Benutzer:Night-ger007/Werkstatt

Wikiprojekt

Mitglieder der Gruppe sind Till Bußmann und David Hasso. Im Seminarfach wird ein langfristiges Projekt durchgeführt, bei dem wir uns auf die Gewinnung von Alkoholen aus Pflanzen spezialisieren wollen, weil dieser Bioalkohl als ein Ersatzstoff für fossile Brennstoffe gilt. Dabei experimentieren wir mit unterschiedlichen Verfahren und Pflanzen zur Gewinnung des Alkohols. Als Schwerpunkt haben wir uns das Verfahren zur Gewinnung des Bioethanols ausgewählt. Anschließend soll das Ergebnis ausgewertet werden. Dazu gehört eine Durchführung, die Benennung der Materialien , die Beobachtung für jede individuelle Pflanze und eine Deutung ( Ergebnis ). Die Anzahl der Pflanzen sollen etwa 3-6 umfassen. Der Schwerpunkt des Projekts soll auf den Versuch bzw. das Verfahren zur Gewinnung des Alkohols aus Pflanzen liegen. Der Inhalt des Projekts ist nicht nur der Versuch und die Auswertung, sondern es werden auch Informationen über die Pflanzenart, von uns aufgestellte Hypothesen bezüglich des Alkoholgehalts, die Definition des Alkohols etc. geliefert. Ebenfalls wollen wir den Alkoholgehalt der Pflanzen miteinander vergleichen und gründe für die Unterschiede herausfinden.

Alkohol

Alkohole sind in der Natur weit verbreitete chemische Verbindungen, wobei meist nur der Trinkalkohol Ethanol bekannt ist. Die funktionelle Gruppe der Alkohole ist die Hydroxyl-Gruppe (OH-), welche an eine oder mehrere Kohlenstofftome gebunden sind. Alkohol entsteht auf natürliche Weise durch die alkoholische Gärung von Pilzen oder Bakterien. Dabei wird Zucker unter Ausschluss von Sauerstoff zu Alkohol umgewandelt. Alkohole werden auch als Alkanole bezeichnet.

Nomenklatur und Einteilung

Die systematischen Namen der Alkohole bildet man durch Anhängen der Endung -ol an den Namen des zugrundeliegenden Alkans. Eine vorangestellte Zahl verdeutlicht die Position der OH-Gruppe.

Ethanol Lewis

Je nachdem, wie viele Kohlenstoff-Atome mit dem die funktionelle Gruppe verbunden sind, unterscheidet man primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole.

•Ist das Kohlenstoffatom, das die OH-Gruppe gebunden hat, mit einem (oder keinem) weiteren Kohlenstoffatom verbunden, handelt es sich um einen primären Alkohol

•Ist das Kohlenstoffatom, das die OH-Gruppe gebunden hat, mit zwei weiteren Kohlenstoffatomen verbunden, handelt es sich um ein sekundäres Alkohol.

•Ist das Kohlenstoffatom, das die OH-Gruppe gebunden hat, mit drei weiteren Kohlenstoffatom verbunden, handelt es sich um einen tertiären

Wertigkeit

Die Möglichkeit, dass in einem Molekül mehrere OH-Gruppen vorhanden sein könne, ergibt eine andere Klassifizierung, die der Werigkeit. Je nachdem , wie viele Hydroxyl-Gruppen sich im Molekül befinden,unterscheidet man einfache und mehrwertige Alkohole. Ist eine Hydroxyl-Gruppe im Molekül vorhanden, spricht man von einwertige Alkohole. Bei zwei Hydroxyl-Gruppen wird von Diolen, bei drei Hydroxyl-Gruppen von Triolen

Eigenschaften

Durch die polare funktionelle Gruppe ändern sich die Eigenschaften im Vergleich zu den entsprechenden Alkanen. Vor allem bei kurzkettigen Alkoholen fällt die Hydroxyl-Gruppe ins Gewicht. Der Dipolcharakter führt zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken, die den Siedepunkt und die Viskosität der Verbindungen im Vergleich zum Alkan entsprechenden Molekulargewichts erhöhen. Zudem sind kurzkettige Alkohole wegen der hydrophilen, polaren Hydroxyl-Gruppe gut mit Wasser mischbar. Je größer allerdings der hydrophobe Alkylrest wird, desto stärker prägen er und die Van-der-Waals-Kräfte die Eigenschaften des Mülekols.

