Alkane
Bau der Alkane
Der Name Alkan ist der von der IUPAC empfohlene Name. Im technischen Schrifttum findet sich allerdings immer noch der Name Paraffine (lat.: parum affinis = wenig reaktionsfähig).
Alkane werden in der Fachliteratur oft auch als Aliphaten bezeichnet. Sie sind die einfachsten Kohlenwasserstoffe und bestehen nur aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, d. h., sie haben keine Mehrfachbindungen, sondern jeweils nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen im Molekül. In den kettenförmigen Alkanen sind die endständigen Kohlenstoffatome mit drei Wasserstoffatomen, bei unverzweigten Kohlenwasserstoffen sind die anderen Kohlenstoffatome in der Kette jeweils mit zwei Wasserstoffatomen verbunden. Prinzipiell ist in den Molekülen die maximal mögliche Anzahl von Wasserstoffatomen enthalten.
Im Namen wird dieses Strukturmerkmal durch die Endung -an deutlich. Die Anzahl der Kohlenstoffatome, die miteinander verknüpft sind, wird durch den Wortstamm angegeben.
Die allgemeine Formel der Alkane lautet .
Diese allgemeine Summenformel gilt sowohl für kettenförmige, unverzeigte als auch für kettenförmige, verzweigte Alkane.
Die Summenformel für Octan beispielsweise lautet .
Ausführliche Strukturformel für ein kettenförmiges, unverzweigtes Alkan (Octan):
Ausführliche Strukturformel für ein kettenförmiges, verzweigtes Alkan ebenfalls mit 8 C-Atomen (2,2,4-Trimethylpentan):
Eigenschaften der Alkane
Aufgrund der strukturellen Merkmale sind einige Eigenschaften für Alkane typisch.
Wasserlöslichkeit
Alkane sind kaum in Wasser löslich, in organischen Lösungsmitteln lösen sie sich aber gut. Die Ursache für die schlechte Wasserlöslichkeit der Alkane liegt in ihrem Bau. Um den Zusammenhang zu verstehen, muss man ihre räumliche Struktur und die Kräfte, die zwischen den Molekülen herrschen im Vergleich zum Bau der Wassermoleküle und den Kräften zwischen ihnen ansehen. Als Beispiel soll das Methanmolekül betrachtet werden. Im Methanmolekül ist das Kohlenstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben. Die vier bindenden Elektronenpaare nehmen den größtmöglichen Abstand zueinander ein. Dadurch weisen die Wasserstoffatome in die Ecken eines Tetraeders, in dessen Mitte sich das Kohlenstoffatom befindet. Die gemeinsamen Elektronenpaare werden von den Atomkernen des Kohlenstoffatoms und der Wasserstoffatome fast gleich stark angezogen. Daher bilden sich im Molekül keine Ladungsschwerpunkte aus. Das Methanmolekül ist unpolar.
Hexan löst sich nicht in Wasser (blau angefärbt), aber gut in Öl.
Im Wassermolekül ist das Sauerstoffatom ebenfalls von vier Elektronenpaaren umgeben. Davon sind jedoch nur zwei bindend, die anderen beiden sind nicht bindend. Da nicht bindende Elektronenpaare einen größeren Raum einnehmen als bindende, ergeben sich im Wassermolekül etwas andere Winkel. Außerdem zieht der Atomkern des Sauerstoffatoms die gemeinsamen Elektronenpaare stärker an als die Wasserstoffatome (polare Atombindung). Dadurch entsteht dort ein negativer Ladungsschwerpunkt, der durch die nicht bindenden Elektronenpaare noch verstärkt wird. An den Wasserstoffatomen entsteht dagegen eine positive Teilladung. Da sich die Ladungsschwerpunkte infolge der gewinkelten Raumstruktur des Wassermoleküls nicht ausgleichen, ist das Wassermolekül ein Dipolmolekül.
In Abhängigkeit vom unterschiedlichen Bau der Methan- und Wassermoleküle ergeben sich auch jeweils unterschiedliche zwischenmolekulare Kräfte. Obwohl die Methanmoleküle unpolar sind, kommt es durch die Bewegung der Elektronen zur gegenseitigen Beeinflussung der Moleküle und zu schwachen zwischenmolekularen Kräften (Van-der-Waals-Kräfte) Sie sind umso größer, je größer die Oberfläche und je größer die Masse der Moleküle sind.
