[ Home ] [ Nach oben ] [ Einführung ] [ Alkane ] [ Alkene ] [ Aromaten ] [ Halogenkohlenwasserstoffe ] [ Petrochemie ]

Gesättigte aliphatische und zyklische Kohlenwasserstoffe

Reaktionsverhalten: Brennbarkeit, Halogenierung

Homologe Reihe der Alkane, Isomerie, Nomenklatur 

Physikalische Eigenschaften der Alkane - Schmelz- und Siedepunkte, Lösungsverhalten

Halogenierung von Alkanen - Radialmechanismus der Substitution 

Molekülstruktur: Einfachbindung, Molekülgeometrie, Konformation

Aufgaben: Alkane

Gesättigte aliphatische und zyklische Kohlenwasserstoffe

Reaktionsverhalten: Brennbarkeit, Halogenierung

Methan

Herstellung und Entstehung:

Versuch: Herstellung aus Aluminiumcarbid: 3 g Aluminiumcarbid mit verd. Salzsäure versetzen, Gas über Wasser auffangen, entzünden, Verbrennungsprodukt mit Kalkwasser prüfen.

 Al₄C₃  +  12 H₂O  ->  4 Al(OH)₃  +  3 CH₄

Aluminiumcarbid                                                                       Methan

Methan brennt mit blauer Flamme (nicht rußend)

Verbrennungsgleichung:

CH₄  +  2 O₂  ->  CO₂  +  2 H₂O    DH = - 888 kJ/mol

 Diese Darstellungsmethode ist präparativ ohne Bedeutung - Methan ist aus Naturprodukten leichter zu gewinnen, z.B.

 Erhitzen von Kohle unter Luftabschluss (Leuchtgasgewinnung)  Versuch

Bei dieser "Verkokung" entstehen ca. 25% Methan, 50% Wasserstoff, 10% Kohlenstoffmonooxid

 Gewinnung aus Erdgas, das bis zu 85% Methan enthält

 Biogas durch Cellulosevergärung, meist in Verbindung mit Abwasser-Kläranlagen, auch im Sumpfgas

Verwendung:

 Rußherstellung: Zerfall beim Erhitzen auf ca. 1000°C

CH₄  ->  C  +  2 H₂

Ruß sehr fein - Füllstoff für Autoreifen, Druckerschwärze, Stempelfarbe usw.

 Heizgas: hoher Heizwert

 Wasserstoffgewinnung:

CH₄  +  2 H₂O  ->  4 H₂  +  CO₂

CH₄  +  1/2 O₂  ->  CO  +  2 H₂

                                        Synthesegas -> Methanol CH₃-OH

Homologe Reihe der Alkane, Isomerie, Nomenklatur

Formeln:

CH4	Methan
C2H6	Ethan
C3H8	Propan
C4H10	Butan
C5H12	Pentan
C6H14	Hexan	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
C7H16	Heptan	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
C8H18	Octan	CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
usw.

(= homologe Reihe der Alkane)

 allgemeine Formel: C_nH_2n+2

Homologe Reihe: Eine Gruppe von Verbindungen, die sich jeweils nur durch den Mehrgehalt einer Methylengruppe -CH₂- unterscheiden.

 Benennung der gesättigten Kohlenwasserstoffe: - Endsilbe -an  - wird ab C-5 an griechische bzw. lateinische Stammsilbe angehängt (Pentan, Hexan, ...)

Isomerie bei Alkanen, Nomenklaturregeln

Isomere sind Stoffe, die trotz gleicher Summenformel verschiedene Eigenschaften besitzen.

Strukturisomerie liegt vor, wenn die Isomerie auf unterschiedlicher Anordnung der Kohlenstoffatome im Molekül beruht.

Strukturisomere des Butans C₄H₁₀

n-Butan	i-Butan = 2-Methyl-propan

Strukturisomere des Pentans C₅H₁₂

n-Pentan	2-Methyl-butan	2.2-Dimethyl-propan

Anwendung der Genfer Nomenklatur (IUPAC-Regeln Regeln) auf Alkane:

1. Als Grundstruktur sucht man die längste, fortlaufende Kohlenstoffkette.

 2. Die Kohlenstoffatome werden so durchnummeriert, dass die alkyl-substituierten Kohlenstoffatome möglichst niedrige Zahlen erhalten.

 3. Wenn die gleiche Gruppe mehrfach als Seitenkette auftritt, wird durch die Vorsilbe Di-, Tri-, Tetra- usw. angezeigt, wie oft die Gruppe im Molekül vorhanden ist, und durch die Nummer des betreffenden C-Atoms der Hauptkette wird die Lage jeder Gruppe gekennzeichnet.

