V1 Überprüfung der Leitfähigkeit - Chik.die-sinis.de

Reihe „Alles Plastik? – Kleidung aus Kunststoffen“
Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Einführung
Bei diesem Stationenlernen erarbeiten Sie sich den Mechanismus der nucleophilen Substitution.
Dazu sind zwei Praxisstationen und mehrere Theoriestationen vorhanden.
Neben den Stationen mit ihren spezifischen Aufgaben gibt es ein Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“,
dass Sie nach und nach bearbeiten können, allerdings sind beide Praxisstationen unbedingt
vorher zu erledigen.
Sie können mit den Praxisstationen beginnen, dann das Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“
soweit wie möglich bearbeiten und sich an den Theoriestationen weitere Hilfen holen, alternativ
können Sie aber auch mit den Theoriestationen beginnen und erst am Ende die Praxisstationen
bearbeiten um das Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“ als Letztes zur Selbstkontrolle zu bearbeiten.
In jedem Fall muss die Theoriestation 1 die erste bearbeitete Theoriestation sein!
Stationen
• Praxisstation 1: Alkohole aus Halogenalkanen
• Praxisstation 2: Alkohole aus Halogenalkanen
• Theoriestation 1: Die nucleophile Substitution
• Theoriestation 2: Wie wird eine S N -Reaktion beeinflusst?
• Theoriestation 3: Übungen mit Modellen
• Theoriestation 4: Übungen zu verschiedenen Nucleophilen
Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“
Lösung zum Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“

Reihe „Alles Plastik? – Kleidung aus Kunststoffen“
Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Praxisstation 1: Alkohole aus Halogenalkanen
Bitte lesen Sie sich die Versuchsanleitung vor Beginn des Versuches vollständig durch!
Beachten Sie die R- und S-Sätze!
Versuchsanleitung
Geräte
RG mit passendem durchbohrtem Stopfen und Glasrohr 10-20 cm (ersatzweise
wenn vorhanden aus HMT-Kasten HMT-Rückflussapparatur aufbauen)
Siedesteinchen
Becherglas (als Wasserbad)
Dreibein, Brenner, ggf. Stativmaterial (zum Klammern der Rückflussapparatur)
Indikatorpapier
Chemikalien 2-Brombutan R: 10 – 52/53 S: 24
2-Brom-2-
F R: 11 S: -
methylpropan
2-Chlor-2-
methylpropan
F R: 11 S: 9-16-29
Kaliumhydroxid in
Ethanol (c=2 mol·L -1 )
C
F
R: 22-35
R: 11
S: 1/2-26-36/37/39-45
S: 2-7-16
Silbernitrat-Lösung Xi R: 34-50/53 S: ½-26-45-60-61
Salpetersäure c = 2 C R: 35 S: 23-26-36/37/39
mol·L -1
Durchführung
1. Man versetzt in dem RG 1 mL eines der Halogenalkane mit 6 mL der
ethanolischen Kaliumhyroxidlösung.
2. Es werdend zwei Siedesteinchen hinzu gegeben und das RG mit dem
durchbohrten Stopfen mit dem eingesetzten Glasrohr verschlossen.
3. Das Reaktionsgemisch wird im Wasserbad (ca. 70°C) ca. 8 Minuten
zum schwachen Sieden erhitzt, dann wird das Gemisch unter fließendem
Wasser abgekühlt.
4. Die Phasen werden durch Dekantieren (wenn nicht möglich durch
Filtrieren) getrennt, die feste Phase wird in 5 mL Wasser übernommen.
5. Mit Salpetersäure wird bis auf einen schwach sauren pH-Wert vorsichtig
angesäuert (tropfenweise Zugabe, exotherme Reaktion, ggf.
zwischenkühlen!), die Lösung wird mit einigen Tropfen Silbernitratlösung
versetzt.
6. Der Versuch wird mit den anderen Halogenalkanen wiederholt.

