Alkohole und Ether

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Worum es geht

Alkohole und Ether sind zwei Stoffklassen, die aus denselben Bausteinen bestehen – Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff – und trotzdem völlig gegensätzliches Verhalten zeigen. Ethanol ist bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit, die sich unbegrenzt mit Wasser mischt; sein Isomer Dimethylether ist ein Gas, das man unter Druck in Spraydosen füllt. Beide haben die Summenformel $\ce{C2H6O}$. Der Unterschied liegt allein in der Struktur: Beim Alkohol hängt der Sauerstoff als Hydroxylgruppe $\ce{-OH}$ an einem Kohlenstoff, beim Ether sitzt er als Brücke zwischen zwei Kohlenstoffatomen.

Kernidee: Die funktionelle Gruppe bestimmt die Eigenschaften. Alkohole besitzen mit $\ce{O-H}$ sowohl Wasserstoffbrücken-Donoren als auch Akzeptoren – deshalb hohe Siedepunkte und gute Wasserlöslichkeit. Ether besitzen zwar Akzeptoratome (das freie Elektronenpaar am Sauerstoff), aber keinen $\ce{O-H}$-Wasserstoff – sie bilden untereinander keine Wasserstoffbrücken und sind daher viel leichter flüchtig und reaktionsträger. Die Summenformel allein sagt nichts über die Eigenschaften aus; entscheidend ist, wie die Atome verknüpft sind (Konstitution).

Leitfrage: Warum siedet Ethanol bei 78 °C, obwohl es exakt dieselbe Summenformel besitzt wie Dimethylether, das schon bei −24 °C verdampft?

Vorwissen und Einstieg

Bevor Sie starten, prüfen Sie kurz, was Sie schon mitbringen. Denken Sie zuerst selbst nach und klappen Sie erst dann die Antworten auf.

Was ist eine funktionelle Gruppe und warum sortiert man in der organischen Chemie Verbindungen nach solchen Gruppen in Stoffklassen?
Wie entsteht eine Wasserstoffbrückenbindung? Welche Voraussetzungen müssen Atome und Bindungen dafür erfüllen?
Was besagt der Begriff Konstitutionsisomerie? Nennen Sie ein Beispiel aus der Welt der Kohlenwasserstoffe.

Antworten zum Vorwissen

Eine funktionelle Gruppe ist ein charakteristisches Atomverband (z. B. $\ce{-OH}$, $\ce{C=O}$, $\ce{-COOH}$), das das Reaktionsverhalten einer Verbindung bestimmt. Stoffklassen fassen Verbindungen mit derselben funktionellen Gruppe zusammen, weil sie sich ähnlich verhalten und ähnlich reagieren.
Ein stark polarer H-Atom-Donor ($\ce{O-H}$, $\ce{N-H}$ oder $\ce{F-H}$) tritt mit einem freien Elektronenpaar eines elektronegativen Partners (O, N, F) in Wechselwirkung. Bindungsenthalpie ca. 8–40 kJ/mol – deutlich schwächer als eine Atombindung, aber stark genug, um Siedepunkte massiv anzuheben.
Konstitutionsisomere haben dieselbe Summenformel, aber unterschiedliche Verknüpfung der Atome. Beispiel: n-Butan und Isobutan ($\ce{C4H10}$) oder Ethanol und Dimethylether ($\ce{C2H6O}$).

Wenn Ihnen diese Fragen leichtfallen, starten Sie direkt mit den Lernzielen. Wenn nicht, wiederholen Sie zunächst die Seiten Kohlenwasserstoffe und Funktionelle Gruppen in der Organik.

