NV-rapport - Fremstilling af ethanol

Side 1

Ethanol

1.f

N a t u r v i d e n s k a b e l i g t

G r u n d f o r l ø b

9 . d e c e m b e r 2 0 1 0

STX 1.g

Fremstillingen af ethanol, herefter destillering med henblik på densitetsmåling for bestemmelse af alkoholprocent.

Opløsningerne blev lavet af flere forskellige typer kulhydrater.

Side 2

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

1

Indledning

Formål

Formålet med dette projekt var at afslutte vores naturvidenskabelige grundforløb. Emnet var op til os selv, og vi valgte i min gruppe at have om ethanol. Mest på grund af at det er et interessant emne med mange aspekter, vi kan altså inddrage flere forskellige naturvidenskabelige fag. Vi har valgt at fokusere primært på det biologiske og kemiske.

Hypoteser

Der fremstilles kun ethanol ved gæringens anerobe energiproduktion.

Jo lavere densiteten er, jo mere alkohol/ethanol er der i opløsningen.

Teori

Ethanol, eller alkohol, er en organisk forbindelse. Forbindelsen består af CH CH OH, og der altså sådan her
                                                             3  2

ud:

1

Ethanol er en farveløs væske, har en massefylde på 0,7893 g/cm^{3}, et kogepunkt på 78,4 °C og et

smeltepunkt på -114,3 °C. Væsken kendes meget fra hverdagen, som husholdningssprit eller som en bestanddel af spiritusholdige drikkevarer. Ethanol kan fremstilles på to måder. Ved tilføjelse af vand til stoffet ethen, kan der fremstilles alkohol. Den mere kendte metode er dog at nedbryde kulhydrater med gær, hvor alkohol bliver et biprodukt. Formlen for gæringen, eller alkoholfermenteringen, med

glukose/druesukker er C_{6} H_{12} O_{6} (glukose) + Energi + Gær → 2C_{2} H_{5} OH(ethanol) + 2CO_{2} (carbondioxid)+ Energi.

Glukose, energi og gær omdannes altså til ethanol, carbondioxid og energi.

Læg mærke til at der ikke indgår oxygen i denne formel. Gær kan nemlig kun spalte kulstoffer til ethanol under deres anerobe energiproduktion, altså uden ilt. Dette kaldes også gæringen. Hvis ilt indgår i processen, aerob energiproduktion, bliver der altså ikke produceret ethanol, men kun energi og carbondioxid. Dette er gærs respiration. Den mest almindelige type gær, saccharomyces cereviseae, stopper alkoholproduktionen, efter at der omdannet cirka 15 % alkohol. Dette skyldes at gær-typen godt

1

http://da.wikipedia.org/wiki/Ætanol

Side 3

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

2 nok er resistent overfor ethanol, men stofskiftet bremses af større mængder ethanol og til sidst dræber den gærcellerne.

Forsøg

Fremstilling af ethanol

Forsøgsbeskrivelse

For at kunne arbejde med dette emne, er det nødvendigt at have noget ethanol. Vi valgte derfor at fremstille ethanol, ved hjælp af gærsvampe. Forsøget blev lavet med flere forskellige typer kulhydrater, så vi kunne se forskellene på alkoholprocenten senere. Det var vigtigt at de med vandlås på var helt forseglede, så ingen ilt kom til processen.

Forløb

Rødbeden og kartoflen rives i strimler og der måles 20 gram op af hver og hældes i en kolbe sammen med

200 ml vand. Herefter tilsættes 10 gram gær. 20 gram af druesukker, almindeligt sukker og ren stivelse hældes hver i en konisk kolbe også med 200 ml vand. Der laves dog 2 kolber med almindeligt sukker.

Herefter sættes der vandlåse på de 5 af de 6 kolber, den sidste med almindeligt sukker skal ikke lukkes til.

Det er meget vigtigt det er sluttet helt tæt. Herefter skal kolberne stå et par dage til en uge, indtil de ikke ”bobler” længere.

Apparatur/materialer

Vægt, rødbede, kartoffel, druesukker, sukker, stivelse, vand, koniske kolber, gær

Resultater

6 kolber med hver deres blanding af kulhydrater og vand. Efter gæringen var der dog desværre gået mug i en af vores kolber, den med ren stivelse.

