Betrachten wir das Ethanol-Molekül als Vertreter der Stoffklasse der Alkohole:
Links im Bild sehen wir den organischen Teil, den so genannten Alklyrest, rechts sehen wir dagegen die funktionelle Gruppe des Alkohols, die Hydroxyl-Gruppe.
Beide Teile des Moleküls bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Alkohole. Die Alkylgruppe verleiht den Alkoholen Eigenschaften der Alkane, während die OH-Gruppe den Alkoholen Eigenschaften des Wassers verleiht. Welche Gruppe einen stärkeren Einfluss hat, hängt von der Größe des Alkylrestes und von der Anzahl der OH-Gruppen ab sowie von weiteren Faktoren wie beispielsweise den Verzweigungsgrad des Moleküls und der Stellung der OH-Gruppe(n).
Um die physikalischen Eigenschaften der kurzkettigen Alkohole besser zu verstehen, vor allem die gute Wasserlöslichkeit und die hohen Siedepunkte, sollten wir und zunächst einmal mit dem Wasser-Molekül beschäftigen.
Siedetemperaturen
Alkohole haben hohe Siedetemperaturen - zumindest im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen mit gleicher Anzahl von C-Atomen:
Bedenken Sie, dass die Alkane Methan, Ethan, Propan und Butan bei Zimmertemperatur flüssig sind; die Siedetemperaturen der entsprechenden Alkohole liegen ca. 100 ºC über den Siedetemperaturen der Alkane.
Hier noch einmal eine graphische Darstellung der Siedetemperaturen der homologen Reihe der Alkanole. Ursache für das Ansteigen der Siedetemperatur mit zunehmender Anzahl von C-Atomen sind die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Alkylresten der Alkohol-Moleküle, die ja von der Kontaktfläche abhängen, mit der sich die Moleküle berühren.
Auf diesem Bild sehen wir, welchen Einfluss die Stellung der OH-Gruppe auf den Siedepunkt eines Alkohols hat; besonders gut ist das bei den drei Pentanolen erkennbar. Die Zeichnung rechts neben der Tabelle liefert die Erklärung dafür. Oben sehen wir zwei Pentan-1-ol-Moleküle, unten zwei Pentan-3-ol-Moleküle, stark schematisiert. Die Kontaktflächen - und damit die van-der-Waals-Kräfte - sind bei den länglichen Molekülen wesentlich größer als bei den eher "kugelförmigen" Molekülen. Das erklärt die niedrigen Siedetemperaturen der sekundären Alkohole Propan-2ol, Butan-2-ol und Pentan-2-ol bzw. Pentan-3-ol gegenüber den primären Alkoholen.
Die Zahl der OH-Gruppen spielt schießlich auch noch eine entscheidende Rolle bei der Siedetemperatur eines Alkohols. Je mehr OH-Gruppen, desto höher der Siedepunkt. Die Ursache hierfür sind die Wasserstoffbrückenbindungen, die zwischen den OH-Gruppen der Moleküle bestehen (roter Pfeil):
Wasserlöslichkeit von Alkoholen
Betrachten wir zunächst einen einfachen und doch recht aufschlussreichen Versuch, den ich im Buchner-Band Chemie 2000+ gesehen habe und seitdem jedes Jahr in meinem Chemie-Unterricht durchführe:
Drei Messzylinder werden mit 2 ml Wasser und 2 ml Pentan gefüllt. Dann werden in das erste Gefäß 2ml Ethanol, in das zweite Gefäß 2 ml Propanol, und in das dritte Gefäß 2 ml Butanol gegeben, so dass sich insgesamt 6 ml in jedem Messzylinder befinden. Danach wird einmal kräftig geschüttelt und das Gefäß für längere Zeit stehen gelassen. Die Abbildung zeigt das Ergebnis nach 5 Minuten.
Erklärung von V1
Im Messzylinder war ein Gemisch aus Wasser und Pentan. Ethanol vermischt sich nun vollständig mit dem Wasser und bildet zusammen mit dem Wasser die untere Phase (4 ml). Mit dem Pentan vermischt sich Ethanol zwar auch, aber nicht so gut wie mit dem Wasser; das Wasser wird vom Ethanol bevorzugt. Daher bleibt das Pentan übrig und bildet die obere Phase (2 ml).
Erklärung von V2
Im Grunde verläuft der Versuch ähnlich wie im ersten Messzylinder. Jedoch löst sich Propanol schon wesentlich besser in Pentan als Ethanol, aber Propanol ist auch noch recht gut wasserlöslich. Das Versuchsergebnis zeigt uns, dass sich Propanol ungefähr gleich gut in Pentan und in Wasser auflöst. Daher sind die beiden flüssigen Phasen ungefähr gleich stark. Die obere Phase besteht aus Pentan und ca. 1 ml Propanol, und die untere Phase aus Wasser und ca. 1 ml Propanol.
Erklärung von V3
Der Versuch verläuft ähnlich wie im zweiten Messzylinder. Aber Butanol löst sich sehr gut in Pentan, während es sich in Wasser so gut wie nicht mehr löst. Daher hat die untere wässrige Phase ein Volumen von gut 2 ml; es hat sich nur sehr wenig Butanol im Wasser aufgelöst. Die obere Phase dagegen besteht aus dem Pentan und fast dem gesamten Butanol, sie hat daher ein Volumen von knapp 4 ml.
Zusammenfassung der drei Teilversuche
Im Ethanol-Molekül hat die OH-Gruppe einen stärkeren Einfluss auf die Löslichkeit als die Ethylgruppe.
Im Propanol-Molekül ist der Einfluss der OH-Gruppe etwa so groß wie der Einfluss der Propylgruppe.
Im Butanol-Molekül überwiegt der Einfluss der Butylgruppe den der OH-Gruppe.
Zum Abschluss noch einmal eine schöne Abbildung, zu der ich wieder durch ein Schulbuch angeregt wurde, ich glaube, es war wieder Chemie 2000+ aus dem Buchner-Verlag, bin mir aber nicht mehr sicher. Je größer die Alkylgruppe, desto besser ist ein Alkohol in einem Alkan löslich, und je kleiner die Alkylgruppe, desto stärker setzen sich die hydrophilen Eigenschaften der OH-Gruppe durch; der Alkohol ist dann wasserlöslich.