Ethanol

Ethanol ist ein einwertiger Alkohol bzw. eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und einer OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) mit der Summenformel C2H6O. Ethanol ist eine farblose, klare, brennbare Flüssigkeit mit einem brennenden Geschmack und schon bei Raumtemparaturen leicht entzündlich. Der Alkohol steht in der homologen Reihe an zweiter Stelle, hinter dem Methanol und ist Bestandteil von alkoholischen Getränken wie zum Beispiel Bier oder Wein. Ethanol wird aber auch als wertvolles Lösungsmittel für Fette, Öle, Harze und für Duftstoffe verwendet. Zur Gewinnung von Ethanol werden die in den Pflanzen enthaltene Kohlenhydrate mit Hilfe von Bakterien und Pilze zu Alkohol vergoren. Der Schmelzpunkt von Ethanol liegt bei −114 °C und der Siedepunkt bei liegt bei 78 °C . Somit siedet Ethanol früher als Wasser, aber ist gleichzeitig leichter als Wasser, denn Wasser erreicht seinen Siedepunkt bei 100°C. Die Bruttogleichung der alkoholischen Gärung lautet:

$\mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\to \ 2\ C_{2}H_{5}OH+2\ CO_{2}}$

Eignund der Pflanzenarten

Stärke, Zucker: Als herkömmliche Rohstoffe kommen meist die lokal verfügbaren Pflanzen mit hohen Gehalten an Zucker oder Stärke zum Einsatz: in Lateinamerika Zuckerrohr beziehungsweise die daraus gewonnene Zuckerrohr-Melasse, in Nordamerika Mais, in Europa Weizen und Zuckerrüben. Weitere Pflanzen, die für die Bioethanolproduktion eingesetzt werden können, sind zum Beispiel Triticale, Zuckerhirse (Sorghum), in Asien auch Cassava (Maniok).

Cellulose: Angestrebt wird zunehmend die Nutzung von kostengünstigen pflanzlichen Reststoffen wie Stroh, Holzresten und Landschaftspflegegut oder von Energiepflanzen wie Rutenhirse[10] (auch Switchgrass, Panicum virgatum) oder Chinaschilf (Miscanthus sinensis), die keiner intensiven landwirtschaftlichen Bewirtschaftung bedürfen und auch auf minderwertigen Böden wachsen. (siehe Cellulose-Ethanol und Holzverzuckerung)

Nutzen

Bioethanol ist durch seine vielfältigen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen verwendbar. Durch seinen hohen Brennwert benutz man reinen Bioethanol (das Alkohol Ethanol) als Brennstoff, wie beispielsweise in Ethanol- Kaminen für eine warme und gemütliche Wärmequelle. Aber auch für den alkoholischen Genuss kann Ethanol als Spirituose beigefügt werden, wie z.B. in Schnaps, wenn dieser nicht durch Vergällung ungenießbar gemacht wurde. Die gute Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln fügt dazu bei, dass Bioethanol in bestimmtem Maße in Benzin beigemischt wird. Benzin mit E10 oder E85 sind Beispiele für solche Gemische; „E“ steht für Ethanol und die Zahlen veranschaulichen den prozentualen Anteil von Ethanol im Gemisch (Beispiel: Benzin mit E10 beinhaltet 10% Ethanol-Anteil). Reines Ethanol kann aber auch als Treibstoff gebraucht werden, wenn die Motoren speziell für dessen Nutzung ethanoltauglich modifiziert werden. Bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe entstehen Treibhausgase, die zur globalen Erderwärmung massiv beitragen. Bioethanol ist ein umweltfreundlichster Kraftstoff und außerdem kein fossiler Energieträger. Somit ist eine kontinuierliche Rohstoffbasis vorhanden. Es gibt keine Probleme bei der Herstellung von Bioethanol, da er sich aus allen zucker- bzw. stärkehaltigen Rohstoffen herstellen lässt.