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Entsorgung
Silbersalzhaltige Lösung: schwermetallsalzhaltige Lösungen
dekantierte Phase: organische Lösemittel
Siedesteinchen in Feststoffabfall
Aufgaben
1. Notieren Sie die Beobachtungen zu den einzelnen Schritten sorgfältig!
2. Was weisen Sie mit dem Silbernitrat nach? Beachten Sie die Farbe des Niederschlags!
3. Warum ist Kaliumbromid in Wasser sehr gut, in ethanolischer Kalilauge hingegen nur
schlecht löslich?
Führen Sie, bevor Sie das Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“ bearbeiten, zunächst
die Versuche der anderen Praxisstation durch!

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Praxisstation 2: Alkohole aus Halogenalkanen
Bitte lesen Sie sich die Versuchsanleitung vor Beginn des Versuches vollständig durch!
Beachten Sie die R- und S-Sätze!
Versuchsanleitung
Geräte
großes RG mit passendem Stopfen
RG
Indikatorpapier, Glasstab
Chemikalien 2-Brombutan R: 10 – 52/53 S: 24
2-Brom-2-
F R: 11 S: -
methylpropan
2-Chlor-2-
F R: 11 S: 9-16-29
methylpropan
Silbernitrat-Lösung Xi R: 34-50/53 S: ½-26-45-60-61
Durchführung
1. 1 mL eines der Halogenalkane wird in das große RG geben, der pH-
Wert wird mit Indikatorpapier überprüft, indem mit dem Glasstab ein
Tropfen auf das Papier gegeben wird.
2. Das Halogenalkan wird mit 15 mL Wasser versetzt, das RG mit dem
Stopfen verschlossen und kräftig geschüttelt.
3. Durch Lockern des Stopfens wird kurz gelüftet und erneut geschüttelt,
dies wird mehrmals wiederholt.
4. Mit dem Indikatorpapier wird der pH-Wert der Lösung überprüft.
5. Im kleinen RG wird etwas Lösung mit einigen Tropfen Silbernitratlösung
versetzt.
6. Der Versuch wird mit den anderen Alkanen wiederholt.
Entsorgung
Silbersalzhaltige Lösung: schwermetallsalzhaltige Lösungen
Reaktionsgemisch: organische Lösemittel
Aufgaben
1. Notieren Sie die Beobachtungen zu den einzelnen Schritten sorgfältig!
2. Was weisen Sie mit dem Silbernitrat nach? Beachten Sie die Farbe des Niederschlags!
Führen Sie, bevor Sie das Arbeitsblatt „Auswertung der Versuche“ bearbeiten, zunächst
die Versuche der anderen Praxisstation durch!

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Theoriestation 1: Die nucleophile Substitution
EN: Elektronegativität
Sind zwei Atome über eine Elektronenpaarbindung miteinander verknüpft, so kann es sein, dass
ein Atom das bindende Elektronenpaar stärker anzieht als das andere. Diese Fähigkeit, bindende
Elektronenpaare in einer Bindung anzuziehen, heißt Elektronegativität (Abkürzung: EN). Je höher
der EN-Wert eines Elementes ist, desto stärker kann ein Atom dieses Elementes bindende Elektronenpaare
anziehen.
Arbeitsauftrag
Suchen Sie in einem Periodensystem die EN-Werte für Chlor, Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff
heraus.
Partielle Ladung
Im Gegensatz zu Ionen, die echte Ladungen tragen, können innerhalb von Molekülen partielle Ladungen
auftreten (Teilladungen). Sie können entstehen, wenn die Elektronen des bindenden Elektronenpaares
mehr zu einem Atom hingezogen werden. Das Atom, zu dem die Elektronen mehr
hingezogen werden, ist dann partiell negativ (δ-), das Atom, von dem die Elektronen abgezogen
wurden, ist partiell positiv (δ+).
Arbeitsauftrag
Zeichnen Sie in der Lewis-Schreibweise ein Chlorethan-Molekül und zeichnen Sie dort die entspre-
chenden Partialladungen ein.
Nucleophilie
Von nucleus (lat.) – Kern; und philein (gr.) - lieben. Da sich im Kern die Protonen befinden, ist
dieser positiv geladen.
Teilchen, die entweder negativ geladen sind oder ein freies Elektronenpaar tragen, werden von
positiven – oder von partiell positiven Atomen – in einem Molekül angezogen. Sie sind nucleophil.
Substitution
Von substituere (lat.) - ersetzen. Wird in einem Molekül ein Atom oder eine Atomgruppe durch ein
anderes Atom oder Atomgruppe ersetzt, so nennt man dies eine Substitution.
Arbeitsauftrag
Formulieren Sie die Substitution des Chlor-Atoms im Chlorethan-Molekül durch
a) ein Bromatom
b) durch eine Hydroxy-Gruppe.
Zeichnen Sie die Lewisformeln aller Moleküle und benennen Sie diese.

