Alkane

Methan wird vollständig verbrannt. Die entstehenden Gase und Dämpfe werden durch zwei Nachweisreagenzien geleitet: Wassernachweis mit wasserfreiem Kupfersulfat (wird blau) oder WaTesMo-Papier (Blaufärbung zeigt Wasser an) → Methan enthält Wasserstoff. CO₂-Nachweis mit Kalkwasser Ca(OH)₂: Trübung durch CaCO₃-Bildung → Methan enthält Kohlenstoff.

Die vier bindenden Elektronenpaare stoßen sich gemäß dem VSEPR-Modell (Valence Shell Electron Pair Repulsion) so weit wie möglich ab. Maximale Abstoßung ergibt eine tetraedrische Anordnung mit einem Bindungswinkel von 109,5°. In der vereinfachten Strukturformel zeichnet man 90°-Winkel, weil man so tut, als würde man von oben auf das Molekül blicken.

Bei der Verbrennung ändert sich die Oxidationszahl des Kohlenstoffs von −IV (in CH₄) auf +IV (in CO₂) → Oxidation. Der Sauerstoff wird von 0 (O₂) auf −II (in CO₂ und H₂O) reduziert → Reduktion. Es findet also ein Elektronenübergang statt: Methan ist das Reduktionsmittel, Sauerstoff das Oxidationsmittel. → Oxidationszahlen (Kl. 9)

Das negative Vorzeichen zeigt, dass Energie abgegeben wird – die Reaktion ist exotherm. Pro Mol verbranntem Methan (= 16 g) werden 888 kJ Wärmeenergie freigesetzt. Das erklärt, warum Methan (Erdgas) als Energieträger zum Heizen und Kochen eingesetzt wird. Mehr zur Reaktionsenthalpie: → Enthalpie (Kursstufe)

Methan kommt natürlich in Erdgas (Hauptbestandteil), Sumpfgas (Zersetzung organischer Stoffe unter Wasser), Biogas (Gärung) und Grubengas (Steinkohlebergbau) vor. Als Treibhausgas ist CH₄ etwa 25-mal klimawirksamer als CO₂ (bezogen auf 100 Jahre), weil es Infrarotstrahlung besonders effektiv absorbiert.

Konstitutionsisomere sind Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Verknüpfung der Atome. Bei C₄H₁₀ gibt es zwei Isomere: n-Butan (unverzweigte Kette) und 2-Methylpropan (Isobutan) (verzweigte Kette). Sie unterscheiden sich in physikalischen Eigenschaften wie dem Siedepunkt, kaum aber in chemischen Reaktionen. Mit steigender C-Zahl nimmt die Zahl möglicher Isomere stark zu (C₅: 3, C₁₀: 75).

Beide Isomere sind unpolar und besitzen nur Van-der-Waals-Kräfte als Wechselwirkung zwischen den Molekülen. Die gestreckte Kette von n-Butan ermöglicht eine größere Kontaktfläche zwischen benachbarten Molekülen als die kompaktere, kugelförmigere Gestalt von Isobutan. Größere Kontaktfläche → stärkere Van-der-Waals-Kräfte → höherer Siedepunkt (n-Butan: −0,5 °C; Isobutan: −12 °C).

Die Summenformel gibt nur die Anzahl der Atome an (C₄H₁₀), nicht deren Anordnung. Die Strukturformel zeigt alle Bindungsstriche explizit – anschaulich, aber bei großen Molekülen aufwendig. Die Halbstrukturformel ist ein Kompromiss: Das C-Gerüst wird ausgeschrieben, H-Atome werden als Anzahl hinter das jeweilige C-Atom gesetzt. Isobutan: CH₃–CH(CH₃)–CH₃ · n-Butan: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.

Butan wird wegen seiner leichten Verflüssigbarkeit unter Druck vielfältig eingesetzt: als Heizgas in Gaskartuschen beim Camping, als Kältemittel (FCKW-Ersatz in Kühlschränken), als Treibgas in Sprühdosen und als Feuerzeuggas (oft zusammen mit Propan).

Vollständige Verbrennung:
2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O
Kontrolle: C: 8 = 8 ✓ · H: 20 = 20 ✓ · O: 26 = 26 ✓
Die Reaktion ist stark exotherm – deshalb wird Butan als Brennstoff genutzt.

