Struktur-Eigenschafts-Beziehung Alkohole

Die Mars-Mission

Stellt euch vor, ihr arbeitet im Ingenieursteam der ESA für die nächste Mars-Mission.

Ein neuer Forschungs-Roboter benötigt ein flüssiges Kühlsystem für seinen Hochleistungsprozessor (zentrale Verarbeitungseinheit). Der Prozessor wird im Betrieb 70 °C heiß.

Bei der Wahl der Kühlflüssigkeit muss beachtet werden, dass die Kühlflüssigkeit auf keinen Fall sieden darf, da sonst die Leitungen platzen und der Roboter zerstört wird.

Außerdem muss sie aufgrund der Temperaturen auf dem Mars bei Temperaturen bis zu -90°C flüssig bleiben.

Ihr habt im Labor drei Flüssigkeiten zur Auswahl: Wasser, Ethanol ( $C_{2} H_{6} O$ ) und Pentan( $C_{5} H_{12}$ ). Entscheidet, welche Flüssigkeit ihr für das Kühlsystem verwendet. Die Schmelzpunkte zweier Stoffe liegen unterhalb von -90°C. Bearbeitet dafür folgende Aufgaben:

Begründet mit den Informationen aus dem Text, warum Wasser als Kühlmittel ungeeignet ist.

Formuliert eine Vermutung darüber, welcher Stoff die höchste Siedetemperatur hat.
Tipp: Nutzt euer Wissen über den Einfluss der Kettenlänge auf die Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen.

Erarbeitet euch die Struktur der Moleküle:

Zeichnet die Strukturformel für Pentan.
Leitet aus dem Namen und der Summenformel die Strukturformel von Ethanol ab.
Tipp: Beachtet die Bindigkeiten der Atome!

Pentan

Ethanol

Bestimme die Polarität von Ethanol, indem du...
... die Elektronegativitäts(EN)-Werte der einzelnen Atome im Tafelwerk nachschaust.

... die Differenz der EN-Werte berechnest.
... die Polarität der Bindungen ableitest (polar: EN-Differenz > 0,4)
... die Ladungsschwerpunkte (

δ +, δ -

)in der obigen Strukturformel kennzeichnest.
Tipp: Erinnert euch an die Polarität des Wassermoleküls.
EN-Wert-Differenz im Ethanol:

O - H

Entscheide anhand der Siedetemperaturen, ob sich Pentan oder Ethanol besser als Kühlmittel eignet. Begründe deine Entscheidung auf Teilchenebene.

Struktur-Eigenschafts-Beziehung Alkohole

Die Versorgungskapsel für das Basislager ist gelandet, doch beim harten Aufschlag sind die Beschriftungen von drei wichtigen technischen Hilfsstoffen unleserlich geworden, es sind wieder nur die verkürzten Strukturformeln übriggeblieben.

Stoff A: $C H_{3} - (C H_{2})_{16} - C H_{2} - O H$

Stoff B: $C H_{3} - C H_{2} - O H$

Stoff C: $C H_{3} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{2} - O H$

Auf den ersten Blick erkennt ihr: Alle drei Stoffe sind Alkohole.

Der Bordmechaniker flucht: „Alkohole? Die sind doch alle gleich! Die mischen sich mit Wasser und verdampfen schnell. Wie soll ich damit die Basis abdichten oder die Bohrköpfe schmieren? Ich brauche doch eigentlich:

1) Reinigungs-Konzentrat für wässrige und ölige Rückstände

2) flüssiges Schmiermittel, dass keine Luftfeuchtigkeit aufnimmt, damit die Leitungen bei Frost nicht durch gefrierendes Wasser sprengen.

3) Dichtungs-Wachs für kleine Lecks

Jeder der Stoffe ist jeweils für einen Verwendungszweck vorgesehen gewesen. Helft dem Bordmechaniker und ordnet den Stoffen ihre jeweilige Verwendung zu, indem ihr die folgenden Aufgaben bearbeitet.

Leitet aus den Verwendungen notwendige Eigenschaften der Stoffe in Bezug auf Aggregatszustand und Löslichkeit ab.

Verwendungszweck

Aggregatszustand

Löslichkeit

Reinigungs-Konzentrat

flüssig

unpolar und polar

Schmiermittel

flüssig

unpolar

Dichtungs-Wachs

fest

unpolar

Ordnet die drei Strukturformeln den Verwendungsmöglichkeiten zu und begründet mit den Strukturmerkmalen.
Tipp: Erinnert euch welchen Einfluss die Kettenlänge auf Eigenschaften bei den Alkanen hatte.