Side 4

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

3

De færdige blandinger

Destillering

Forsøgsbeskrivelse

Efter fremstillingen af alkohol er det nødvendigt at destillere blandingerne, da det ellers vil være komplet umuligt at bestemme en densitet. Ethanol fordamper ved 78,4 °C, derfor var det vigtigt at holde temperaturen på omkring 80 °C. På denne måde fordamper kun ethanolen, ikke vandet. Derudover hjælper pimpsten, så det ikke stødkoger.

Forløb

Blandingen af gæret kulhydrat og vand hældes i en rundkolbe sammen med pimpsten. Kolben sættes sammen med en svaler, som fører over til en ”opsamlings”-kolbe. Der skal også sættes et termometer ned i rundkolben, hele opstillingen skal være fuldstændigt lufttæt. Under rundkolben sættes ned i en varmekappe. Væsken begynder nu så småt at opvarmes, ved omkring 80 °C begynder alkoholen at fordampe, den stiger altså opad i gasform og kommer ind i svaleren, så køler det ned til væske igen. Dette fortsættes indtil der ikke fordamper mere.

Apparatur/materialer

Varmekappe, kolber, gummirør, svaler, termometer, klemmer, pimpsten, kulhydratblandinger.

Side 5

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

4

Opstilling

2

Resultater

Ud af destilleringen fik vi desværre kun 2 brugbare alkoholopløsninger. Blandingen med rødbede kogte over på grund af for meget carbondioxid. Blandingen med kartofler kogte desværre over til sidst, så en anelse gær kom med over i opsamlingskolben. Blandingen med sukker, som ikke var forseglet, havde vi ikke tid til, og blandingen med ren stivelse var som sagt mugnet. Men vi havde to meget fine opløsninger tilbage, den lavet ud af sukker og den lavet ud af druesukker.

2

Modificeret udgave af http://www.kendkemien.gyldendal.dk/

Side 6

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

5

Destilleret alkohol

Densitetsmåling

Forsøgsbeskrivelse

For at kunne bestemme alkoholprocenten i opløsningen, skal vi lave en densitetsmåling. Densitet er et stofs massefylde, og i et opslagsværk kan vi herefter se hvor stærk vores opløsning er. I dette tilfælde måler vi

densiteten i volumen/volumenprocent, milliliter per milliliter, og masse/volumenprocent, gram per

milliliter. Vi målte densiteten med en meget præcis vægt og et meget præcist måleglas.

Forløb

Først vejes et pyknometer, så vi kun måler opløsningens vægt bagefter. Alkoholopløsningerne hældes i pyknometeret, som derefter fyldes med demineraliseret vand. Pyknometeret gør så der er lige præcist 50 ml. Det tørres herefter af, så vi er sikre på at der ikke er mere end de 50 ml. Nu vejes den samlede vægt af pyknometeret og opløsningen sammen. Efter beregninger kan der nu slås op i opslagsværk og bestemmes densitet.

Side 7

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

6

Apparatur/materialer

Vægt, 50 ml pyknometer, ethanolopløsninger.

Resultater

Vi fik to meget fine densitetsmålinger ud af forsøget.

Type Pyknometer Pyknometer+opløsning Opløsning Densitet
Kulhydrat Vægt/gram Vægt/gram Vægt/gram Gram/ml

Sukker 30,21986 79,77620 49,55934 0,991187

Druesukker 30,00490 79,71620 49,71130 0,994226

Databehandling

Massevolumen Masseprocent Volumenprocent Massevolumenprocent

g/ml g_{alkohol} /100 g_{opløsning} ml_{alkohol} /100 ml_{opløsning} g_{alkohol} /100 ml_{opløsning}

1 (vand) 0 % 0 % 0 %

0,994226 2,15 % 2,73 % 2,14 %

0,991187 3,89 % 4,93 % 3,86 %

                                             3
De aktuelle beregninger er lavet ud fra tabellen i kilden

Vi kunne altså se at det almindelige sukker giver, efter spaltning, den højeste alkoholprocent.