Eine homologe Reihe ist eine Gruppe organischer Verbindungen, deren aufeinanderfolgende Glieder sich jeweils um eine –CH₂–-Gruppe unterscheiden. Alle Glieder haben die gleiche allgemeine Summenformel (CₙH₂ₙ₊₂ für Alkane), ähnliche chemische Eigenschaften und kontinuierlich variierende physikalische Eigenschaften (Siedepunkt, Dichte etc.).

Mit steigender Kettenlänge wächst die Moleküloberfläche. Über diese Fläche wirken Van-der-Waals-Kräfte – je größer die Fläche, desto stärker die Anziehung zwischen den Molekülen. Ab einer bestimmten Kettenlänge reicht die Wärmeenergie bei Raumtemperatur nicht mehr aus, die Moleküle voneinander zu trennen: C₁–C₄ gasförmig · C₅–C₁₆ flüssig · ab C₁₇ fest. → Eigenschaften der Alkane

Man schreibt das Kohlenstoffgerüst in einer Kette und ergänzt H-Atome so, dass jedes C-Atom vierwertig ist: Die beiden Endgruppen sind immer CH₃–, jede mittlere Gruppe ist –CH₂–. Beispiel n-Hexan (C₆H₁₄): CH₃–(CH₂)₄–CH₃. Die Klammernotation (CH₂)ₙ spart Schreibarbeit bei langen Ketten.

Alkane sind unpolare Moleküle – es gibt keine Partialladungen und keine Wasserstoffbrückenbindungen. Wasser dagegen ist polar und bildet starke Wasserstoffbrücken zwischen seinen Molekülen. Ein unpolares Alkan könnte diese Netzstruktur nicht ersetzen, daher ist das Einbringen energetisch ungünstig – „similia similibus solvuntur" (Gleiches löst Gleiches). In anderen unpolaren Lösungsmitteln (Benzin, Ether) lösen sich Alkane dagegen gut.

Mit der allgemeinen Formel CₙH₂ₙ₊₂: Einfach n einsetzen.
Beispiel n = 8 (Octan): C₈H₂·₈₊₂ = C₈H₁₈ ✓
Umgekehrt: Aus der Summenformel C₁₂H₂₆ folgt 2n+2 = 26 → n = 12 → Dodecan.
Kontrolle: Molare Masse = 12·12 + 26·1 = 170 g/mol.

Ein Alkan ist ein gesättigter Kohlenwasserstoff mit der allgemeinen Formel C_nH_2n+2. Ein Alkylrest entsteht, wenn man einem Alkan-Molekül ein Wasserstoff-Atom „entfernt"; seine allgemeine Formel lautet –C_nH_2n+1. Alkylreste treten als Seitenketten in verzweigten Alkanen auf – zum Beispiel der Methylrest (–CH₃) oder der Ethylrest (–C₂H₅).

Man sucht die längste zusammenhängende Kohlenstoffkette im Molekül. Es hilft, die Kette gedanklich „glatt zu bügeln". Der Name des entsprechenden unverzweigten Alkans (Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan …) bildet den Stammnamen. Bei gleich langen Ketten wählt man diejenige, die die meisten Seitenketten trägt.

Die Regel der niedrigsten Lokanten sorgt dafür, dass es für jede Verbindung nur einen eindeutigen IUPAC-Namen gibt. Die Hauptkette wird von dem Ende aus nummeriert, das dem ersten Verzweigungspunkt am nächsten liegt. So ergibt sich beispielsweise „2-Methylbutan" statt „3-Methylbutan" für dieselbe Verbindung.

Treten gleiche Seitenketten mehrfach auf, wird die Anzahl als Zahlwort vor den Seitenkettenname gesetzt: Di- (2×), Tri- (3×), Tetra- (4×), Penta- (5×). Alle zugehörigen Lokanten werden aufgelistet, z. B. „2,4-Dimethyl" für zwei Methylgruppen an C-Atom 2 und 4. Wichtig: Diese Zahlvorsilben werden bei der alphabetischen Sortierung der Seitenketten nicht berücksichtigt.

