Alkane

  • 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. 


    1.1.4 Vollständige Verbrennung:

         0            -IV  +I               +IV  -II                +I  -II
    2 O2 +      CH4     →     CO2         + 2 H2O           ΔH = - 888 kJ/mol

    Verbrennung von Methan - Redoxreaktion

    Hinweis: Wenn die Ermittlungs der Oxidationszahlen Schwierigkeiten macht, dann kann man es hier nochmals nachlesen

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

  • Hinweis: 1.2 Ethan und 1.3 Propan wird nur bei ausreichend Zeit und entsprechend vorrätigen Chemikalien als einzelne Punkte besprochen. Da es aber sowieso ähnlich ist, wird an dieser Stelle auf den Heftaufschrieb verzichtet (vgl. weiter unten: Homologe Reihe).

    1.4 Butan

    1.4.1 Vorkommen

    im Erdgas, fällt an bei der Benzingewinnung

    1.4.2 Eigenschaften

    farbloses Gas, größere Dichte als Luft
    brennbar (Verbrennungsprodukte bei vollständiger Verbrennung: CO2 und H2O )
    unter Druck leicht verflüssigbar


    1.4.3 Ermittlung der Summenformel (Molekülformel) und Strukturformel

    a) Qualitative Analyse (Elementaranalyse)

    Versuchsaufbau: Verbrennungsanalyse von Butan; dabei wird das von einem Kartuschenbrenner verbtrannte Gas aufgefangen und das kondensierte Wasser und das entstandene Kohlenstoffdioxid nachgewiesen
    Die Verbrennungsprodukte (Wasser, Kohlenstoffdioxid) ergeben, dass Methan Kohlenstoff, Wasserstoff und eventuell Sauerstoff enthält

    b) Bau und Formeln

    1. Molare Masse = 58,12 g/mol
    Molekülmasse = 58,12 u

    2. Summenformel:

    C4H10

     

    3. Strukturformel:

    a) unverzweigte Kette                                           b) verzweigte Kette  

    Strukturformel von n-Butan                                  Strukturformel von 2-Methyl-Propan bzw. Isobutan

    n-Butan                                                                        Isobutan = 2-Methyl-Propan
    Sdp.: - 0,5 °C                                                                Sdp.: - 12 °C

    ZMK: nur van-der-Waals-Kräfte; bei n-Butan können sich die Moleküle dichter zusammenlagern und haben dadurch stärkere Zwischenmolekulare Kräfte, d.h. eine etwas höhere Siedetemperatur. 

    Räumliche Strukturen im Kugelstabmodell. Versucht die einzelnen Abbildungen Isobutan oder n-Butan zuzuordnen. Der Vorteil von Kugelstabmodelle sind, dass sie die Bindungen und Bindungswinkel anschaulich darstellen. 

     Kugelstabmodell - n-Butan       Kugelstabmodell von 2-Methyl-Propan bzw. Isobutan

     

     renderbild - n-Butan als Kugelstab-Modell

     

    Kalottenmodell von 2-Methyl-Propan (= Isobutan). Bei Kalottenmodellen wird die Raumfüllung deutlich. 

    Kalottenmodell - Isobutan 

     

    Da Strukturformeln bei größeren Molekülen zu lange dauern, hilft man sich mit der Halbstrukturformel aus, wobei die Wasserstoffatome quasi als Summenformel hinter das C geschrieben wird. Man schaut zunächst, wie viele Bindungen ein C schon hat und füllt dann mit so vielen H-Atomen auf, bis die Vierbindigkeit  von Kohlenstoff erfüllt ist. Hier am Beispiel von Isobutan. 

    Halbstrukturformel von Isobutan 


    1.4.4 Verwendung

    Heizgas („blaue Gaskartuschen“), Kältemittel (Ersatz für FCKW), Treibgas in Sprays, Feuerzeuggas (häufig zusammen mit Propan)

    1.4.5 Isomerie 

    (isos (griech.) = gleich; meros (griech.) = Teil)
    Verbindungen, deren Moleküle bei gleicher Summenformel unterschiedliche Strukturformeln besitzen, bezeichnet man als Isomere. Isomere Verbindungen unterscheiden sich vor allem in ihren physikalischen Eigenschaften (Schmelz- und Siedepunkt) und wenig in ihren chemischen Reaktionen.