Lernziele

Nach dieser Lerneinheit können Sie:

Alkohole und Ether anhand ihrer Strukturformeln unterscheiden und mit der IUPAC-Nomenklatur benennen
die Stellung der Hydroxylgruppe bestimmen und Alkohole als primär, sekundär oder tertiär zuordnen
Siedepunkte und Löslichkeit von Alkoholen und Ethern mit Wasserstoffbrückenbindungen begründen
Reaktionsgleichungen für Herstellung und Umsetzung von Alkoholen und Ethern (Fermentation, Hydratisierung, Oxidation, Williamson-Synthese) formulieren
die unterschiedlichen Eigenschaften von Konstitutionsisomeren wie Ethanol und Dimethylether analysieren und die Stoffwahl für Anwendungen beurteilen

Alkohole: Aufbau und Nomenklatur

Alkohole sind organische Verbindungen, in denen eine oder mehrere Hydroxylgruppen ($\ce{-OH}$) an ein gesättigtes Kohlenstoffatom gebunden sind. Die allgemeine Formel der einwertigen Alkohole lautet:

$$ \ce{R-OH} $$

wobei $R$ ein Alkylrest ist. Die einwertigen Alkohole bilden eine homologe Reihe mit der Summenformel $\ce{C_{n}H_{2n+1}OH}$.

Klassifizierung von Alkoholen

Nach Anzahl der Hydroxylgruppen:
- Einwertige Alkohole: enthalten eine $\ce{-OH}$-Gruppe (z. B. Methanol $\ce{CH3OH}$, Ethanol $\ce{C2H5OH}$).
- Mehrwertige Alkohole: enthalten mehrere $\ce{-OH}$-Gruppen, die jeweils an verschiedene Kohlenstoffatome gebunden sind (z. B. Ethandiol $\ce{HO-CH2-CH2-OH}$, Glycerin (Propan-1,2,3-triol) $\ce{C3H5(OH)3}$).
Nach Stellung der $\ce{-OH}$-Gruppe:
- Primäre Alkohole: die $\ce{-OH}$-Gruppe sitzt an einem Kohlenstoffatom mit höchstens einem C-Nachbarn (z. B. Ethanol, Butan-1-ol).
- Sekundäre Alkohole: das $\ce{OH}$-tragende C-Atom hat zwei C-Nachbarn (z. B. Propan-2-ol, Isopropanol).
- Tertiäre Alkohole: das $\ce{OH}$-tragende C-Atom hat drei C-Nachbarn (z. B. 2-Methylpropan-2-ol, tert-Butanol).

Benennung nach IUPAC

Der Stammname des Alkans erhält die Endung -anol; die Position der Hydroxylgruppe wird durch eine tiefgestellte Zahl angegeben, wobei sie die niedrigstmögliche Nummer erhält:

$\ce{CH3OH}$: Methanol
$\ce{CH3CH2OH}$: Ethanol
$\ce{CH3CH(OH)CH3}$: Propan-2-ol (nicht Propan-1-ol – zählen Sie vom Kettenende her, das der OH-Gruppe näher liegt)
$\ce{(CH3)3COH}$: 2-Methylpropan-2-ol (tert-Butanol)

Achtung – häufige Fehlvorstellungen: (1) „Alkohol ist Ethanol." Falsch – im chemischen Sprachgebrauch ist Alkohol die gesamte Stoffklasse; Methanol („Holzgeist") ist derselben Klasse zugehörig, aber schon Trinkmenge von wenigen Millilitern gefährlich, weil es im Körper zu Ameisensäure und Formaldehyd oxidiert wird. (2) „Ether bilden keine Wasserstoffbrücken." Nur zur Hälfte richtig – Ether bilden untereinander keine, weil ihnen der $\ce{O-H}$-Wasserstoff fehlt; gegenüber Wasser wirken sie aber als Akzeptor. (3) „Die $\ce{-OH}$-Gruppe macht Alkohole zu starken Säuren." Falsch – Alkohole sind mit $pK_S \approx 16$ sogar schwächere Säuren als Wasser ($pK_S = 15{,}7$). (4) „Beim Erhitzen von Ethanol mit Schwefelsäure entsteht immer Ether." Falsch – bei etwa 140 °C entsteht Ether, bei etwa 180 °C dominiert die Eliminierung zum Alken. Die Temperatur entscheidet über den Reaktionstyp.

