Fette – Eigenschaften (Vertiefungswissen)

Fette – Eigenschaften (Vertiefungswissen) Übung

• Bestimme physikalische und chemische Eigenschaften der Fette.

  Tipps

  Beim Zubereiten von Salat schwimmt das Öl immer über der wässrigen Phase.

  Physikalische Eigenschaften sind eine Stoffcharakteristik. Sie bilden den Steckbrief einer Substanz.

  Lösung

  Physikalische Eigenschaften beschreiben den Steckbrief eines Stoffes. Dieser umfasst z.B. Farbe, Geruch, Geschmack, Schmelzpunkt, Siedepunkt und Löslichkeit.

  • Da alle Fette Stoffgemische sind, da sie sich aus den unterschiedlichsten Einzelbausteinen zusammensetzen, schmelzen sie nicht an einem festen Punkt, sondern in einem gewissen Bereich (T < 50 °C).
  • Viele Fette sind entweder flüssig oder sehr weich.
  • Fette sind unpolare Substanzen, die sich deswegen sehr gut in Ether, Tetrachlorkohlenstoff, Benzol oder Alkanen lösen. In Wasser hingegen bilden sie unter Zusatz von Emulgatoren eine Emulsion.

  Chemische Eigenschaften beschreiben die Reaktivität bzw. das charakteristische Reaktionsvermögen einer Verbindung. Dazu zählen vor allem: Brennbarkeit, Zersetzbarkeit und Umwandlungsfähigkeit.

  • Fette sind sehr leicht brennbar. Da sie leichter als Wasser sind, darf ein Fettbrand niemals mit Wasser gelöscht werden, sondern der Brand muss erstickt werden.
  • Fette gehen viele Reaktionen ein, dazu zählt die Hydrierung von ungesättigten zu gesättigten Fettsäuren, die Hydrolyse zu Glycerin und Fettsäuren oder die Umesterung.

• Erläutere die Methoden zur Fetthärtung.

  Tipps

  Durch die Fetthärtung wird Margarine gewonnen.

  Die Hydrierung von Ethen führt zur Bildung von Ethan.

  Lösung

  Fetthärtung ist eine wichtige Methode zur Bildung von Margarine. Es gibt prinzipiell zwei Methoden: die Umesterung und die Hydrierung. Beide Varianten führen zu einer Erhöhung des Schmelzbereiches.

  Jedes Fett hat unterschiedliche Schmelzbereiche in Abhängigkeit von der Kettenlänge der Fettsäuren. Mit steigender Kettenlänge und abnehmender Zahl an Doppelbindungen steigt der Schmelzbereich. Umso höher die Anzahl der Doppelbindungen wird, desto geringer wird der Schmelzbereich. Deswegen sind viele Fette mit hoher Anzahl an Doppelbindung flüssig (Öle).

  • Die Hydrierung dient zur Fetthärtung von ungesättigten Substanzen, indem die Anzahl der Doppelbindungen vermindert wird. Durch die Anlagerung von Wasserstoff an die Doppelbindungen werden sie in Einfachbindungen überführt. Dadurch steigt der Schmelzbereich und das Fett nimmt einen festen Aggregatzustand an.

  • Die Umesterung dient zur Fetthärtung von gesättigten Verbindungen. Wenn an der C-1- und der C-3-Position des Glycerins sehr lange Fettsäuren mit Alkylresten um 12 bis 22 C-Atomen sitzen und in der Mitte eine sehr kurze Alkansäure mit 3 bis 12 C-Atomen, so führt dies ebenfalls zu einer Härtung. Solche Produkte könen durch die Umesterung an der C-1- und der C-2-Position erhalten werden. Dabei werden nur die Esterreste am Glycerin vertauscht.

• Bestimme die Produkte der Fetthydrolyse.

  Tipps

  Buttersäure hat die Summenformel $C_4H_8O_2$.

  Buttersäure

  Lösung

  Bei dieser Hydrolyse zerfällt das Fett in seine Bestandteile. Die Bestandteile sind Glycerin und die Fettsäuren. Diese können über verschiedene Analysemethoden (Massenspektrometrie, NMR, Gaschromatograpie) bestimmt werden. Im Beispiel handelt es sich um drei verschiedene Säuren, nämlich Butansäure (Buttersäure), Propansäure und Heptansäure. Mechanistisch betrachtet greift das Wasser mit seinem nucleophilen Sauerstoffatom an den Keto-Gruppen an. Dabei spaltet sich die Esterbindung ab und es kommt zur Bildung von Alkohol (Glycerin ist ein dreiwertiger Alkohol) und zur Bildung von Säure (Fettsäuren).

  Das Glycerin kann bei weiterem Erwärmen nochmals Wasser abspalten, wobei es zur Bildung eines giftigen Aldehyds, dem Acrolein, kommt.

  • $CH_2=CH-C(=O)-H$

  Die Fettsäuren bilden miteinander gemischt Anhydride, wie z.B. aus Propansäure und Butansäure oder Propansäure und Heptansäure:

  • $CH_3-CH_2-C(=O)-O-C(=O)-CH_2-CH_2-CH_3$
  • $CH_3-CH_2-C(=O)-O-C(=O)-{(CH_2)}_5-CH_3$.

• Erkläre den Zusammenhang zwischen der Struktur und den physikalischen Eigenschaften der Fette.

  Tipps

  Fette und Wasser bilden zwei Phasen.

  Eine Fetthärtung erfolgt z.B. durch eine Hydrierung ($H_2$/Kat).