    1.4.6 Vollständige Verbrennung (Oxidation)

    Wenn Butan vollständig verbrannt (oxidiert) wird, so entsteht dabei ausschließlich Kohlenstoffdioxid und Wasser. 

    reaktionsgleichung-vollstaendige-verbrennung-von-butan 

  • 1.5 Homologe Reihe der Alkane

    ( homo = gleich, logos = Stoff
    Allgemeine Summenformel der homologe Reihe

    Formel zur Erstellung einer allgemeinen Summenformel


    CnH2n+2


    wichtigste Eigenschaften:

    1. brennbar (bei vollständiger Verbrennung entsteht CO2 und H2O)
    2. Dichte (g/cm³) kleiner als 1
    3. in Wasser lösen sich die Alkane nicht (evtl. in Spuren), Alkane sind untereinander in jedem Verhältnis mischbar)

     

    Die homologe Reihe

    Eine Reihe von organischen Verbindungen, deren aufeinanderfolgende Glieder sich jeweils um eine bestimmte Atomgruppe, z. B. eine CH2- Gruppe unterscheiden, nennt man homologe Reihe.

     Name

    Summen-
    formel

    Strukturformel Halbstrukturformel Aggregatzustand
     Methan CH4  06-methan  CH4  gasförmig
     Ethan C2H6  06-ethan  CH3-CH3  gasförmig
     Propan C3H8  06-propan  CH3-CH2-CH3  gasförmig
     n-Butan C4H10  06-butan  CH3-CH2-CH2-CH3  gasförmig
     n-Pentan C5H12  06-pentan  CH3-CH2-CH2-CH2-CH3  flüssig
     n-Hexan C6H14  06-hexan  CH3-(CH2)4-CH3  flüssig
     n-Heptan C7H16  06-heptan  CH3-(CH2)5-CH3  flüssig
     n-Octan C8H18  06-octan  CH3-(CH2)6-CH3  flüssig
     n-Nonan C9H20  06-nonan  CH3-(CH2)7-CH3  flüssig
     n-Decan C10H22  06-decan  CH3-(CH2)8-CH3  flüssig
     n-Undecan C11H24  06-undecan  CH3-(CH2)9-CH3  flüssig
     n-Dodecan C12H26  06-dodecan  CH3-(CH2)10-CH3  flüssig
     ....        
     n-Heptadecan  C17H36  06-heptadecan  CH3-(CH2)15-CH3  fest

     

     

    Eine Reihe von organischen Verbindungen, deren aufeinanderfolgende Glieder sich jeweils um eine bestimmte Atomgruppe, z. B. eine CH2- Gruppe unterscheiden, nennt man homologe Reihe.

  • 1.6 Nomenklatur (Benennung) der Alkane

    1.6.1 Homologe Reihe der Alkane mit Alkylrest

    Ein Alkylrest enthält jeweils ein Wasserstoff-Atom weniger als das entsprechende Alkanmolekül. Alkyle finden sich oft als "Seitengruppe" verzweigter Alkane. 

    Name   Summenformel   Name d. Alklys   Summenformel  
    Methan  CH4 Methylrest  -CH3
    Ethan  C2H6 Ethylrest  -C2H5
    Propan  C3H8 Propylrest  -C3H7
    allg. Alkane  CnH2n+2 Alkylrest  -CnH2n+1


    1.6.2 Nomenklaturregel für Alkane (Genfer Nomenklatur):

    Als Beispiel soll folgendes Molekül systematisch benannt werden:

     06-01-genfer-nomenklatur

     

    1. Alkane haben die Endung -an
       
    2. Der Name des Alkans, das die Hauptkette bildet, liefert den Stammnamen des Stoffs.
      Längste Kette der Kohlenstoffkette suchen und „Glattbügeln“.
      06-02-genfer-nomenklatur
      06-03-genfer-nomenklatur

       
    3. Beispiel.: Alle Alkane mit 5 Kohlenstoff-Atomen in der längsten Kette heißen Pentan.
       
    4. Die Namen der Seitenketten werden dem Stammnamen vorangestellt. 
      06-04-genfer-nomenklatur

      Beispiel: Methyl-Ethyl-Pentan.