Eigenschaften von Alkoholen: die Wasserstoffbrücke als Schlüssel

Das $\ce{O-H}$-Strukturelement ist stark polar. Jedes Alkoholmolekül kann Wasserstoffbrücken ausbilden (Donor) und mit seinem Sauerstoff freie Elektronenpaare aufnehmen (Akzeptor). Das prägt Siedepunkt und Löslichkeit:

Molekül	Summenformel	$M$ (g/mol)	Siedepunkt (°C)	Wasserstoffbrücken untereinander
Methan	$\ce{CH4}$	16	−162	keine
Methanol	$\ce{CH4O}$	32	65	ja
Ethan	$\ce{C2H6}$	30	−89	keine
Dimethylether	$\ce{C2H6O}$	46	−24	keine (nur Akzeptor)
Ethanol	$\ce{C2H6O}$	46	78	ja
Propan	$\ce{C3H8}$	44	−42	keine
Propan-1-ol	$\ce{C3H8O}$	60	97	ja

Ablesbare Muster:

Alkohole sieden deutlich höher als Alkane vergleichbarer Molmasse (Ethanol 78 °C gegenüber Ethan −89 °C), weil vor dem Verdampfen zusätzlich die Wasserstoffbrücken aufgebrochen werden müssen.
Innerhalb der homologen Reihe steigen die Siedepunkte mit wachsender Kettenlänge, während die Wasserlöslichkeit sinkt: Der wachsende unpolare Alkylrest dominiert zunehmend. Ethanol ist mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar, Pentanol nur begrenzt, Octanol praktisch nicht mehr.
Ether sieden nur wenig höher als Alkane gleicher Molmasse – die Dipol-Dipol-Wechselwirkung (C–O-Bindungen) ist deutlich schwächer als eine Wasserstoffbrücke.
Chemisch sind Alkohole ambident reaktiv: Das O-Atom mit seinen freien Elektronenpaaren kann als Nucleophil angreifen (z. B. bei der Veresterung), das O–H-Proton kann als sehr schwache Säure an starke Basen abgegeben werden.

Herstellung von Alkoholen

Fermentation: Ethanol wird durch alkoholische Gärung von Zucker mithilfe von Hefe hergestellt: $$ \ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2} $$ Der Gärprozess stoppt bei ca. 15 Vol.-% Ethanol, weil die Hefezellen sonst selbst gehemmt werden; höherprozentige Getränke entstehen durch Destillation – ein Trennverfahren, das die Siedepunktdifferenz zu Wasser (78 °C bzw. 100 °C) ausnutzt.
Hydratisierung von Alkenen: Technisch wichtiger Weg vom Erdöl zum Alkohol – Cracking liefert Ethen, das unter Säurekatalyse (Markovnikov-Regel) Wasser anlagert: $$ \ce{C2H4 + H2O ->[H+] C2H5OH} $$
Methanolsynthese aus Synthesegas: Methanol wird nicht durch Gärung, sondern aus $\ce{CO}$ und $\ce{H2}$ (aus Erdgas oder Kohle) bei 200–300 °C und 50–100 bar über Kupfer-Katalysatoren gewonnen: $$ \ce{CO + 2 H2 ->[Cu] CH3OH} $$

Reaktionen von Alkoholen

Oxidation (vereinfacht mit $[\ce{O}]$): Primäre Alkohole werden über den Aldehyd bis zur Carbonsäure oxidiert, sekundäre Alkohole liefern Ketone, tertiäre Alkohole sind ohne C–C-Spaltung nicht oxidierbar: $$ \ce{R-CH2OH ->[\ce{O}] R-CHO ->[\ce{O}] R-COOH} \qquad \ce{R2CHOH ->[\ce{O}] R2C=O} $$ Genau hier ist die Einteilung primär/sekundär/tertiär praktisch: Sie sagt voraus, welches Oxidationsprodukt entsteht.
Veresterung: Mit Carbonsäuren entstehen unter Wasserabspaltung Ester, z. B. Essigsäureethylester (Nagellackentferner) aus Essigsäure und Ethanol.
Verbrennung: Ethanol verbrennt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ($\ce{C2H5OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O}$) – Grundlage des Einsatzes als Biokraftstoff (E10, E85).

Ether: Aufbau und Nomenklatur

Ether sind organische Verbindungen, bei denen ein Sauerstoffatom zwischen zwei Organylresten gebunden ist. Die allgemeine Formel lautet:

$$ \ce{R-O-R'} $$

wobei $R$ und $R'$ gleich (symmetrische Ether, z. B. $\ce{C2H5-O-C2H5}$) oder verschieden (unsymmetrische Ether, z. B. $\ce{CH3-O-C2H5}$) sein können. Nach IUPAC wird der kleinere Rest als Alkoxy-Substituent benannt: $\ce{CH3-O-CH2CH3}$ heißt Methoxyethan. Auch ringförmige (zyklische) Ether existieren, z. B. Tetrahydrofuran (THF, $\ce{C4H8O}$) als wichtiges Lösungsmittel.