Verschiedene Seitenketten werden alphabetisch nach dem Namen der Alkylgruppe geordnet – dabei bleiben Zahlvorsilben wie Di- oder Tri- außer Acht. Ethyl (E) kommt daher vor Methyl (M), also z. B.: „3-Ethyl-2,4-dimethylpentan". Mehr zur Nomenklatur der nächsten Stoffklasse findest du auf der Seite → Nomenklatur der Alkene (Kl. 10).

Konstitutionsisomere (auch Strukturisomere) sind Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber verschiedener Verknüpfung der Atome. Sie sind vollständig verschiedene chemische Verbindungen mit eigenen Eigenschaften (Siedepunkt, Schmelzpunkt, Dichte). Alle 9 Isomere von C₇H₁₆ gehören zur Gruppe der Konstitutionsisomere.

Man geht nach folgendem Schema vor: (1) Längste unverzweigte Kette (hier: n-Heptan, 7 C). (2) Hauptkette um 1 kürzen und eine Methylgruppe anbringen – dabei alle unterschiedlichen Positionen prüfen (→ 2-Methylhexan, 3-Methylhexan). (3) Hauptkette nochmals kürzen, zwei Seitenketten anbringen usw. Wichtig: Immer prüfen, ob ein neues Gebilde wirklich verschieden von bereits gefundenen ist.

Beide haben eine 6 C-Atome lange Hauptkette (Hexan) und eine Methylgruppe als Seitenkette – aber an verschiedenen Positionen: Bei 2-Methylhexan sitzt die Methylgruppe an C-2, bei 3-Methylhexan an C-3. Gleiche Summenformel, verschiedene Struktur → verschiedene Eigenschaften.

Je stärker verzweigt ein Alkan ist, desto kugelförmiger (kompakter) ist das Molekül – die Oberfläche ist kleiner. Damit werden die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen schwächer. Weniger Anziehungskräfte bedeuten: Das Molekül lässt sich leichter aus dem flüssigen Zustand herauslösen → niedrigerer Siedepunkt. Mehr dazu auf der nächsten Seite: → Eigenschaften der Alkane.

C₅H₁₂ (Pentan) hat 3 Konstitutionsisomere: n-Pentan (5 C unverzweigt), 2-Methylbutan (4 C-Kette + 1 Methylgruppe an C-2) und 2,2-Dimethylpropan (3 C-Kette + 2 Methylgruppen an C-2, auch „Neopentan" genannt). Zum Vergleich: C₄H₁₀ hat 2 Isomere, C₆H₁₄ hat 5 Isomere.

Die C–C- und C–H-Bindungen in Alkanen sind sehr stark und fast unpolar (Elektronegativitätsunterschied sehr gering). Dadurch bieten Alkane weder freie Elektronenpaare (kein Angriffspunkt für Elektrophile) noch eine Elektronenpaarlücke (kein Angriffspunkt für Nucleophile). Auch eine Protonenabgabe findet praktisch nicht statt. Nur unter extremen Bedingungen – sehr hohe Temperaturen oder UV-Licht – kommt es zur homolytischen Bindungsspaltung und damit zu einer radikalischen Reaktion.

Mit jedem zusätzlichen C-Atom wächst die Moleküloberfläche. Größere Oberfläche bedeutet mehr Kontaktfläche zwischen den Molekülen und damit stärkere van-der-Waals-Kräfte. Um ein Molekül aus dem flüssigen Zustand zu befreien, muss mehr Energie aufgewendet werden → der Siedepunkt steigt. Methan (C₁) siedet bei –162 °C, Hexan (C₆) bereits bei +69 °C.

Wasser ist ein stark polares Lösungsmittel, das ausgeprägte Wasserstoffbrücken zwischen seinen Molekülen ausbildet. Alkane sind unpolar und können keine entsprechenden Wechselwirkungen mit Wasser eingehen. Nach dem Prinzip „Gleiches löst Gleiches" (lat. similia similibus solvantur) bleiben Alkane in Wasser ungelöst und bilden eine separate Phase (z. B. Öl auf Wasser). Salze lösen Alkane ebenfalls nicht auf, da Alkane keine Solvationshüllen um Ionen ausbilden können.