Durch den Dipolcharakter der Wassermoleküle kommt es zwischen ihnen zu ganz anderen Wechselwirkungen. Es bilden sich sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen aus, indem sich ein Wassermolekül mit einem positivierten Wasserstoffatom an das negativierte Sauerstoffatom eines anderen Moleküls anlagert.
Der Bau der Moleküle und die daraus resultierende Art der zwischenmolekularen Kräfte bestimmt, ob zwei Stoffe miteinander mischbar sind oder einer im anderen löslich ist. Unter Löslichkeit oder Mischbarkeit versteht man die Fähigkeit der Stoffe, miteinander homogene Mischungen zu bilden. Eine erhebliche Rolle spielen dabei Dipolmoment, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte. So sind die unpolaren Alkanmoleküle in unpolaren Lösungsmitteln, wie z. B. anderen Alkanen, gut löslich. Im Wasser jedoch sind die Alkane praktisch unlöslich. Die zur Lösung der Wasserstoffbrückenbindungen nötige Energie ist viel größer als die zum Lösen der Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Alkanmolekülen. Damit bleiben die beiden Stoffe isoliert und bilden Schichten. Es gilt: Ähnliches löst sich in Ähnlichem.
Reaktion mit Sauerstoff
Aufgrund der in den Molekülen enthaltenen Kohlenstoff- und Wasserstoffatome reagieren Alkane bei ausreichend Sauerstoffzufuhr vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Vollständige Verbrennung von Methan:
CH4 + 2 O2 ––→ CO2 + 2 H2O
Bei unzureichender Sauerstoffzufuhr erfolgt eine unvollständige Verbrennung. Dabei entsteht Kohlenstoffmonooxid oder auch Ruß (Kohlenstoff).
Unvollständige Verbrennung von Methan:
2 CH4 + 3 O2 ––→ 2 CO + 4 H2O
Substitution
Wasserstoffatome von Alkanen können durch andere Atome, z. B. Halogenatome, ersetzt werden. Diese Reaktion ist eine typische chemische Eigenschaft der Alkane. Man spricht von einer Substitutionsreaktion.
Das ausgetauschte Atom ist ein Substituent. Es entsteht ein Derivat der Ausgangsverbindung, das dann kein Kohlenwasserstoff mehr ist. Besonders wichtig sind die Halogenderivate der Alkane, die Halogenalkane.
Eine weitere typische Reaktion der Alkane ist die Eliminierung.
Homologe Reihe der Alkane
Alkane mit gleichen Strukturmerkmalen, die sich jeweils um eine CH2-Gruppe unterscheiden, bilden eine homologe Reihe. Die ersten vier der Glieder der homologen Reihe der Alkane mit einer unverzweigten Kohlenstoffkette Methan, Ethan, Propan und Butan sind gasförmig, die nächsten Homologen sind flüssig und höhere Homologe fest. In der folgenden Tabelle gibt der erste Wert die Siedetemperatur, der zweite Wert die Schmelztemperatur an.
| Methan | -182,5 °C | -161,5 °C | ||
| Ethan | -183,3 °C | -88,6 °C | ||
| Propan | -187,7 °C | -42,1 °C | ||
| Butan | -138,4 °C | -0,5 °C | ||
| Pentan | -129,7 °C | +36,1 °C | ||
| Hexan | -95,3 °C | +68,7 °C | ||
| Heptan | -90,0 °C | +98,4 °C | ||
| Octan | -56,8 °C | +125,7 °C | ||
| Nonan | -54,0 °C | +150,6 °C | ||
| Decan | -30,0 °C | +174,0 °C | ||
| Dodecan | -12,0 °C | zersetzlich | ||
| Eicosan | 38,0 °C | zersetzlich |
Aufgrund ähnlicher struktureller Merkmale ergeben sich ähnliche Eigenschaften. Allerdings nimmt innerhalb der homologen Reihe auch die Kettenlänge der Alkane zu. Dadurch verändert sich u. a. die Stärke der zwischenmolekularen Kräfte. Dies ist die Ursache für abgestufte Eigenschaften. Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass die Schmelz- und Siedetemperaturen mit der Zunahme der Kettenlänge höher werden.
Auch die chemischen Eigenschaften werden beeinflusst. Durch ein verändertes Verhältnis von Kohlenstoff und Wasserstoff wird für die vollständige Verbrennung langkettiger Alkane mehr Sauerstoff benötigt als für die Verbrennung kurzkettiger Alkane. Daher neigen langkettige Alkane zur unvollständigen Verbrennung.