Hypothesen bezüglich des Alkoholgehaltes

• Jede Pflanze weist bzw. produziert einen unterschiedlichen Bioethanolgehalt (alkoholische Gärung)
• Am effizientesten sind stark zucker- und stärkehaltige Pflanzen, wie beispielsweise Zuckerrüben, Roggen, Weizen, Kartoffeln und Mais, da sie viele Kohlenhydrate enthalten, welche mit Hilfe von Enzymen und Hefepilze zu Alkohol umgesetzt werden.
• Den meisten Alkoholgehalt werden wir beim Versuch mit dem Ausgangstoff Mehl machen, gefolgt von den Kartoffeln, den Karotten und den Kiwis

Verfahren

Ethanol beziehungsweise Bioethanol kann aus verschiedenen Pflanzen und pflanzlichen Teilen hergestellt werden wie zum Beispiel aus zuckerhaltigen Pflanzen wie Zuckerrüben und Zuckerrohr, aus stärkehaltigen Pflanzen wie Getreide, Kartoffeln und Mais oder aus zellulosehaltigen Rohstoffen wie z. B. Holz. Um einen Reinheitsgehalt von über 99,95% Ethanol gewinnen zu können, müssen 4- 5 Phasen durchlaufen werden. Stärkehaltige Pflanzen müssen anfangs aufbereitet werden, bevor sie analog zur Alkoholherstellung fermentiert werden können. Sie werden zermahlen und mit Wasser und Enzymen bemengt, sodass die Stärke enzymatisch in Glucose gespalten werden kann. Zuckerhaltige Pflanzen, wie Zuckerrrohr, können diese Phase überspringen und direkt zur Fermentation geleitet werden, nachdem sie mit Wasser versetzt wurden. Mikroorganismen, meistens Hefezellen, führen die alkoholische Gärung durch und liefern eine alkoholische Maische mit einem Ethanolanteil von 12%. In den nächsten Phasen wird die Maische durch Destillation und die darauffolgende Rektifikation „bis zu einer Konzentration von 94,6%“ aufgereinigt. Den Schlussteil des Herstellungsprozessen übernimmt die Dehydratisierung, in der durch diesen Trocknungsprozess die übriggebliebenen 5% Wasser entfernt werden, sodass das Endprodukt einen Reinheitsgehalt von über 99,95% erreicht. Die Reaktionsgleichng der alkoholischen Gärung ist:

$\mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\to \ 2\ C_{2}H_{5}OH+2\ CO_{2}}$

Versuch

Durchführung

An erster Stelle wird der Dreifuß über dem Busenbrenner positioniert und das Drahtnetz übergelegt. Anschließend füllt man das Gemisch (alkoholische Getränk) mit den Siedesteinchen in den Erlenmeyerkolben, welcher dann auf das Drahtnetz gestellt wird. Danach wird auf den Stopfen das Steigrohr fixiert. Sind Dämpfe am Ende des Rohres zu erkennne, so werden diese angezündet.

Ansetzen der Lösungen

Fermentation der Lösungen

Material

• Aufgezählter Listeneintrag
• Kiwi
• Kartoffel
• Zucker
• Möhren
• Mehl
• Wasser
• Bunsenbrenner
• Pipette
• Bürette
• Gefäße
• Kolben
• Mörser
• Feuerzeug
• Rührstab
• Stabrohr
• Stativ mit Klemme
• Siedesteine
• Drahtfuß
• Erlenmeyerkolben

Beobachtung

Zündet man die Gase am Ende des Rohres an, so ist eine flackernde Flamme zu beobachten. Nach einiger Zeit wird die Flamme kleiner und erlischt kurz danach und die Flüssigkeit sprudelt stark.

Deutung

Das Gemisch ist brennbar, da sich die Dämpfe entzünden lassen. Das Ethanol verdampft zunächst, da es einen niedrigeren Siedepunkt(78°C) als Wasser hat. Ist alles Ethanol im Gemisch entwichen, verdampft das Wasser, welches nicht brennbar ist. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob das Gemisch Ethanol aufweist.