       
    5. Um anzuzeigen, an welchem Kohlenstoff-Atom die Seitenkette sitzt, wird die Hauptkette nummeriert. Die Verzweigungsstellen sollen dabei möglichst kleine Zahlen erhalten. Die Zahlen werden den Namen der Seitenketten vorangestellt. 
      06-04b-genfer-nomenklatur
      Beispiel: 2,4-Methyl-3-Ethyl-Pentan.

       
    6. Treten gleiche Seitenketten mehrfach in einem Molekül auf, so wird das entsprechende Zahl-wort (Di-, Tri-, Tetra-, Penta-) als Vorsilbe verwendet.
      06-05-genfer-nomenklatur 
      Beispiel: 2,4-Dimethyl-3-Ethyl-Pentan.

       
    7. Unterschiedliche Seitenketten werden alphabetisch nach dem Namen der Alkylgruppe geordnet. 

      06-06-genfer-nomenklatur

      Beispiel: 3-Ethyl-2,4-Dimethyl-Pentan.

     

    Folgende Abbildung zeigt ein weiteres Beispiel:

     Weiteres Beispiele zur Benennung von Strukturformeln nach der Genfer Nomenklatur - 3-Ethyl-2,2-Dimethylhexan

  • 1.6.3 Isomere der Summenformel C7H16

    Entwickle zur Übung die Halbstrukturformeln der Isomeren der Summenformel C7H16 und benenne die Verbindungen mit ihrem systematischen Namen! Beachte, dass es 9 unterschiedliche Isomere gibt. Im folgenden die Lösungen (mit der Maus darüberfahren, bei der Halbstrukturformel und für den Namen der Verbindung den Text in der Tabelle markieren (hat eine hellgraue Farbe). 

     

    Halbstrukturformel

    Name der Verbindung

    07-n-heptan-blank

     

    n-Heptan

     07-2-methylhexan-blank

    2-Methylhexan

     07-3-methylhexan-blank

    3-Methylhexan

     07-2-2-dimethylpentan-blank

    2,2-Dimethylpentan

     07-2-3-dimethylpentan-blank

    2,3-Dimethylpentan

     07-2-4-dimethylpentan-blank

    2,4-Dimethylpentan

     07-3-3-dimethylpentan-blank

    3,3-Dimethylpentan

     07-2-2-3-trimethylbutan-blank

    2,2,3-Trimethylbutan

     07-3-ethyl-pentan-blank

    3-Ethylpentan

    tr

  • 1.7 Struktur und Eigenschaften der Alkane

    1.7.1 Bindungsverhältnisse

    a) Bindungsverhältnisse im Molekül lassen bestimmte chemische Verhalten voraussagen:

    • sehr starke Einfachbindung
    →   reaktionsträge
    • fast unpolare Atombindung 

    →   normalerweise keine Reaktion als Säure (auch keine Eigenprotolyse), da kein Proton abgespalten wird.

    →   bei starken Erhitzen bzw. starkem Angriff kommt es zur symmetrischen (radikalischen, homolytischen) Spaltung der Bindung.
    • keine freien Elektronenpaare
    →   kann nicht als Base reagieren (kann ja kein Proton aufnehmen)
    • keine Elektronenpaarlücke
    →   kann nicht als nucleophiles Teilchen reagieren

     

    b) Bindungen bzw. Kräfte zwischen den Molekülen (ZMKs) sind verantwortlich für die physikalische Eigenschaften (Siedetemperatur, Schmelztemperatur, Löslichkeit, etc.)

    • nur van-der-Waalskräfte
    • keine Wasserstoffbrücken
    • keine Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 
    • Siedepunkt ist niedrig (steigt mit der Molekülgröße)
    • Schmelzpunkt ist niedrig (steigt mit der Molekülgröße)
    • Löslichkeit: schlecht mit Stoffen in denen starke Wasserstoffbrücken vorliegen
    • Löslichkeit: schlecht mit polaren Stoffen
    • Alkane lösen keine Salze, da sie keine Solvationshüllen ausbilden 

    Alkane sind typisch unpolare Stoffe (hydrophob, wassermeidend). 