Verwendung von Alkanen
Ein erheblicher Teil der gewonnenen Alkane wird für die Energiefreisetzung genutzt. Erdgas, das zum größten Teil aus Methan besteht, wird als Heizgas in vielen Haushalten eingesetzt. Propan und Butan sind als Flüssiggas bekannt.
Außerdem dienen viele der industriell hergestellten Alkane als Kraftstoff. Autobenzin enthält überwiegend Stoffe, deren Moleküle fünf bis zehn Kohlenstoffatome aufweisen.
Allerdings werden Alkane auch als wichtige Ausgangsstoffe in der chemischen Industrie benötigt. In der Technik stellt man aus Methan und Wasserdampf das Synthesegas her, ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonooxid. Methan ist Ausgangsstoff bei vielen wichtigen Synthesen, z. B. von Methylenchlorid, Methanol, Formaldehyd, Acetylen oder Blausäure.
Herstellung von Alkanen
Alkane kommen im Erdöl und im Erdgas vor und werden im Gemisch genutzt oder gezielt abgetrennt.
Sie können aber auch im Labor und in technischen Anlagen hergestellt werden. Das soll am Beispiel von Methan und Ethan gezeigt und erklärt werden.
Methan
Man kann Methan direkt aus den Elementen (Kohlenstoff und Wasserstoff) herstellen. Dies geschieht im elektrischen Lichtbogen zwischen zwei Kohleelektroden in einer Wasserstoffatmosphäre. Dabei entstehen Temperaturen von 1 200 °C (1 475 K).
C + 2 H2 ––→ CH4
Methan zerfällt allerdings bei Temperaturen oberhalb von 1 000 °C (1 275 K) relativ schnell wieder. Deshalb ist die Ausbeute an Methan auf diesem Wege sehr gering.
Methan ist Hauptbestandteil im Erdgas und in bei der Erdölraffination anfallenden flüchtigen Anteilen, sodass es technisch aus dem Erdgas gewonnen wird.
Es tritt auch in den bei der Verkohlung von Steinkohle entweichenden Gasen auf.
Ethan
Ethan ist ebenfalls ein Bestandteil des Erdgases und wird zum großen Teil technisch aus Erdgas gewonnen. Es gibt aber auch andere Darstellungsmöglichkeiten.
Eine der ältesten Darstellungsmöglichkeiten für Ethan (um 1850) beruht auf der Zersetzung von Diethylzink mit Wasser.
Zn(C2H5)2 + 2 H2O ––→ Zn(OH)2 + 2 C2H6
Aus dem Jahr 1849 stammt die Kolbe-Elektrolyse. Dabei handelt es sich um die Elektrolyse von konzentrierter Natriumacetatlösung .
Bei der Elektrolyse entwickelt sich an der Katode Wasserstoff. An der Anode entstehen durch Oxidation und Methylradikale, die sich sofort zu Ethan verbinden.
Die Kolbe-Elektrolyse war die erste organische Elektrolyse und spielt bei der technischen Darstellung von Ethan eine wichtige Rolle.
Die sogenannte WURTZ-Synthese (oder WURTZ-Kupplung) aus dem Jahre 1855 beruht auf der Reaktion mit Iodmethan und Methylnatrium. Dabei nutzt man aus, dass der Kohlenstoff im Iodmethan durch das elektronegative Halogenatom teilweise positiviert ist, wohingegen der Kohlenstoff im Methylnatrium durch das elektropositive Metall teilweise negativiert ist. Dadurch lassen sich die beiden Methylgruppen zu Ethan koppeln.
Die WURTZ-Reaktion wird aber in erster Linie zur Darstellung höherer Homologer verwendet. Dazu setzt man dann das entsprechend längere Iodalkan (wahlweise auch Bromalkan oder Chloralkan) mit den gewünschten Metallalkylen um.
Wasserstoffbrückenbindungen Erdöl Methan Synthesegas Aliphaten Van-der-Waals Kräfte Tetraeder Kolbe-Elektrolyse Halogenalkane Erdgas Ethan Paraffine Propan Wurtz-Kupplung gesättigt Substitutionsreaktion Wurtz-Synthese homologe Reihe Methanmolekül Butan Kohlenwasserstoffe
Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.
Ein Angebot von 