 4. Sind mehrere unterschiedliche Gruppen mit der Grundkette verknüpft, so werden sie in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt.

Übungen:

 Stellen Sie die Strukturformeln für die neun isomeren Heptane auf und benennen Sie diese nach den IUPAC-Regeln.

 Strukturformeln und Benennung der acht isomeren Chlorpentane

 Strukturformeln und Benennung der neun isomeren Dibrombutane

 Von einem Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C₄H₁₀ lassen sich zwei verschiedene Monochlorderivate herstellen. Welche Struktur hatte das als Ausgangsstoff verwendete Butan?

 Benennen Sie die isomeren Verbindungen der Summenformel C₂H₃Br₃ bzw. C₂H₂Br₄!

 Zeichnen Sie die Strukturformeln von a) 2.3-Dimethyl-hexan b) 3-Ethyl-2-methylheptan c) 4-Ethyl-3.4-dimethylheptan d) 5-Isopropyl-3-methyloctan

 Zeichen Sie die Strukturformeln der Monochlorderivate des 2-Methyl-butans (=Isopentans)

Physikalische Eigenschaften der Alkane - Schmelz- und Siedepunkte, Lösungsverhalten

Diagramm: Schmelz- und Siedepunkte in der homologen Reihe der n-Alkane:

Auswertung des Diagramms:

- im Verhältnis zur Molekülmasse liegen die Siede- und Schmelzpunkte sehr tief.

Erklärung:

Alkane sind sehr unpolare Moleküle (sehr geringe EN-Differenz, daher kein Dipolcharakter). Zwischen den Molekülen wirken nur die sehr schwachen Van-der-Waals-Kräfte.

- Die Schmelz- und Siedepunkte der Alkane steigen mit zunehmender Kettenlänge.

Erklärung:

Größere Oberfläche -> stärkere Van-der-Waals-Kräfte.

Verzweigtkettige Isomere sieden deshalb tiefer als geradkettige.

Tabelle: Schmelz- und Siedepunkte einiger isomerer Alkane

Löseverhalten der Alkane

Versuch: Hexan (+Sudanrot) mit Wasser und Salatöl

Ergebnis: Hexan ist unlöslich in Wasser, mischbar mit Olivenöl

Alkane sind hydrophob, aber lipophil

Löslichkeitsregel: "similia similibus solvuntur"

Erklärung des Löseverhaltens mit Hilfe der zwischenmolekularen Kräfte:

- Van-der-Waals-Kräfte

- Dipolkräfte

- Wasserstoffbrückenbindungen)

Übungen:

1. n-Heptan hat annähernd den gleichen Siedepunkt wie Wasser, obwohl die molaren Massen stark voneinander abweichen. Wie ist diese Beobachtung zu erklären?

2. 2-Methylheptan siedet bei 118°C, 2.2.3.3-Tetramethylbutan bei 106°C. Erklären Sie den Unterschied. Welcher Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C₈H₁₈ hat einen noch höheren Siedepunkt?

3. Warum lässt sich ein Gemisch aus den unverzweigten Alkanen der Summenformel C₅H₁₂, C₆H₁₄, C₇H₁₆ leichter trennen als ein Gemisch aus C₁₅H₃₂, C₁₆H₃₄ und C₁₇H₃₆?

4. Die Moleküle eines Motorenöls werden beim Betrieb des Motors durch Scherkräfte zwischen den beweglichen Teilen zum Teil in kleinere Bruchstücke gespalten. Welche Auswirkungen hat dies auf die Eigenschaften des Öls bei langer Betriebsdauer?

5. Ordnen Sie die Pentan-Isomeren nach steigender Siedetemperatur und begründen Sie die Reihenfolge

Halogenierung von Alkanen - Radialmechanismus der Substitution 

Versuch (Abzug!): Substitution von Brom an Hexan

1 ml Hexan wird in einem mit Stopfen und Gasableitungsrohr versehenen Rggl. mit ein paar Tropfen Brom versetzt und anschließend im Strahlengang des Tageslichtprojektors belichtet. Einleitung des entstehenden Gases in Bromthymolblau-Lösung und in Silbernitratlösung.