Eigenschaften von Ethern

Siedepunkte: deutlich niedriger als die der isomeren Alkohole (Diethylether 35 °C, Butan-1-ol 118 °C – beide $\ce{C4H10O}$), da untereinander keine Wasserstoffbrücken möglich sind.
Löslichkeit: Niedere Ether sind begrenzt wasserlöslich, denn ihr Sauerstoff wirkt als Akzeptor für Wasserstoffbrücken des Wassers.
Reaktivität: Ether sind reaktionsträge – gerade deshalb sind sie hervorragende, weitgehend apolare Lösungsmittel für organische Synthesen. Mit starken Säuren (z. B. $\ce{HI}$) lassen sie sich spalten.
Sicherheit: Ether sind extrem leicht flüchtig und hochentzündlich (Dämpfe schwerer als Luft, wandern am Boden!). Außerdem bilden viele Ether beim Stehen an Luft Peroxide, die beim Abdestillieren explodieren können – Etherflaschen haben deshalb ein Anbruchsdatum.

Herstellung von Ethern

Kondensation (Dehydratisierung) von Alkoholen: Zwei Moleküle eines primären Alkohols reagieren unter Säurekatalyse bei ca. 140 °C zum Ether: $$ \ce{2 C2H5OH ->[\ce{H2SO4}][140^{\circ}C] C2H5-O-C2H5 + H2O} $$ Das Verfahren funktioniert nur sauber mit primären Alkoholen; sekundäre und vor allem tertiäre Alkohole eliminieren bevorzugt zum Alken.
Williamson-Ethersynthese: Ein Alkoholat (Alkohol + starke Base) reagiert nucleophil mit einem Halogenalkan: $$ \ce{R-ONa + R'-X -> R-O-R' + NaX} $$ Wegen des $\mathrm{S_N2}$-Mechanismus muss $R'$ ein primäres Halogenalkan sein; mit tertiären Halogeniden läuft stattdessen die Eliminierung zum Alken ab.

Konstitutionsisomere im direkten Vergleich

Ethanol und Dimethylether zeigen besonders deutlich, dass nicht die Summenformel, sondern die Struktur die Eigenschaften bestimmt:

Eigenschaft	Ethanol $\ce{CH3CH2OH}$	Dimethylether $\ce{CH3-O-CH3}$
Summenformel	$\ce{C2H6O}$	$\ce{C2H6O}$
funktionelle Gruppe	Hydroxylgruppe $\ce{OH}$	Etherbrücke $\ce{C-O-C}$
H-Brücken untereinander	ja	nein
Siedepunkt	78 °C (Flüssigkeit)	−24 °C (Gas)
Mischbarkeit mit Wasser	unbegrenzt	begrenzt
Reaktionsverhalten	oxidierbar, veresterbar	reaktionsträge

Übungen

Üben Sie in drei Stufen: Beginnen Sie mit Basis, wechseln Sie zu Mittel, sobald die Aufgaben leichtfallen, und fordern Sie sich mit Erweitert heraus. Klappen Sie erst auf, wenn Sie selbst eine Antwort formuliert haben.

Basis

Zeichnen Sie die Strukturformeln von Methanol, Propan-2-ol und 2-Methylpropan-2-ol, geben Sie die IUPAC-Namen an und ordnen Sie jeden Alkohol als primär, sekundär oder tertiär ein.
Erklären Sie, warum Ethanol in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar ist, während Octanol praktisch unlöslich ist.
Entscheiden Sie, welche der folgenden Verbindungen Ether sind, und benennen Sie sie: $\ce{CH3-O-CH2CH3}$, $\ce{CH3CH2CH2OH}$, $\ce{CH3-O-CH3}$, $\ce{HO-CH2-CH2-OH}$.