Je stärker ein Alkan verzweigt ist, desto kompakter (kugelförmiger) ist das Molekül. Die Oberfläche, über die van-der-Waals-Kräfte wirken können, wird kleiner → die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen sind schwächer → der Siedepunkt sinkt. Beispiel: n-Pentan (unverzweigt) siedet bei 36 °C, 2,2-Dimethylpropan (stark verzweigt) bereits bei 9 °C – obwohl beide die gleiche Summenformel C₅H₁₂ haben. Mehr dazu unter: → Isomere von C₇H₁₆.

Bei der homolytischen Spaltung teilen sich beide Bindungspartner die gemeinsamen Elektronen gleichmäßig auf – jedes Atom erhält ein Elektron. Es entstehen Radikale (Teilchen mit einem ungepaarten Elektron), die sehr reaktiv sind. Dies geschieht bei Alkanen nur unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder UV-Strahlung. Es ist die Grundlage der radikalischen Substitution. Im Gegensatz dazu werden bei der heterolytischen Spaltung beide Elektronen von einem Partner behalten.

Bei einer Substitution wird ein Atom oder eine Atomgruppe in einem Molekül durch ein anderes Atom ersetzt. Bei der radikalischen Substitution (S_R) übernehmen Radikale die Angreiferrolle. Bei der Bromierung von Methan wird ein H-Atom durch ein Br-Atom ersetzt: CH₄ + Br₂ → CH₃Br + HBr. Die Reaktion läuft als Kettenreaktion in drei Stufen ab: Startreaktion, Kettenreaktion, Abbruchreaktion.

Die Reaktion beginnt mit der Startreaktion: Licht (hν) liefert die nötige Energie, um die Br–Br-Bindung homolytisch zu spalten – jedes Br-Atom erhält ein Elektron und wird zum Radikal (Br•). Diese Br-Radikale lösen die Kettenreaktion aus. Ohne Lichtzufuhr findet keine Startreaktion statt, und die Gesamtreaktion kommt nicht in Gang.

1. Startreaktion: Br₂ →(hν)→ 2 Br• (einmalig, braucht Energie).
2. Kettenreaktion (läuft sehr oft ab):
  Br• + CH₄ → HBr + CH₃• (Br-Radikal zieht H ab)
  CH₃• + Br₂ → CH₃Br + Br• (Methyl-Radikal greift Br₂ an, neues Br• entsteht)
3. Abbruchreaktion: Zwei Radikale rekombinieren, z. B. CH₃• + Br• → CH₃Br. Die Kette bricht ab.

Halogenatome sind größer und polarisierbarer als Wasserstoff-Atome. Dadurch sind die van-der-Waals-Kräfte zwischen Halogenalkanmolekülen stärker als zwischen reinen Alkanmolekülen gleicher Kettenlänge. Stärkere ZMK bedeuten mehr Energie zum Verdampfen → höherer Siedepunkt. Zusätzlich besitzen C–X-Bindungen (X = Halogen) einen Dipolcharakter, der weitere Anziehungskräfte beiträgt.

Die Beilsteinprobe ist ein einfacher Nachweis für halogenhaltige organische Verbindungen. Dazu wird ein Kupferdraht in der Flamme erhitzt und dann kurz in die Probe getaucht. Enthält die Substanz Halogene (Cl, Br, I), färbt sich die Flamme charakteristisch grün (durch Kupferhalogenid-Verbindungen). Beim Versuch in 1.9.1 wurde so bestätigt, dass die entstandene Flüssigkeit ein Bromalkan ist.

Alkane sind Kohlenwasserstoffe, die ausschließlich Einfachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen besitzen. Die allgemeine Formel lautet CₙH₂ₙ₊₂. „Gesättigt" bedeutet, dass jedes C-Atom die maximale Anzahl an H-Atomen trägt – es gibt keine Doppel- oder Dreifachbindungen, an die weitere Atome addiert werden könnten. Beispiele: Methan CH₄, Ethan C₂H₆, Propan C₃H₈.