Beobachtungen:

- bei Belichtung: Gasentwicklung (farblos, nebelt an der Luft, gibt mit Silbernitratlösung gelblichen Niederschlag)

- Bromfarbe verschwindet

Reaktionsgleichung:

C₆H₁₄  +  Br₂  ->  C₆H₁₃Br  +  HBr

                                                 Brom-hexan        Bromwasserstoff (Hydrogenbromid)

Substitution: Austausch einzelner Atome oder Atomgruppen im Molekül gegen andere Atome oder Atomgruppen

Erhaltung des Kohlenstoffgerüsts

Mehrfachsubstitution möglich, z.B. bei der Chlorierung von Methan:

Frage nach dem Reaktionsmechanismus: ausführliche Schritt-für-Schritt-Beschreibung einer chemischen Reaktion

Warum interessieren uns die Reaktionsmechanismen?

- Sie erleichtern die Ordnung und die Verbindung der vielen Einzeltatsachen der organischen Chemie.

- Wenn man weiß, wie eine Reaktion abläuft, kann man die experimentellen Bedingungen gezielt variieren - nicht nach Versuch und Irrtum - um die Ausbeute an Reaktionsprodukt zu steuern.

Der Reaktionsmechanismus der Halogenierung der Alkane muß folgende Einzeltatsachen klären können:

- Methan und Chlor setzen sich im Dunkeln bei Raumtemperatur nicht miteinander um.

- Die Reaktion erfolgt oberhalb 250°C auch im Dunkeln.

- Reaktion erfolgt auch bei Raumtemperatur bei Bestrahlung mit UV-Licht.

- Bei der lichtinduzierten Reaktion genügt ein vom System absorbiertes Lichtquant zur Bildung mehrerer tausend Moleküle Chlormethan.

- Die Anwesenheit von Sauerstoff vermindert die Reaktionsgeschwindigkeit.

  Umfangreiche mechanistische Untersuchungen beweisen folgenden Reaktionsablauf:

Reaktionsmechanismus: radikalische Substitution:

  1. Schritt: Spaltung eines Chlormoleküls in Chloratome durch Lichtenergie (oder Temperatur) = Radikalbildung:

Radikale sind Atome oder Atomgruppen mit einem einsamen (ungepaarten) Elektron

Es gibt 2 Möglichkeiten, eine Atombindung zu spalten:

1. Homolyse:  A-B -> A*  +  *B

Jedes Bruchstück erhält ein Elektron, die Spaltung erfolgt symmetrisch. Als Ergebnis entstehen zwei Radikale, d.h. Atome oder Atomgruppierungen mit einem ungepaarten (einsamen) Elektron.

2. Heterolyse:   A-B  ->  A⁺  +  |B^-

Unsymmetrische Spaltung: Ein Bruchstück erhält beide Elektronen des bindenden Elektronenpaares. Ergebnis: Ionen

Kettenstart: Radikalbildung  

Kettenfortpflanzungsschritte:  

Vereinigung zweier Radikale führt zum Kettenabbruch:

Diskussion möglicher Zusammenstöße des Chloratoms mit anderen Atomen bzw. Molekülen! Entwicklung des Reaktionsablaufes

Sauerstoff - ein Diradikal - wirkt als Inhibitor: 

Radikalstabilität und Konkurrenzreaktion bei höheren Alkanen

Je nachdem, ob das C-Atom mit einem, zwei oder drei weiteren

C-Atomen verbunden ist, spricht man von einem primären, sekundären oder tertiären C-Atom:

     primär              sekundär               tertiär

  Beispiel:

Reaktion von Ethan und Propan mit Chlor - Monchlorderivate

Welches Verhältnis der Ausbeute an 1-Chlorpropan und 2-Chlorpropan wäre aufgrund der Anzahl primärer und sekundärer H-Atome zu erwarten? Vergleich mit dem experimentellen Ergebnis!

Beispiel: Chlorierung von Isobutan:

2-Methyl-propan                         2-Chlor-2-methylpropan  1-Chlor-2-methylpropan

(=Isobutan)                                             64%                               36%

Theorie: (9 primäre 1 tertiäres H-Atom)            1            :         9

gefunden:                                                                1            :         2

d.h. tertiäre H-Atome reagieren 4,5 mal schneller!

Reihenfolge der Radikalstabilität:

primär < sekundär < tertiär

tertiäre Radikale sind am stabilsten und bilden sich daher bevorzugt, primäre Radikale haben geringste Stabilität.

