1. Alkane

1.1 Methan

1.1.1 Vorkommen: 

im Erdgas, Sumpfgas, Biogas, Grubengas


1.1.2 Eigenschaften:

  • farb- und geruchloses Gas
  • geringere Dichte als Luft
  • brennbar


1.1.3 Ermittlung der Summenformel (Molekülformel) und Strukturformel

a) Qualitative Analyse (Elementaranalyse)

Hierfür wird der zu untersuchende Stoff verbrannt und die Verbrennungsprodukte werden bestimmt. 

Bildet sich Wasser, wird Wasserstoff als Element vorhanden sein;
Kohlenstoff kann man einmal als Ruß (bei unvollständiger Verbrennung) oder als Kohlenstoffdioxid nachweisen. Der Kohlenstoffdioxid-Nachweis erfolgt mit der Kalkwasserprobe. Hierfür wird das entstandene Gas in Kalkwasser eingeleitet. Trübt sich die Lösung, ist Kohlenstoffdioxid vorhanden. 

 Versuchsaufbau zur Elementaranalyse von Methan mit Kühlfalle (für den Wassernachweis) und einer Waschflasche mit Kalkwasser (CaOH2).

  1. Nachweis von Wasserstoff  →  Bildung von Wasser →  WaTesMo-Papier oder wasserfreies Kupfersulfat.
  2. Nachweis von C → Bildung von CO2 →   Nachweis als CaCO3
    Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) →  CaCO3 (s) + H2O (l)

Die Verbrennungsprodukte (Wasser, Kohlenstoffdioxid) ergeben, dass Methan Kohlenstoff, Wasserstoff und eventuell Sauerstoff enthält


b) Bestimmung der molaren Masse
Mit Hilfe der Gaswägung kann man die Molare Masse von Methan bestimmen: M(Methan) = 16 g/mol
Molekülmasse von Methan 16 u


c) Summenformel:
Daraus ergibt sich folgende Summenformel.
CH4

d) Strukturformel

Man zeichnet Methan meist mit einem Winkel von 90°. Dieser Winkel entspricht nicht  dem Bindungswinkel (vgl. unten). Man kann sich aber vorstellen, dass man direkt auf das Molekül wie in der zweiten Abbildung dargestellt wird, blickt. 

 Lewis-Formel - Strukturformel von Methan                   Kugelstabmodell eines Methanmoleküls in der Draufsicht.

Tetraedrische Anordnung der Wasserstoffatome um das Kohlenstoffatom (Bindungswinkel 109,5 °).  

Erklärung: Größtmögliche Entfernung der Wasserstoffatome. 

Folgende Animation gibt den tatsächlichen räumlichen Bau eines Methanmoleküls wieder (Kalottenmodell).  

 Animation eines rotierenden Methanmoleküls

 


1.1.4 Vollständige Verbrennung:

        
2 O2 +      CH4     →     CO2 + 2 H2O           ΔH = - 888 kJ/mol

1l Methan benötigt zur vollständigen Verbrennung 10 Liter Luft (2 l Sauerstoff).