Mittel

Ordnen Sie die drei Stoffe Pentan (Siedepunkt 36 °C), Diethylether (35 °C) und Butan-1-ol (118 °C) nach ihren zwischenmolekularen Wechselwirkungen ein und begründen Sie, warum zwei davon trotz unterschiedlicher Molmasse fast gleich sieden.
Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die vollständige Oxidation von Ethanol mit einem passenden Oxidationsmittel (Schreibweise $[\ce{O}]$) in zwei Schritten und geben Sie beide Produkte mit Namen an.
Stellen Sie die Williamson-Synthese von Methoxyethan auf: Wählen Sie Alkoholat und Halogenalkan und schreiben Sie die Reaktionsgleichung. Erklären Sie anschließend, warum die Kombination Natriumethanolat + 2-Brompropan nicht zum gewünschten Ether führt.

Erweitert

Sie erhalten zwei farblose, brennbare Flüssigkeiten der Summenformel $\ce{C2H6O}$ ohne Etikett. Beschreiben Sie drei experimentelle Möglichkeiten (mit erwarteter Beobachtung), mit denen Sie Ethanol und Dimethylether unterscheiden können.
Berechnen Sie, welche Masse an Ethanol (und welche Masse an $\ce{CO2}$) bei der vollständigen alkoholischen Gärung von 500 g Glucose entsteht. Nutzen Sie $M(\ce{C6H12O6}) = 180{,}2$ g/mol und $M(\ce{C2H5OH}) = 46{,}1$ g/mol.
Der Ether MTBE (Methyl-tert-butylether, $\ce{(CH3)3C-O-CH3}$) wurde jahrelang Benzinen zugesetzt, um die Klopffestigkeit zu erhöhen und Bleiverbindungen zu ersetzen. Recherchieren Sie die Verwendung und bewerten Sie den Einsatz: Welche Argumente sprechen chemisch und ökologisch dafür, welche dagegen? Beziehen Sie die Wasserlöslichkeit von Ethern in Ihre Bewertung ein.

Lösungshinweise

Basis

Methanol $\ce{CH3OH}$: das $\ce{OH}$-C-Atom ist an drei H gebunden → primär. Propan-2-ol $\ce{CH3CH(OH)CH3}$: $\ce{OH}$ an einem mittleren C-Atom mit zwei C-Nachbarn → sekundär. 2-Methylpropan-2-ol $\ce{(CH3)3COH}$: drei C-Nachbarn → tertiär.
Ethanol bildet mit Wasser Wasserstoffbrücken (Donor und Akzeptor) und ist deshalb unbegrenzt mischbar; der kurze Alkylrest (2 C-Atome) stört kaum. Bei Octanol überwiegt der lange unpolare Rest (8 C-Atome) – die hydratisierte $\ce{OH}$-Gruppe reicht nicht mehr aus, das Molekül „in Lösung" zu halten (hydrophober Effekt).
Ether sind $\ce{CH3-O-CH2CH3}$ (Methoxyethan) und $\ce{CH3-O-CH3}$ (Methoxymethan/Dimethylether). $\ce{CH3CH2CH2OH}$ ist der Alkohol Propan-1-ol, $\ce{HO-CH2-CH2-OH}$ der zweiwertige Alkohol Ethandiol (Glycol).

Mittel

Butan-1-ol (118 °C) > Pentan ≈ Diethylether (36 bzw. 35 °C). Butan-1-ol bildet als einziger der drei Wasserstoffbrücken untereinander aus. Pentan (58 g/mol) und Diethylether (74 g/mol) sieden fast gleich, weil beide nur Van-der-Waals-Kräfte bzw. schwache Dipol-Dipol-Kräfte aufweisen – die etwas größere Molmasse des Ethers und sein schwaches Dipolmoment heben sich näherungsweise auf. Siedepunkte folgen nicht einfach der Molmasse, sondern den Wechselwirkungen.
Schritt 1: $\ce{CH3CH2OH ->[\ce{O}] CH3CHO + H2O}$ (Ethanal). Schritt 2: $\ce{CH3CHO ->[\ce{O}] CH3COOH}$ (Ethansäure, Essigsäure). Als Oxidationsmittel eignen sich z. B. $\ce{CuO}$ (glühend), $\ce{K2Cr2O7/H+}$ (orange → grün) oder $\ce{KMnO4}$.
$\ce{CH3ONa + CH3CH2-I -> CH3-O-CH2CH3 + NaI}$ (Natriummethanolat + Iodoethan). Mit Natriumethanolat + 2-Brompropan findet keine $\mathrm{S_N2}$-Substitution statt, weil das Halogenalkan sekundär/tertiär stark gehindert ist; die basische Ethanolat-Lösung erzwingt die Eliminierung zu Propen ($\ce{CH3-CH=CH2}$). Faustregel der Williamson-Synthese: Der Alkoholrest darf beliebig, das Halogenalkan muss primär sein.