Bromierung von Alkanen:

Ethan                                                        Bromethan

Propan                                                                 1-Brom-propan (3%)                 2-Brom-propan (97%)

n-Butan                                                                                      1-Brom-butan (2%)     2-Brombutan (98%)

2-Methyl-propan (=Isobutan)                  2-Brom-2-methyl-propan (>99%)    1-Brom-2-methyl-propan (Spur)

Ergebnis: Bromradikale wirken noch selektiver

Aufgaben:

Angenommen, Sie wollen Monobrom-pentan herstellen. Was ist günstiger: Unter Belichtung Pentan langsam zu Brom tropfen lassen oder unter Belichtung Brom langsam zu Pentan tropfen lassen.

Reagiert Chlormethan  bei der Reaktion mit Brom (unter Belichtung) langsamer oder schneller im Vergleich zu Methan? Begründung!

Zusatzinformation: Energetische Betrachtung

Molekülstruktur: Molekülgeometrie, Einfachbindung, Koformationen

Molekülstruktur der Alkane

Das Kohlenstoffatom

Hinführung: Vielzahl der organischen Verbindungen! Besonderheit des Kohlenstoffs? Atombindungen! C4+ existiert nicht

Wiederholung Atombau (Kern, Hülle)

Orbitalbesetzung im Grundzustand (Pauli-Prinzip, Hundsche Regel)

Deutung der Atombindung als Überlappung zweier Elektronenwolken

aber: Kohlenstoff ist stets vierbindig!

Valenzzustand des Kohlenstoffatoms, Gestalt der s- und p-Orbitale

Voraussage für Isomeriemöglichkeiten?

aber: es gibt nur ein Monosubstitutionsprodukt des Methans (z.B. CH3Cl Chlormethan)! Wert der empirischen Forschung

Alle Bindungen sind gleich!

Rechnerische Kombination liefert 4 energiegleiche Orbitale:

die 4 energiegleichen sp3-Hybridorbitale sind nach den Ecken eines Tetraeders gerichtet (Abstoßungskräfte minimal):

C-Atom im hybridisierten Zustand + s-Orbital des H-Atoms

C-C-Einfachbindung - Konformationen

Das Ethanmolekül

C-C-Bindung im Ethan durch Überlappung zweier sp³-Hybridorbitale

s-Bindung: Überlappung der Elektronenwolken entlang der Verbindungslinie der beiden Atome

Freie Drehbarkeit um die C-C-Bindungsachse!

Konformationen: Die verschiedenen räumlichen Anordnungen eines Moleküls, die sich durch Rotation um Einfachbindungen ergeben.

Energieunterschied der beiden extremen Konformeren: 13 kJ/mol, d.h. thermische Bewegungen bei Raumtemperatur reichen zum Übergang aus.

Homologe Reihe (Pr)

Untersuchen und erklären physikalischer Eigenschaften: Löslichkeit, Siedepunkt, zwischenmolekulare Kräfte 

Aufgaben: Alkane

Abituraufgaben (Aufgaben in Klammern erfordern Kenntnisse, die erst später behandelt werden):

1995 IV 1 geg.:Tabelle KW C4-C6 u. Sdp. - Zusammenhang zwischen Struktur und Siedetemperatur

1998 I 2 Brom mit Phenylpropan bei Belichtung - Reaktionsmechanismus, Hauptprodukt

1999 I 2 Methylbutan mit Brom bei Belichtung - Reaktionsmechanismus, Häufigkeit der Monobromderivate

2000 III 2 2-Chlormethylpropan mit Wasser; AgNO3, Indikator, Vergleich mit Chlorethan

2001 I 2.1 Chlormethan-Bildung - Bindungsdissoziationsenergien - Mechanismus - Reaktionsenthalpien

2003 I 2 Bromierung von Ethylbenzol (Ring u. Seitenkette) - Reaktionsmech. - Styrol - Mech. d. Addition

A1 Schreiben Sie die einzelnen Reaktionsschritte für die Reaktion von Methan mit Brom zu Brommethan (=Methylbromid) bei Belichtung auf und gehen Sie dabei auch auf mögliche Nebenreaktionen ein.

A2 Welche Monochlorderivate können bei der Chlorierung von 2-Methyl-butan auftreten? (Strukturformeln und Namen angeben!)

A3 Schreiben und benennen Sie die Strukturformeln aller Isomeren Verbindungen mit der Summenformel C₃H₄Cl₂.

A4 [A4-Lösung] 2-Methyl-butan soll mit Chlor zur Reaktion gebracht werden. Schreiben Sie die Strukturformeln und Namen der möglichen Monochlor-Produkte!

A4-Lösung

1-Chlor-2-methyl-butan                                 2-Chlor-2-methyl-butan

2-Chlor-3-methyl-butan                                 1-Chlor-3-methyl-butan