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Reaktionsmechanismus
Ein Reaktionsmechanismus beschreibt, was während einer chemischen Reaktion geschieht und wie
die einzelnen Reaktionspartner miteinander reagieren.
Vervollständigen Sie folgenden Text:
Reaktionsmechanismus der Substitution
Im Chlorethan trägt das Kohlenstoffatom, an dem das Chloratom gebunden ist, eine
______________. Ursache hierfür ist die ________________-Differenz. Das ___________ geladene
Hydroxid -Ion wird von dem _______________ positivierten ______________ -Atom angezogen.
Es wird eine neue Elektronenpaarbindung zwischen ____________ und __________ gebildet.
Die Elektronenpaarbindung zwischen ___________ und ___________ wird dabei gelöst. Es entsteht
ein neues Ion, ein __________-Ion.
Erhitzt man eine Mischung aus Chlorethan und Kalilauge, so findet eine Substitution statt. Es entsteht
________________ . Mit Silbernitrat kann man in der Lösung __________ -Ionen nachweisen.
Beim Chlorethan wurde ein _____________- Atom durch eine _____________-Gruppe
________________.
Reaktionsgleichung:
(Bitte aufstellen!)
Merksatz
Diesen Reaktionsmechanismus nennt man „nucleophile Substitution“, da die hier stattfindende
Substitution durch ein nucleophiles Teilchen ausgelöst wird.
Arbeitsauftrag
1. Nennen Sie das bei der hier beschriebenen Reaktion beteiligte nucleophile Teilchen.
2. Erklären Sie den Mechanismus der nucleophilen Substitution Ihrem Nachbarn möglichst genau
in eigenen Worten.

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Theoriestation 2: Wie wird eine S N -Reaktion beeinflusst?
Die Position des Halogen-Atoms im Molekül
Das Halogen-Atom kann an ein primäres, sekundäres oder tertiäres Kohlenstoff-Atom geknüpft
sein.
Arbeitsauftrag
Zeichnen Sie die folgenden Moleküle in der Lewis-Schreibweise und machen Sie sich hieran die
Unterschiede zwischen primärem, sekundärem und tertiärem Kohlenstoff-Atom klar:
a) Brommethan
b) Bromethan
c) 2-Brompropan
d) 2-Brom-2-methylpropan
Die Position des Halogenatoms kann verschiedene Auswirkungen haben:
In der Regel erfolgt die Substitution des Halogenatoms an einem tertiären Kohlenstoff-Atom deutlich
schneller als an einem primären oder sekundären Kohlenstoff-Atom.
Die zwei Mechanismen der nucleophilen Substitution
Auch mit Wasser kann eine Substitution des Brom-Atoms durch eine Alkoholgruppe erfolgen, denn
Wasser kann durch seine Polarität als nucleophiles Teilchen angreifen. Diesen Vorgang nennt man
Hydrolyse („Spaltung durch Wasser“).
Verbindung a) und d) sind leicht hydrolysierbar, Verbindung b) und c) dagegen deutlich schlechter.
Es stellt sich die Frage, wieso dies so ist.
Dazu muss als erstes erklärt werden, dass es zwei verschiedene Reaktionsmechanismen der
nucleophilen Substitution gibt:
1) Zeitversetzt: Im ersten Schritt verlässt ein Halogenid-Ion als Abgangsgruppe das Molekül.
Übrig bleibt ein Kation, bei dem das zentrale Kohlenstoff-Atom die positive Ladung trägt. Es
entsteht also ein Carbokation als Zwischenstufe. Im zweiten Schritt greift ein Nucleophil an
und bildet eine neue Bindung zum Kohlenstoff-Atom aus. Dies wird S N 1 Mechanismus
genannt. (Der erste Schritt ist unabhängig von der Anwesenheit des Nucleophils, für die
Reaktionsgeschwindigkeit ist ausschließlich die Konzentration des Eduktes verantwortlich.)
2) Zeitgleich: Das Nucleophil nähert sich dem Halogenalkan und gleichzeitig lockert sich die
Bindung zum Halogen-Atom. Es gibt einen Übergangszustand, in dem sowohl das Nucleophil
als auch die Abgangsgruppe mit dem zentralen Kohlenstoff-Atom in Wechselwirkung
stehen. Dann verlässt die Abgangsgruppe das Molekül und die neue Bindung zum Nukleophil
wird fest geknüpft. Dieser Ablauf wird S N 2 Mechanismus genannt. (Hierbei spielen
beide Moleküle, das Edukt und das Nucleophil, eine wichtige Rolle. Für die Reaktionsgeschwindigkeit
sind die Konzentrationen von Edukt und Nucleophil verantwortlich.)