Erweitert

(a) Siedeverhalten: Ethanol siedet bei 78 °C, Dimethylether bei −24 °C – der Ether verdampft aus einem offenen Gefäß bei Raumtemperatur sofort, Ethanol bleibt flüssig. (b) Natrium-Metall: reagiert mit Ethanol unter $\ce{H2}$-Entwicklung (Bildung von Natriumethanolat), mit Ether keine Reaktion. (c) IR-Spektrum: Ethanol zeigt eine breite $\ce{O-H}$-Valenzschwingung um 3200–3600 cm⁻¹, Ether nicht. (d) Neutralisationstest mit $\ce{Na2CO3}$/Indicator oder die Iodoform-Probe auf Ethanol sind ebenfalls möglich.
$\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}$. $n(\text{Glucose}) = 500 / 180{,}2 = 2{,}775$ mol → $n(\text{Ethanol}) = 5{,}55$ mol → $m = 5{,}55 \times 46{,}1 \approx 256$ g Ethanol. $\ce{CO2}$: $n = 5{,}55$ mol $\times 44{,}0$ g/mol $\approx 244$ g.
Pro: Ether sind reaktionsträge, ungiftig im Verbrennungsprozess vergleichsweise sauber; MTBE erhöht die Oktanzahl, sodass bleihalte Additive entfallen konnten; Herstellung aus Isobuten (Raffinerieprodukt) einfach. Contra: MTBE ist gut wasserlöslich (Ether als H-Brücken-Akzeptor) und biologisch schwer abbaubar – schon kleine Konzentrationen machen Trinkwasser geruchlich ungenießbar; Auslaufstellen führen zu weitreichenden Grundwasserbelastungen. In den USA und Teilen Europas wurde MTBE deshalb vielfach verboten bzw. durch Ethanol (ETBE/MTBE-freie Rezepturen) ersetzt. Bewertend: Der strukturelle Vorteil (Wasserlöslichkeit der Ethergruppe) wird hier zum ökologischen Nachteil – ein Lehrbuchbeispiel dafür, dass Stoffeigenschaften immer im Anwendungskontext bewertet werden müssen.

Zusammenfassung

Alkohole tragen die Hydroxylgruppe $\ce{-OH}$ an einem gesättigten C-Atom ($\ce{R-OH}$), Ether eine Sauerstoffbrücke zwischen zwei Resten ($\ce{R-O-R'}$)
Alkohole werden nach der Stellung der $\ce{OH}$-Gruppe in primär, sekundär und tertiär eingeteilt – das entscheidet über das Oxidationsprodukt (Aldehyd/Carbonsäure, Keton, keine Oxidation)
Die $\ce{O-H}$-Gruppe macht Alkohole zu Wasserbrücken-Donoren und Akzeptoren: hohe Siedepunkte (Ethanol 78 °C) und gute Wasserlöslichkeit, die mit wachsender Kettenlänge sinkt
Ether sind nur Akzeptoren und bilden untereinander keine Wasserstoffbrücken: niedrige Siedepunkte (Dimethylether −24 °C), Reaktionsträgheit, gute Lösungsmittel – aber auch hohe Entflammbarkeit und Peroxidbildung beim Lagern
Ethanol und Dimethylether sind Konstitutionsisomere ($\ce{C2H6O}$) mit gegensätzlichen Eigenschaften – die Struktur, nicht die Summenformel, bestimmt das Verhalten
Herstellwege: Fermentation und Hydratisierung von Alkenen für Alkohole, Kondensation (140 °C) und Williamson-Synthese (primäres Halogenalkan!) für Ether