Mit zunehmender Kettenlänge steigt die Moleküloberfläche, über die Van-der-Waals-Kräfte wirken. Mehr Kontaktfläche bedeutet stärkere intermolekulare Anziehung – daher muss mehr Energie aufgewendet werden, um die Moleküle voneinander zu trennen, was sich in einem höheren Siedepunkt zeigt. → Homologe Reihe

1. Startreaktion: UV-Licht spaltet Cl₂ homolytisch in zwei Chlorradikale (Cl•).
2. Kettenreaktion: Cl• greift CH₄ an → HCl + CH₃•; CH₃• reagiert mit Cl₂ → CH₃Cl + Cl• (Kette läuft weiter).
3. Abbruchreaktion: Zwei beliebige Radikale verbinden sich zu einem stabilen Molekül – die Kette bricht ab.
Das Verhältnis der Produkte (Mono-, Di-, Trichlormethan …) hängt von den Bedingungen ab. → Radikalische Substitution

Elektrophile sind elektronenarme Teilchen, die Elektronenpaare suchen (Lewis-Säuren).
Nucleophile sind elektronenreiche Teilchen mit freien Elektronenpaaren (Lewis-Basen).
Radikale sind Teilchen mit einem ungepaarten Elektron; sie entstehen durch homolytische Bindungsspaltung (z. B. durch UV-Licht) und sind besonders reaktiv. → Angriffsfreudige Teilchen

Schrittweise Vorgehensweise:
1. Längste durchgehende Kohlenstoffkette = Hauptkette → gibt den Stammnamen.
2. Nummerierung: von der Seite beginnen, die den ersten Substituenten mit der kleinsten Zahl ergibt.
3. Substituenten: Alkylgruppen mit Lokant und Namen (z. B. 2-Methyl-). Mehrere gleiche: di-, tri-, tetra-. Alphabetische Reihenfolge bei verschiedenen.
Beispiel: 3-Ethyl-2,2-dimethylhexan. → Genfer Nomenklatur

Eine homologe Reihe ist eine Gruppe organischer Verbindungen mit gleicher funktioneller Gruppe und gleichem Reaktionsverhalten, deren Glieder sich jeweils um eine CH₂-Einheit unterscheiden. Mit steigender Kettenlänge nehmen Siedepunkt und Viskosität zu, während die Löslichkeit in Wasser meist abnimmt. Beispiele: Methan–Ethan–Propan–Butan (Alkane) oder Methanol–Ethanol–Propanol (Alkohole).

Eine funktionelle Gruppe ist ein Atom oder eine Atomgruppe im Molekül, die das typische chemische Verhalten einer Stoffklasse bestimmt. In der Organischen Chemie der 10. Klasse begegnen dir: die Hydroxylgruppe –OH (Alkohole), die Carbonylgruppe C=O (Aldehyde und Ketone) und die Carboxylgruppe –COOH (Carbonsäuren).

Alkane (Formel CₙH₂ₙ₊₂) besitzen nur Einfachbindungen und reagieren durch radikalische Substitution. Alkene (CₙH₂ₙ) haben mindestens eine C=C-Doppelbindung und reagieren typischerweise durch elektrophile Addition. Alkine (CₙH₂ₙ₋₂) besitzen eine C≡C-Dreifachbindung und sind reaktiver als Alkane, aber ähnlich wie Alkene durch Addition reaktiv. → Vergleich Ethen/Ethan

Bei einem primären Alkohol trägt das C-Atom mit der –OH-Gruppe nur einen weiteren C-Substituenten (z. B. Ethanol). Beim sekundären Alkohol sind es zwei, beim tertiären drei C-Substituenten. Diese Unterscheidung ist wichtig für die Oxidierbarkeit: Primäre und sekundäre Alkohole können zu Aldehyden bzw. Ketonen oxidiert werden; tertiäre Alkohole sind unter normalen Bedingungen nicht oxidierbar. → Mehr dazu

Die radikalische Substitution verläuft in drei Schritten: Startreaktion (Homolytische Spaltung der Cl–Cl-Bindung durch UV-Licht → 2 Cl•), Kettenreaktion (Cl• + CH₄ → CH₃• + HCl; CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•) und Abbruchreaktion (zwei Radikale verbinden sich). Das Verhältnis der Produkte hängt von den Reaktionsbedingungen ab. → Radikalische Substitution