Reaktion von Carbonsäuren mit Magnesium

Demonstrationsexperiment auf Video

Reaktion von Carbonsäuren mit Magnesium

Lernziel: Zusammenhang zwischen Reaktivität und Säurestärke

Peter Keusch

English version

Chemikalien:
Ameisensäure 98 - 100 %
Essigsäure 100 %
Propionsäure
Magnesium Bandform

Glaswaren:
3 Petrischalen d = 7 cm
Pasteur-Pipette mit Gummihütchen

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Ameisensäure ist schädlich bei Einatmung, Verschlucken und Aufnahme über die Haut - schädigt Schleimhäute, Atemwege, Augen und Haut.
Essigsäure führt bei Einatmung zu Reizerscheinungen an den Atemwegen. Lungenentzündung, Bronchitis. Die Inhalation kann Ödeme im Respirationstrakt bewirken. Verätzungen bei Haut und Augenkontakt, sowie bei Verschlucken.

Schutzbrille, Schutzhandschuhe und effektive Raumdurchlüftung erforderlich!

Versuchsdurchführung:

Drei Petrischalen, die auf der Glasplatte eines Tageslichtschreibers platziert sind, werden mit 15 mL Carbonsäure gefüllt. Die erste Petrischale enthält Ameisensäure, die zweite Essigsäure und die dritte Propionsäure. Mit einer Pinzette wird jeweils ein Magnesiumband in die Schalen gelegt. Anschließend verdünnt man mit Hilfe einer Pasteurpipette die Säuren mit dest. Wasser.

Versuchsergebnis:

In allen Petrischalen erfolgt auf der Oberfläche des Magnesiumbandes eine Gasentwicklung. Die Intensität der Gasentwicklung nimmt in der Reihe Ameisensäure > Essigsäure > Propionsäure ab. Schließlich wird das Magnesium vollkommen aufgelöst.
Ameisensäure reagiert bereits vor dem Verdünnen mit Magnesium.

Videoclip (Download RealPlayer .rm Datei)

Deutung des Versuchsergebnisses:

	pH	Ks	pKs	Reaktion mit Mg
Ameisensäure	1.89	1.77 × 10 ^-4	3.75	heftige Gasentwicklung
Essigsäure	2.38	1.8 × 10 ^-5	4.74	moderate Gasentwicklung
Propionsäure	2.44	1.3 × 10 ^-5	4.87	leichte Gasentwicklung

Die drei Carbonsäuren reagieren mit Magnesium unter Bildung von Wasserstoff. Die Intensität der Wasserstoffentwicklung hängt von der Stärke der jeweiligen Säure ab. Je stärker die Säure, desto mehr Wasserstoffionen werden in die wässerige Lösung abgegeben. Die Wasserstoffionen bilden mit den Wasserdipolen Hydroniumionen. Zink reduziert die Hydroniumionen zu Wasserstoff, der der wässerigen Lösung entweicht.

Höhe von Ks und Säurestärke

Allgemein gilt

Da Wasser im Überschuss vorliegt und dementsprechend seine Konzentration relativ konstant bleibt, wird der [H₂O]-Term in die Gleichgewichtskonstante einbezogen. Daraus ergibt sich die Säurekonstante K_S:

Je höher der Wert von K_s, desto mehr ist das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte verschoben und desto stärker ist die Säure HA.

Da sich die Werte für Ks über mehrere Zehnerpotenzen erstrecken, wird ein logarithmischer Maßstab gewählt, wobei

pKs = - log Ks

Für Essigsäure bei 25°C:

pK_s = - log Ks = - log ( 1.8 × 10 ^-5 ) = 4.74

Je kleiner der pK_s-Wert, desto stärker ist die Säure.

Carbonsäuren stellen schwache Säuren dar. Sie sind jedoch stärker als andere protische Verbindunge. Die Acidität der Carbonsäuren beruht auf

· dem - I - Effekt der Carbonyl-Funktion. Die elektronenziehenden Wirkung der C = O -Gruppe bedingt die Polarität der O - H -Bindung und erleichtert somit die Abgabe des Protons.

· der Mesomeriestabilisierung des Carboxylat-Ions. Die Röntgenstrukturanalyse zeigt, das die beiden Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen gleich lang sind (Bindungslänge zwischen Einfach- und Doppelbindung), was eine Delokalisation der Ladung nahe legt. Die negative Ladung ist auf die zwei Sauerstoffatome verteilt. In der folgenden Abbildung wird die Stabilisierung möglicher eise am besten durch die 'zusammengesetzte' Resonanzstruktur repräsentiert.

Das Experiment zeigte dass Essigsäure deutlich schwächer reagiert als Ameisensäure, die Propionsäure wiederum schwächer ist als Essigsäure.

Die Säurestärke der Carbonsäuren hängt von der Art der Reste ab, die mit der Carboxylgruppe verbunden sind. Stark elektronenziehende Gruppen erhöhen die Säurestärke, wohingegen elektronenspendende Reste die Säurestärke herabsetzen. Ameisensäure ist zehnmal stärker als Essigsäure, wodurch der elektronenspendende Charakter einer Alkylgruppe im Vergleich zum Wasserstoffatom bestätigt wird. Aufgrund des + I - Effekts der an die Carboxylgruppe gebundenen Reste erhöht sich die Elektronnendichte auf dem Sauerstoffatom der Hydroxylgruppe in der Reihe Ameisensäure < Essigsäure < Propionsäure. Die Erhöhung der Elektronendichte auf dem Sauerstoffatom der Hydroxylgruppe führt zu einer Abnahme der Polaritat der O - H-Bindung und erschwert deren heterolytische Spaltung, was zur Folge hat, dass weniger Protonen in die wässerige Lösung abgegeben werden.

Liste der Experimente