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Arbeitsauftrag
o Wenn Sie die Theoriestation 3 schon bearbeitet haben: Stellen Sie sich die beiden Mechanismen
noch einmal im Knetmodell vor – oder holen Sie sich noch einmal die Knete und
wiederholen Sie den Vorgang.
o Wenn Sie die Theoriestation 3 noch nicht bearbeitet haben: Gehen Sie im Anschluss an diese
Station die beiden Mechanismen mit Hilfe de r Theoriestation 3 noch einmal Schritt für
Schritt durch.
S N 1 oder S N 2 ? Faktoren, die dies beeinflussen
Es ist nicht für jede Reaktion bekannt, nach welchem der beiden Mechanismen der nucleophilen
Substitution die Reaktion abläuft. Auch durch die Wahl bestimmter Reaktionsbedingungen kann
der ablaufende Mechanismus beeinflusst werden. Zwei Faktoren, die in der Struktur des Eduktes
leigen, sollen hier näher beschrieben werden:
1) Sterische Effekte: Je raumgreifender die Substituenten am Kohlenstoff-Atom sind (z.B.
Methyl-Gruppen um das zentrale Kohlenstoff-Atom) , umso schlechter kann ein Nucleophil
an das Kohlenstoffatom heranreichen. Sperriger Reste (und raumgreifende Nucleophile)
begünstigen also eine Reaktion nach dem S N 1 Mechanismus.
2) Induktive Effekte: Substituenten am Kohlenstoffatom können nicht nur Bindungselektronen
ziehend sein (vgl. Theoriestation 1). Befindet sich in der Nachbarschaft eines positivierten
Kohlenstoff-Atoms eine Alkylgruppe (z.B. Methyl), so wird auch die Elektronenpaarbindung
zwischen Kohlenstoffatom und Kohlenstoffatom leicht poarisiert und zwar in der Art,
dass der Elektronenmangel am positivierten Kohlenstoff-Atom leicht behoben wird. Man
kann also sagen, dass Alkylgruppen bezogen auf das positivierte Kohenstoff-Atom elektronenlierfernd
wirken. Diesen Effekt nennt man +I-Effekt. Wenn sich im S N 1 Mechanismus
nun ein Karbokation bildet, wird dies durch elektronenliefernde Gruppen stabilisiert.
Weiteren Einfluss auf den ablaufenden Mechanismus hat:
- die Leichtigkeit, mit der eine Abgangsgruppe das Molekül verlassen kann
- die Beschaffenheit des Nucleophils, das angreift
- der Einfluss des Lösemittels auf die Reaktion und die Stabilisierung möglicher Zwischenstufen
oder Übergangszuständen.
Arbeitsauftrag:
Formulieren Sie Hypothesen, nach welchem Mechanismus die Hydrolyse der Edukte a) bis d) ab-
laufen könnte und begründen Sie ihre Entscheidung mit Hilfe der beiden oben beschriebenen Effekte.
Literatur:
Tausch; von Wachtendonk: Chemie 2000+ Band 2
Sykes, Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie, 9. Auflage

