung: Rhodospirillales, Familie: Acetobacteraceae 14 Vgl. Conatex-Didactic Lehrmittel GmbH: rganische Chemie: Einführung der einfachen Carbonsäuren über die Essigsäure. In: Conatex Didactic Versuchsanleitung. URL: Letzter Zugriff am Vgl. Schmid, R.: Taschenbuch der Biotechnologie und Gentechnik. 2. Auflage. Weinheim S

10 Die in der Ethansäure enthaltene Carboxy-Gruppe erklärt deren sauren Charakter. Denn obwohl das saure Wasserstoffatom wie bei den Alkoholen der Hydroxy-gruppe entstammt, weisen Carbonsäuren wesentlich niedrigere pks-werte auf als Alkohole. Dies liegt daran, dass das Carboxy-Kohlenstoffatom positiv polarisiert ist und dadurch einen elektronenziehenden Effekt auf die benachbarten Gruppen ausübt. Das Wasserstoffatom kann somit leichter abgespalten werden. H3C H basisch sauer Carboxylgruppe Überdies wird das dabei entstehende Carboxylat-Ion durch mögliche Resonanzstrukturen stabilisiert. C H 3 H + - H C H H 3 C pk s = 4,75 gleichwertige Resonsanzformeln Im Gegensatz zu den Enolat-Ionen sind die Resonanzformeln der Carboxylat-Ionen gleichwertig. Dies bedeutet, dass die Carboxylate symmetrisch gebaut sind. Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungslängen liegen zwischen denen einer Kohlenstoff- Sauerstoff-Einfach- und Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung Vgl. Vollhardt, K.P.C., Schore, N.P.: rganische Chemie. S