  • 1.9 Reaktion von Alkanen mit Halogenen

    1.9.1 Versuch

    Experiment: 

    Gemisch aus 4 ml Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan) und 1,3 ml Brom werden belichtet. 
    An das entstehende Gas wird...

    •  ... Flasche mit konz. Ammoniak
    •  ... feuchtes pH-Papier

    gehalten.

     

    Es entstehen
    a) ein farbloses Gas:

    • Nebelbildung an feuchter Luft (HBr);
    • mit Ammoniak bildet sich ein weißer Rauch (Ammoniak und der Stoff reagiert zu einem porösen Salz (NH4Br);
    • angefeuchtetes Indikatorpapier färbt sich rot (Säure muss entstanden sein (HBr).

    → Die Beobachtungen sprechen dafär, dass das farblose Gas Bromwasserstoff (HBr) ist. 


    b) eine Flüssigkeit:

    • größere Dichte als Wasser;
    • Beilsteinprobe positiv (Beisteinprobe: halogenhaltige Verbindungen ergeben mit Kupfer in der Flamme eine Grünfärbung).

    → die Flüssigkeit ist Bromalkan (hauptsächlich)

     

    1.9.2 Reaktionsschema

    Alkan + Brom            ----(Belichtung)------>      Bromalkan + Bromwasserstoff

    Allgemein
    Alkan + Halogen         ----(Belichtung)------>    Halogenalkan + Halogenwasserstoff

     

    1.9.3 Reaktionsmechanismus

    (vereinfacht: statt Isooctan mit Methan) 

    Folgende Abbildung zeigt den Reaktionsmechanismus der radikalischen Substitutionsreaktion zu einem Halogenalkan unter Bildung eines Halogenwasserstoffs.

    09-reaktionsmechanismus-radikalische-substitutionsreaktion

     

    Merke: Reaktionen, bei denen Atome oder Atomgruppen einer Verbindung durch andere Atome ersetzt werden, bezeichnet man als Substitution

    Die Bromierung von Methan ist eine radikalische Substitution (SR-Reaktion).

    1.9.4 Halogenalkane

    a) Halogenalkane sind Derivate (Abkömmlinge) der Alkane.

    09-ta-chlormethan-chloroform-dichlormethan

     

    b) Eigenschaften der Halogenalkane:

    Löslichkeit

    Halogenalkane sind in Wasser unlöslich.

    Sie sind sehr gute Lösungsmittel für Alkane und Fette (hydrophobe Stoffe)

    Dichte

    Halogenalkane haben meistens eine größere Dichte als 1 g/cm³

    Siedetemperatur

    Sie liegen bei Halogenalkanen höher als die vergleichbarer Alkane (Grund: größere van-der-Waals-Kräfte)

    Brennbarkeit

    Je mehr H-Atome durch Halogen-Atome ersetzt sind, umso schlechter ist die Brennbarkeit der Halogenalkane

    c) Verwendung:

    • hervorragende Lösungsmittel: (Extraktion pflanzlicher Öle, entfetten von Metallteilen, chemische Reinigung,....) 
    • Treibgase in Sprays;
    • Kältemittel für Kühlanlagen;
    • Feuerlöschmittel (Halon, Bromtrifluormethan)
    • Desinfektionsmittel (Jodoform, Trijodmethan);
    • Insektizide (Lindan, Hexachlorcyclohexan)
  • 2.4 Vergleich: Ethen – Ethan

      Ethan Ethen
       Ethan Ethen 
     Bindungswinkel

    109,5 °

    (= Tetraederwinkel)

    120°
    C-C-Bindungsabstand 154 pm 135 pm
    C-Bindungsenergie 348 kJ/mol 614 kJ/mol
    bevorzugter Reaktionstyp

    Substitution 

    (auch Eliminierung möglich)

    Addition

    (auch Eliminierung und Substitution möglich)