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Theoriestation 3: Übungen mit Modellen
Mit Hilfe des Kugelstabmodells und der Knete soll die Reaktion von Chlormethan zu Methanol in
allen Einzelheiten untersucht werden.
Materialien:
- Kugelstabmodell
- Knete und Zahnstocher
Arbeitsauftrag
1. Bauen Sie mit Hilfe des Kugelstabmodells ein Modell für das Chlormethan-Molekül und
überlegen Sie sich genau , wie die Substitution in allen Einzelheiten und Zwischenschritten
stattfinden könnte. Schreiben Sie ihre Überlegungen genau au f.
2. Bauen Sie mit Hilfe von Knete und Zahnstochern ein Modell für das Chlormethan-Molekül
und überlegen Sie sich genau, wie die Substitution in allen Einzelheiten stattfinden könnte.
Beim Knetmodell können die Bindungen flexibler am Zentralatom angesetzt und auch noch
verändert werden. Welche weiteren Möglichkeiten ergeben sich dadurch für den Reaktionsverlauf?
Notieren Sie sich ihre Überlegungen genau.

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Theoriestation 4: Übungen zu verschiedenen Nucleophilen
In der Tabelle sind verschiedene Nucleophile aufgeführt. Alle Nucleophile können mit Halogenalkanen
nach folgendem Schema reagieren:
Y - + R-X ® R-Y + X - .
Arbeitsauftrag
1. Ergänzen Sie die Tabelle
Y - Nucleophil R-Y Produkt
OH -
R´O -
Alkoholat-Ion
R´OO -
Ester
R-SH
Thiol
NH2 -
Amid-Ion
Nitrit-Ion
Nitroalkan
R-CN
Nitril
Acetylid-Ion
Alkin
2. Es sollen folgende Produkte hergestellt werden:
a) 1-Nitropropan
b) 2-Nitropropan
c) Propybutylether
d) Butansäureethylester
r
Aus welchen Ausgangsprodukten können die gewünschten P odukte hergestellt werden.?
Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Reaktionen!

Reihe „Alles Plastik? – Kleidung aus Kunststoffen“
Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
AB Auswertung der Versuche

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Stationenlernen zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Ergebnisüberprüfung zu den Theoriestationen
Theoriestation 1
Elementsymbol H C O Cl
EN-Wert 2,1 2,5 3,5 3,0
Lösungshilfe Lückentext: folgende Wörter werden für die Lücken benötigt:
Chlor – Chlor – Chlorid – Chlorid – Elektronegativitäts – Ethanol – Hydroxy – Kohlenstoff - Kohlenstoff
– Kohlenstoff – negativ – partiell – positive Partialladung – Sauerstoff – substituiert
Lösung Lückentext: Reaktionsmechanismus der Substitution
Im Chlorethan trägt das Kohlenstoffatom, an dem das Chloratom gebunden ist, eine positive Partialladung.
Ursache hierfür ist die Elektronegativitäts-Differenz. Das negativ geladene Hydroxid -Ion
wird von dem partiell positivierten Kohlenstoff -Atom angezogen. Es wird eine neue Elektronenpaarbindung
zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff gebildet. Die Elektronenpaarbindung zwischen
Kohlenstoff und Chlor wird dabei gelöst. Es entsteht ein neues Ion, ein Chlorid-Ion.
Erhitzt man eine Mischung aus Chlorethan und Kalilauge, so findet eine Substitution statt. Es entsteht
Ethanol. Mit Silbernitrat kann man in der Lösung Chlorid -Ionen nachweisen. Beim Chlorethan
wurde ein Chlor- Atom durch eine Hydroxy - Gruppe substituiert.
Reaktionsgleichung: