Bearbeitung eines Modellversuchs und fachspezifischer Vorgaben zur Synthese von Ethansäurebutylester
a) Fachspezifische Vorgaben
Eine westdeutsche Chemiefirma stellte im Jahre 1999 ca. 70 000 t
Ethansäurebutylester her, die zum größten Teil als Lacklösemittel in der
Automobilindustrie und der holzverarbeitenden Industrie verwendet werden. Zur
Synthese wird Essigsäure mit 1-Butanol im Überschuss kontinuierlich bei 100
°C von oben in einen Schachtreaktor mit einem "sauren
Ionenaustauscher" geleitet. Das Reaktionsgemisch wird unten aus dem Reaktor
abgezogen und durch ein besonderes Destillationsverfahren getrennt und
aufgearbeitet.
Angaben zum Demonstrationsexperiment: Reaktionsgemisch: 1 mol Ethansäure, 2 mol 1 Butanol, 1 ml konzentrierter Schwefelsäure. In der Vorlage befinden sich zusätzliches Butanol und blau angefärbtes Wasser.
b) Arbeitsaufträge:
- Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des Versuchsaufbaus an, und geben Sie die Versuchsbeobachtungen an!
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Strukturformeln, und geben Sie die Funktion der Schwefelsäure im Demonstrationsexperiment an!
- Stellen Sie das Massenwirkungsgesetz für die Reaktion auf, und berechnen Sie die Ausbeute an Ethansäurebutylester bei den eingesetzten Stoffmengen des Demonstrationsexperiments in einem geschlossenen System!
- Deuten Sie die Versuchsbeobachtungen mit Hilfe der unter c) gegebenen Zusatzinformationen!
- Erklären Sie den Ablauf des technischen Verfahrens (eingesetzte Mengen, Temperatur, saurer Ionenaustauscher, kontinuierlicher Ablauf)!
c) Zusatzinformationen:
- Siedepunkte
°C
1-Butanol 118
Ethansäure 118
Ethansäurebutylester 126
Ethansäurebutylester/1-Butanol/Wasser
als azeotropes Gemisch 100
Schwefelsäure 340 - Dichteangaben: 1-Butanol: r = 0,81 g/mL; Essigsäurebutylester: r = 0,882 g/ml
- Gleichgewichtskonstante der Reaktion: K = 4
- Ethansäurebutylester/1-Butanol/Wasser bilden nur im Siedebereich ein azeotropes Gemisch.
Konkrete unterrichtliche Voraussetzungen
Die Aufgabe kann im Rahmen einer Klausur etwa 6-8 Wochen vor Ende der Jahrgangsstufe 11 gestellt werden. Zu den obligatorischen Themenfeldern der Jahrgangsstufe 11 wurden jeweils eine Unterrichtsreihe durchgeführt. Für die Themenfelder wurde die Reihenfolge C, A, B gewählt.
Unterrichtsreihe zum Themenfeld C:
Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf
Unterrichtsreihe zum Themenfeld A: Vom Traubensaft zum
Aromastoff
Unterrichtsreihe zum Themenfeld B:
Methyltert.-butylether-Synthese
Für die Bearbeitung der Aufgaben sind besonders die behandelten Unterrichtsgegenstände aus dem Themenfeld A "Vom Traubensaft zum Aromastoff" von Bedeutung. Hier wurde durch alkoholische Gärung Ethanol hergestellt, untersucht und in die homologe Reihe der Alkanole eingeordnet. Dabei wurde auch der Begriff des azeotropen Gemischs eingeführt. Nach Behandlung der Oxidationsprodukte wurde am Beispiel der Reaktion von Ethansäure mit Ethanol in die Stoffgruppe der Ester eingeführt und auf Ester anderer Alkansäuren und Alkohole ausgeweitet. Das Lösungsverhalten von verschiedenen Alkoholen - auch von Butanol - und von Ethansäureethylester in Wasser und Hexan wurde bei Raumtemperatur experimentell untersucht und unter Anwendung der eingeführten Fachbegriffe erklärt. Ein Referat beschäftigte sich mit dem natürlichen Vorkommen und der Bedeutung der Ester in der Natur und de technischen Anwendung. Der experimentell bestimmte unvollständige Ablauf der Estersynthese führte zu der Frage nach dem zeitlichen Ablauf der Reaktion, die durch die quantitative Untersuchung der Bildung und Verseifung von Ethansäurebutylester geklärt wurde. Der Systembegriff, die Begriffe Reaktionszeit und Reaktionsgeschwindigkeit wurden hier ebenso eingeführt wie der Begriff des chemischen Gleichgewichts und die Gleichgewichtskonstante. Das Massenwirkungsgesetz wurde formuliert und Gleichgewichtskonzentrationen für einfache Reaktionen bei gegebener Gleichgewichtskonstante und gegebenen Ausgangskonzentrationen berechnet. Der Einfluss des Katalysators auf die Reaktionsgeschwindigkeit und auf die Gleichgewichtslage wurde bei der Estersynthese geklärt. Im Hinblick auf die Beeinflussung von Gleichgewichten wurde bislang der Temperatureinfluss und die Erhöhung der Konzentration eines Edukts experimentell untersucht und erklärt.