  Lösung

  Die physikalischen Eigenschaften der Fette hängen eng mit der Struktur zusammen.

  • Fette haben einen Schmelzbereich und keinen Schmelzpunkt, da sie ein Stoffgemisch aus verschiedenen Fettsäuren (z.B. Stearinsäure, Palmitinsäure, etc.) sind. Jedes Fett hat damit unterschiedliche Schmelzpunkte in Abhängigkeit von der Kettenlänge der Fettsäuren. Mit steigender Kettenlänge und abnehmender Zahl an Doppelbindungen steigt der Schmelzbereich. Trotzdem liegen die Schmelzbereiche in der Regel unterhalb von 50°C. Je höher die Anzahl der Doppelbindungen wird, desto geringer wird der Schmelzbereich, deswegen sind viele Fette mit hoher Anzahl an Doppelbindung flüssig (Öle).

  • Fette sind gut löslich in unpolaren Lösungsmitteln. Fette setzen sich aus Glycerin, einem dreiwertigen Alkohol, und den Fettsäuren zusammen. Zur Bildung von Fetten werden drei Fettsäuren mit dem Glycerin verestert. Durch die langen Alkylreste der Fettsäuren (12 bis 22 Kohlenstoffatome) ist die Verbindung unpolar. Dies ist zu vergleichen mit den Alkanen. Durch das Fehlen von stark elektronenziehenden Gruppen wird der Alkylrest nicht polarisiert und bleibt unpolar. Nur die drei Esterfunktionalitäten sind polar, da diese allerdings von den unpolaren Molekülenden umschlossen werden, ist das Fett nach außen unpolar.

  • Fette bilden mit Emulgatoren Emulsionen in polaren Lösungsmitteln. Ein Emulgator ist ein Molekül, welches aus einer polaren Gruppe und einer langen unpolaren Seitenkette besteht, dazu gehören z.B. Seifen. Diese Emulgatoren sind in der Lage, Micellen zu bilden (siehe Abbildung: schwarz → hydrophob, rot → hydrophil). Dabei wird das unpolare Fettmolekül von den hydrophoben Seitenketten des Emulgators umschlossen und die hydrophilen „Köpfe“ zeigen in das polare Lösungsmittel hinein. Dadurch scheint es, als wäre das Fett in Wasser löslich. Diesen Effekt nutzt du täglich beim Geschirrspülen oder Waschen mit Seife.

• Nenne Maßnahmen gegen den Fettverderb.

  Tipps

  Vitamin E ist ein Antioxidant.

  Öle werden häufig nicht in hellen Flaschen aufbewahrt, sondern in Braunglas.

  Lösung

  Fettverderb ist der Überbegriff für alle Veränderungen der Fette und deren Eigenschaften. Es wird auch „Ranzigwerden“ der Fette genannt. Grundsätzlich sind zwei chemische Reaktionen, die zu Änderungen führen, zu unterscheiden:

  1. Durch die Hydrolyse wird das Fett in seine Grundbausteine Glycerin und die Fettsäuren zerlegt. Die Fettsäuren bilden untereinander in einer Kondensationsreaktion gemischte Anhydride. Das entstandene Glycerin reagiert unter Wasserabspaltung zum giftigen Acrolein.
  2. Bei der Fettsäureperoxidation findet eine Reaktion mit Sauerstoff zu einem Hydroperoxid statt, welches sich rasch in die übelriechenden, giftigen Aldehyde und Ketone umwandelt.

  Gegenmaßnahmen bilden: Antioxidantien (Vitamin E), Lichtausschluss, luftdichte Verpackung und niedrige Temperaturen.

• Ergänze folgende Reaktionsgleichungen zur Verbrennung von Fetten.

  Tipps

  Die Stoffmengenanzahl an $CO_2$ entspricht der Anzahl der Kohlenstoffatome.

  Die Stoffmengenanzahl an $H_2O$ entspricht der halben Anzahl der Wasserstoffatome.

  Über die Menge an $CO_2$ und $H_2O$ kannst du die Stöchiometriezahl vom Sauerstoff berechnen.

  Lösung

  Bei der vollständigen Verbrennung von Fetten werden Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) und Wasser ($H_2O$) frei. Bei einer unvollständigen Verbrennung enstehen Kohlenstoffmonoxid ($CO$) und Wasserstoff ($H_2$).

  Wenn zum Beispiel bei einer Reaktion 90 mol $CO$ und 74 mol $H_2$ frei werden, handelt es sich zunächst um eine unvollständige Verbrennung. In der Aufgabe war zusätzlich gegeben, dass bei der Reaktion 2 mol Fettmolekül beteiligt sind und 39 mol Sauerstoff entstehen.

  • Zunächst kann die Anzahl der Wasserstoffatome bestimmt werden, denn diese entspricht der Stoffmengenanzahl an gebildetem Wasserstoff: H → 74
  • Wenn aus zwei Fettmolekülen 90 mol $CO$ entstehen, so beträgt die Anzahl der Kohlenstoffatome genau die Hälfte: C → 45
  • Damit beträgt die Anzahl der Sauerstoffatome nach der Reaktion 90. Vor der Reaktion mussten es ebenfalls 90 sein. Da Sauerstoff bimolekular ist, stehen die 39 mol Sauerstoff für 78 Sauerstoffatome. Zur Zahl 90 fehlen jetzt nur noch 12 Sauerstoffatome. Die Hälfte dieser Anzahl gibt die Anzahl der Sauerstoffatome im Fettmolekül an: O → 6.