Veresterung und Verseifung

Heute im Chemieunterricht: | Veresterung und Verseifung. Das chemische Gleichgewicht, ein dynamisches Gleichgewicht. Die Gleichgewichtsverschiebung.

Erweiterte Suche


107. Veresterung und Verseifung

Veresterung

Die Veresterung (auch Esterbildung genannt) ist eine chemische Reaktion, die von Emil Fischer entdeckt wurde. Sie ist eine Gleichgewichts- und Kondensationsreaktion, bei der ein Alkohol  mit einer organischen oder anorganischen Säure zu einem Ester reagiert. Ester bestehen aus ungeladenen Molekülen, deswegen leiten sie den elektrischen Strom nicht.


Esterhydrolyse = Verseifung

Ebenso zeigt eine frisch angesetzte Mischung aus reinem Ester und Wasser keine elektrische Leitfähigkeit. Wenn man die Mischung jedoch langsam erhitzt, tritt Leitfähigkeit ein, die langsam ansteigt und nach einer gewissen Zeit konstant bleibt. Man kann also folgendes festhalten:

  • Wenn Ester und Wasser miteinander reagieren, entstehen Ionen und es tritt elektrische Leitfahigkeit ein.
  • Die Ionenbildung steigt während der Reaktion und erreicht nach einer bestimmten Zeit eine gleichbleibende Konzentration.
 
Verseifung ist die Umkehrung der Veresterung

Ein Ester mit Wasser wird also in Säure und Alkohol gespalten. Die Reaktion entspricht der Umkehrung der Veresterung und wird Verseifung genannt. Als Produkte der Reaktion entstehen der Alkohol und das Salz der Säure (Carboxylat-Ion), aus denen der Ester bestand.


$ \mathrm { \underbrace {CH_3 \ – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \quad { \Large O}} {\overset {\quad \ \diagup \!\! \diagup \!\! } C }} \!\!\!\!\!\!\!\!\! – O \ – \ C_2H_5}_{Essigsäureethylester} + H_2O \ \ {\overset {\large Verseifung} {\underset {\large Veresterung} {\large \rightleftharpoons} }} \quad \underbrace {CH_3COOH}_{Essigsäure} + \underbrace {C_2H_5OH}_{Ethanol} }$


 
Gib 150 ml Wasser und 10 ml Ameisensäureethylester in einen Dreihalskolben mit Rückflusskühler und erwärme unter Umrühren auf 45°C. Beobachte dabei die Änderung der elektischen Leitfähigkeit.
 
Veresterung und Verseifung stehen miteinander in einem chemischen Gleichgewicht
 
Das chemische Gleichgewicht ist erreicht, wenn sich Aufbau und Zerfall einer Verbindung die Waage halten. Es ist ein dynamisches Gleichgewicht

Versuchsanordnung zur Verseifung des Ameisensäureethylesters
Bild 1. Versuchsanordung zur Verseifung des Ameisensäureethylesters. Die Leitfähigkeitsmessung zeigt die Entstehung der Ameisensäure an.
Bild 2. Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit bei der Esterspaltung in Versuch 1 .

$ \mathrm { \underbrace {CH_3COOH}_{Essigsäure \ \color {blue}{keine Leitfähigkeit}} \;\; {\overset {\large H_2O}{\large \rightleftharpoons} } \;\; \underbrace {CH_3COO^-_{(aq)}}_{Acetat-Ion \ \color {brown} {Elektrische Leitfähigkeit}} + H^+_{(aq)} }$

 
Mische 20 ml Wasser, 5ml Essigsäureethylester und 10 ml 1/10 n Natronlauge. Gib dann wenige Tropfen Phenolphthalein dazu und erkläre deine Beobachtung
 
Eine Esterspaltung mit Lauge ist irreversibel, d.h. sie kann nicht mehr rückgängig gemacht werden

Der Vorgang der Esterspaltung ist eine Hydrolyse. Die saure Esterhydrolyse entspricht der Rückreaktion der sauren Veresterung und führt daher sehr schnell zu einem Gleichgewichtszustand.

Ursprünglich verstand man unter Verseifung lediglich die basische Esterhydrolyse von tierischen Fetten oder pflanzlichen Ölen, mit Laugen, vornehmlich Natronlauge oder Kalilauge, in der Seifensiederei. Dabei entstehen der dreiwertige Alkohol Glycerin und die jeweiligen Alkalisalze der in den Fetten vorkommenden Fettsäuren. Letztere werden Seifen genannt. Die Verseifung mit Natronlauge liefert Kernseife, die mit Kalilauge Schmierseife.


Das chemische Gleichgewicht ist ein dynamisches Gleichgewicht

Die bei der Verseifung entstandene Säure ist für das Auftreten der elektrischen Leitfähigkeit verantwortlich. Da sich die Säure mit Alkohol teilweise wieder zu Ester und Wasser verbinden kann ist es nicht möglich, dass ein Ester mit Wasser vollständig in Säure und Alkohol gespalten werden kann. Entsprechend reagieren in einem Alkohol-Säure-Gemisch nicht beide Reaktionspartner vollständig zu Ester (Kapitel 106, 1). Bei der Esterspaltung liegt also wie bei der Esterbildung immer ein Gemisch aus Ester, Wasser, Alkohol und Säure vor. Haben in diesem Gemisch einerseits die Stoffmengen von Ester und Wasser und andererseits von Säure und Alkohol ein bestimmtes Verhältnis erreicht, scheint es, dass keine Reaktion mehr abläuft. Diesen Zustand nennt man chemisches Gleichgewicht, da sich Bildung und Spaltung des Esters die Waage halten.

Das chemische Gleichgewicht ist ein dynamisches Gleichgewicht, da es einen Zustand darstellt, in dem Moleküle laufend miteinander reagieren. Die Schreibweise einer Gleichgewichtsreaktion erfolgt mit einem Doppelpfeil:


$ \mathrm {A + B \ \leftrightharpoons \ AB}$


Im Zustand des Gleichgewichts ändert sich der Stoffmengenanteil der Säure im Gemisch nicht mehr, und damit erreicht die elektrische Leitfähigkeit einen konstanten Wert.


Ester und Wasser reagieren ebenso wie Alkohol und Säure so lange mit einander, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Bild 3. Ester und Wasser reagieren ebenso wie Alkohol und Säure so lange miteinander, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der Gleichgewichtszustand ist von der Temperatur abhängig.

Die Gleichgewichtsverschiebung

ChemikerInnen sind in der Lage, eine chemische Gleichgewichtsreaktion zu beeinflussen und zu steuern. In der Technischen Chemie hat man zahlreiche Verfahren dazu entwickelt. Will man eine hohe Ausbeute an Ester haben, muß man das Gleichgewicht auf die Seite des Esters verschieben. Entsprechend der Formelgleichung unten soll also das Gleichgewicht nach rechts verschoben werden. In den Versuchen 2 und 5 im Kapitel 106 hatte die konz. Schwefelsäure eine doppelte Wirkung:

 
Wie muß man die Konzentration des Alkohols verändern, um die Esterausbeute zu vergrößern?
 
Die Esterausbeute kann durch Wasserentzug mit Schwefelsäure erhöht werden
  1. Wasserstoff-Ionen beschleunigen das Erreichen des Estergleichgewichtes.
  2. Da die konz. Schwefelsäure dem Gleichgewicht laufend Wasser entzieht, kommt es zu einer Verschiebung der Reaktion nach rechts.

Die Verschiebung des Gleichgewichts zugunsten der Esterspaltung kann man durch Laugen erreichen (siehe Versuch 2). Die OH -Ionen der Lauge verbinden sich mit den Wasserstoff-Ionen der Säure, so dass die gebildete Säure laufend verbraucht wird. Es wird daher kein Gleichgewichtszustand erreicht.


$ \mathrm { CH_3 \ – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup \!\! } C }} \!\!\!\!\!\!\!\!\! – O \ – \ C_2H_5 + H_2O \ {\large \rightleftharpoons} \ CH_3COOH + C_2H_5OH }$

$ \mathrm { CH_3COOH \qquad \; \; + \; OH^- \longrightarrow \ \; CH_3COO^- + H_2O }$


$\mathrm { CH_3 \ – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup \!\! } C }} \!\!\!\!\!\!\!\!\! – O \ – \ C_2H_5 + OH^-_{(aq)} \ \xrightarrow {H_2O} \ C_2H_5OH + CH_3COO^-_{(aq)} } $


Der hier von den OH -Ionen verursachte Zustand ist irreversibel, d.h. er kann nicht mehr rückgängig gemacht werden. Das Gleichgewicht ist endgültig auf eine Seite verschoben.