Im Themenfeld B "Ein technischer Prozess" wird zum Zeitpunkt der Klausurvorbereitung die Unterrichtsreihe "Methyltert.-butylether-Synthese" behandelt. Dabei wurde von den Vorgängen im Motor ausgegangen und die Bedeutung früher verwendeter Treibstoffzusätze, insbesondere für die Klopffestigkeit des Benzins, aber auch für die Umwelt, thematisiert. Methyltert.-butylether, ein aktueller Benzinzusatzstoff, soll im Unterricht synthetisiert werden. Anschließend soll die technische Synthese in ihrer Durchführung und ihrer wirtschaftlichen Verknüpfung analysiert werden.
Die Apparatur des Wasserauskreisers ist der Lerngruppe nicht bekannt. Das Anfertigen beschrifteter Versuchsskizzen wurde im Rahmen von Versuchsprotokollen eingeübt. Die Übertragung auf die kontinuierliche Prozessführung in der Technik erfordert den Transfer von neuen Ergebnissen aus dem Modellversuch auf den technischen Vorgang. Dieses setzt ein gesichertes Verständnis des Ablaufs chemischer Reaktionen, des chemischen Gleichgewichts und der Beeinflussungsmöglichkeiten voraus.
Konkrete Beschreibung der zu erwartenden Schülerleistungen
| Arbeits- auftrag |
Erwartete Schülerleistung | AFB (Punkte) |
| 1. | Skizze zum Versuchsaufbau:
Das Reaktionsgemisch siedet; vom Rückflusskühler tropft eine Flüssigkeit in das vorgelegte Butanol, Tröpfchen sinken durch die Butanolschicht in die Wasserschicht. Ein Teil fließt in den Reaktionskolben zurück. |
I (6)
I(4) |
| 2. | 
Die Schwefelsäure dient als Katalysator. Sie erniedrigt die Aktivierungsenergie für die Reaktion. |
II (4)
I (4) |
| 3. | K = n(Ester) * n(Wasser) n(Säure) * n(Alkohol) 4 = x 2
; x1 = 3,155 mol; x2 = 0,845 mol Aus 1 mol Ethansäure entstehen 0,845 mol Ethansäurebutylester; der Wert x1 ist unsinnig. |
I (4)
II (8)
|
| 4. | In der Gasphase sind Wasser, Ethansäurebutylester und Butanol enthalten. Wenn der Dampf am Rückflusskühler kondensiert, tropfen die Stoff in das kalte Butanol. Wasser sinkt aufgrund seiner größeren Dichte und Nichtmischbarkeit durch die Butanolschicht, während Butansäureethylester und Butanol in den Reaktionskolben zurückfließen. So kann Wasser aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden. | III (7) |
| 5. | Butanol wird im Überschuss eingesetzt, um die
Gleichgewichtslage weiter auf die Seite der Produkte zu verschieben. Die
hohe Temperatur führt zu einer schnelleren Gleichgewichtseinstellung;
der Katalysator beschleunigt ebenfalls die Gleichgewichtseinstellung.
Das kontinuierliche Verfahren ist effektiver, es gibt keine Stillstandszeiten mit Aufheizung oder Abkühlung und damit weniger Energieverluste. |
II (10)
III (4) |
Zur Bewertung:
Die hier vorgeschlagene Punktvergabe berücksichtigt die Anforderungsbereiche etwa in folgendem prozentualen Verhältnis:
Anforderungsbereich I: 35%
Anforderungsbereich II: 43%
Anforderungsbereich III: 22%
Für die Bearbeitung dieser Aufgabe kann die Note ausreichend erteilt werden, wenn die Arbeitsaufträge 1. und 2. richtig und weitgehend vollständig gelöst wurden. Zu 3. muss die Gleichung für das Massenwirkungsgesetz richtig aufgestellt sein, und es muss ein Ansatz zur Ausbeuterechnung vorliegen. Zu 4. und 5. reicht dann die Nennung einzelner Aspekte ohne Begründung.
Für die Note gut müssen z.B. die Arbeitsaufträge 1. - 3. im wesentlichen richtig gelöst sein. Zu 4. muss erkannt worden sein, dass durch dieses Verfahren das Wasser aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden kann. Für den technischen Ablauf in 5. müssen zwei Bedingungen richtig erklärt worden sein. Insgesamt muss sich die Darstellung durch einen sicheren Gebrauch der eingeführten Fachbegriffe und eine angemessene äußere Form auszeichnen.
Bemerkungen zur Wahl der Aufgabe
Die Aufgabe zeigt, wie im Unterricht erworbene chemische Grundkenntnisse zu Ablauf und Steuerung chemischer Reaktionen, zur Auswertung eines Modellexperiments und zur Deutung von Grundzügen eines technischen Prozesses angewendet werden können. Es liegt eine deutliche Verknüpfung der Bereiche 1 und 2 des Faches vor. Dabei werden Kenntnisse überprüft, die besonders im Rahmen der Unterrichtsreihe zum Themenfeld A erarbeitet wurden. Durch den Anwendungsbezug wird gleichzeitig die Verbindung zu Inhalten des gerade erst begonnen Themenfeldes B hergestellt. Die Aufgabe entspricht vom Aufgabentyp und von der Konstruktion schon den Aufgaben der Qualifikationsphase. Sie bereitet somit die Schülerinnen und Schüler auf die zukünftigen Anforderungen vor. Sie ist klar strukturiert und zeigt im Verlauf der Arbeitsaufträge einen ansteigenden Schwierigkeitsgrad, so dass für alle Schülerinnen und Schüler ein leichter Zugang gegeben ist. In den folgenden Arbeitsaufträgen können sie ihre ganze Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen.
1. Bereich des Faches: Durch die Arbeitsaufträge 1. - 3. werden unterschiedliche fachliche Inhalte und Qualifikationen mit geringerem Schwierigkeitsgrad überprüft. Zur Deutung des Demonstrationsexperimentes müssen die bislang erworbenen Kenntnisse zum Ablauf und zur Steuerung chemischer Reaktionen mit den Versuchsbeobachtungen und mit den Zusatzinformationen verknüpft werden.
2. Bereich des Faches: Die Informationen zur Produktionsmenge und zur Verwendung von Ethansäurebutylester stellen den unmittelbaren Anwendungsbezug der Aufgabe her. Die Erklärung des Ablaufs des technischen Verfahrens erfordert die Anwendung von im Unterricht erworbenem chemischen Grundwissen.
3. Bereich des Faches: Der Arbeitsauftrag 5. verlangt eine selbstständige Übertragung der Kenntnisse auf den nur kurz beschriebenen technischen Prozess. Die Bedeutung des kontinuierlichen Verfahrensablaufes muss im Zusammenhang mit der Produktionsmenge und den Reaktionsbedingungen gesehen werden. Energetische Aspekte einer Prozessführung sind im Unterricht bislang nicht an konkreten technischen Verfahren thematisiert worden. Die Erklärung der Bedingungen des Syntheseverfahrens stellt somit besonders hohe Anforderungen an die Selbstständigkeit der Lernenden.
Zur Auswahl und Gestaltung der zweiten Aufgabe1
Die zweite Aufgabe müsste sich auf Inhalte der laufenden Unterrichtsreihe "Methyltert.-butylether-Synthese" beziehen. Sie muss im Umfang aufgrund der zeitlichen Begrenzung der Klausuren in der Jahrgangsstufe 11 deutlich kürzer sein. Eine Gleichgewichtigkeit der beiden Aufgaben, wie sie in der schriftlichen Abiturprüfung gefordert ist, kann und muss hier nicht erreicht werden. In der Gesamtbewertung bekäme diese Aufgabe etwa einen Anteil von 40%. In der Aufgabe könnte die Bearbeitung fachspezifischen Materials zum Einsatz von Benzin in Verbrennungsmotoren gefordert werden. Dabei sollte u.a. der Begriff "Octanzahl" definiert und seine Bedeutung erläutert werden. Anhand der gestellten Reaktionsgleichung für die Verbrennung von z.B. Isooctan könnte im Weiteren die Umwandlung von chemischer Energie in Wärme- und Bewegungsenergie erklärt werden. Auch die Entstehung von schädlichen Abgasen als Folge von Nebenreaktionen könnte aufgezeigt werden. Somit verlangt diese Aufgabe im Wesentlichen Leistungen im reproduktiven und leichteren Transferbereich.
1 Für die Jahrgangsstufen 11 und 12 werden jeweils zwei Aufgabenbeispiele konstruiert. Diese Aufgaben wären für eine Klausur jeweils durch eine weitere Aufgabe zu ergänzen. Der Umfang wird wegen der begrenzten Bearbeitungszeit geringer ausfallen müssen.