Diskussion

De to kulhydrater, som det lykkedes os at få en alkoholprocent på var sukker og druesukker. Sukker, sucrose, er en disakkarid, altså den består af flere kulhydrater. Almindeligt sukker består af glukose og fructose. Som tegning, ser det altså sådan her ud:

4

Den anden som det lykkedes os med var druesukkeren, glukosen. Glukose er en monosakkarid, altså den består kun af et kulhydrat. Som tegning, ser det altså sådan her ud:

3

CRC Handbook of Chemistry and Physics 86^{th} Edition – David R. Lide

4

http://da.wikipedia.org/wiki/Sucrose

Side 8

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

7

5

I vores forsøg kunne vi se at monosakkariden glukose gav en lavere ethanolprocent end disakkariden

sucrose. Dette kan forklares ved at den kemiske opbygning af glukose er C_{6} H_{12} O_{6} og opbygningen for
sucrose er C_{12} H_{22} O_{11}. Udover at sucrose er et større molekyle, er der også flere carbon-atomer i forhold til

brint og oxygen. Dette giver mulighed for flere ethanolmolekyler. Derfor giver det klar mening at sucrosen dannede mere ethanol end glukosen.

En af de store udfordringer i forsøget var at gøre destillationen så perfekt som muligt. Bare det at holde temperaturen på de ønskede 80 °C, viste sig at være meget svært. På grund af at vi desværre ikke have rystet vores kolber nok, var der en hel del carbondioxid i blandingen, da vi begyndte destillationen. Dette ødelægger forsøget voldsomt meget, da carbondioxid får væsken til at boble op, på trods af at det ikke stødkogte. Carbondioxiden tog en hel del gær-væske med op igennem kolben, som så endte i vores destillerede ethanol. Derudover kan det være meget svært at vurdere hvornår man har ”fået alt alkoholen med sig”. Altså der kunne sagtens være rester af ethanol i vores gærblanding endnu, da det er svært at se hvornår man går fra ethanoldamp til vanddamp.

Alkohol påvirker mennesker og dyr i høj grad. Det som vi kender som en beruselse er alkohol som går ind og påvirker hjernen. Jo mere alkohol, jo værre. Alkohol i mennesker måles normaltvis i promille (‰), hvilket betyder hvor mange tusindedele af de blod består af alkohol. Normalt omtaler vi alkohol i procenter og genstande. En genstand svarer til 12 gram rent alkohol. Vi kan altså nu regne ud hvor meget af vores destillerede alkoholopløsning, der skal til en genstand. I vores skema kan vi aflæse at opløsningen lavet på druesukker indeholder 2,14 gram alkohol per 100 milliliter.

12

2,14

= 5,61. Vi skal altså indtage 561 milliliter, eller lidt over en halv liter, for at have drukket en genstand.

Vi havde desværre kun 50 milliliter, så vi kunne ikke prøve dette af i virkeligheden.

Vores opløsningen lavet på almindeligt sukker indeholder 3,86 gram alkohol per 100 milliliter.

12

3,86

= 3,11. Vi skal altså indtage 311 milliliter, eller lige omkring en almindelig dåse, for at have drukket en

genstand. I dette tilfælde havde vi desværre heller ikke mere end 50 milliter, så det kunne heller ikke prøves af i virkeligheden.

5

http://da.wikipedia.org/wiki/glukose

Side 9

9. december 2010

1.f Vejen Gymnasium og HF

Naturvidenskabeligt grundforløb

8

Fejlkilder

• En mulig mængde ilt kan være kommet til gæringen.

• Destilleringen kan godt fejle, der kan komme gær osv. i blandingen gennem stødkogning.

• Fejl i vejning, temperaturen er yderst vigtigt når man vejer med så stor nøjagtighed.

Konklusion

Forsøget var lærerigt, på trods af at vi begik mange fejl og flere forsøg gik tabt. Dette er også skyld i at den første hypotese, der fremstilles kun ethanol ved gæringens anerobe energiproduktion, ikke kan verificeres eller falsificeres. Vi nåede desværre ikke forsøget, men alle tegn tyder på at hypotesen ville blive verificeret.

Jo lavere densiteten er, jo mere alkohol/ethanol er der i opløsningen, blev derimod verificeret. Vores

opløsning lavet på sukker havde en lavere densitet og højere ethanol-indhold end opløsningen lavet på druesukker.