Zuletzt geändert: Mo, 21.11.2005

«K12/K13» Alkane «PDF», «POD»




0.0.1 Alkane

Eine einfache Stoffgruppe der organischen Chemie sind die Alkane. Dabei handelt es sich um eine spezielle Gruppe der Kohlenwasserstoffe (KW). Alle Alkane gehorchen folgendem Prinzip: \text{C}_n \text{H}_{2n + 2}CnH2n+2

FormelBezeichnung
\text{CH}_4CH4Methan
\text{C}_2\text{H}_6C2H6Ethan
\text{C}_3\text{H}_8C3H8Propan1
\text{C}_4\text{H}_{10}C4H10Butan
\text{C}_5\text{H}_{12}C5H12Pentan
\text{C}_6\text{H}_{14}C6H14Hexan
\text{C}_7\text{H}_{16}C7H16Heptan
\text{C}_8\text{H}_{18}C8H18Octan
\text{C}_9\text{H}_{20}C9H20Nonan
\text{C}_{10}\text{H}_{22}C10H22Decan

Homologe Reihe der Alkane, unterschiedlich lange C-Ketten mit C-C (sp³/sp³) und C-H (sp³/s)-Bindungen (\sigmaσ-Bindungen)

Beispiele:

Methan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccc} {} & | & \\ {} - & \text{C} & - \\ {} & | & \end{array} C

Ethan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccc} {} & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & \end{array} CC

Propan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & \end{array} CCC

Butan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccc} {} & | & & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & & | & \end{array} CCCC

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & | & & & \\ {} & & - & \text{C} & - & & \\ {} & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & \end{array} C CCC

Pentan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccc} {} & | & & | & & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & \end{array} CCCCC

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccc} {} & & & & & | & & & \\ {} & & & & - & \text{C} & - & & \\ {} & | & & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & & | & \end{array} C CCCC

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & | & & & \\ {} & & - & \text{C} & - & & \\ {} & & & | & & & \\ {} & & - & \text{C} & - & & \\ {} & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & \end{array} C C CCC

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & & | & & & \\ {} & & - & \text{C} & - & & \\ {} & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & \\ {} & & - & \text{C} & - & & \\ {} & & & | & & & \end{array} C CCC C

Hexan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccccc} {} & | & & | & & | & & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & | & \end{array} CCCCCC

0.0.1.1 Alkane und ihre Eigenschaften
Siedepunkte/Schmelzpunkte

In der homologen Reihe der Alkane nehmen mit zunehmender Molekülgröße die Siede-/Schmelzpunkte zu.

Erklärung:

\text{CH}_4CH4:

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{cccccl} {} & | & & & & \text{V.d.W.-Wechsel-} \\ {} - & \text{C} & - & & & \text{wirkungen} \\ {} & | & & & & \\ {} & & & | & & \\ {} & & - & \text{C} & - & \\ {} & & & | & & \end{array} V.d.W.-Wechsel- C wirkungen C

\text{C}_5\text{H}_{12}C5H12:

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccccl} {} & | & & | & & | & & | & & | & & \hspace*{3mm} & \text{Summe der V.d.W.-} \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & \text{wirkungen wird mit} \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & & \text{steigernder Ketten-} \\ {} & \updownarrow & & \updownarrow & & \updownarrow & & \updownarrow & & \updownarrow & & & \text{l"ange gr"o"ser} \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & & \end{array} Summe der V.d.W.- CCCCC wirkungen wird mit steigernder Ketten- l”ange gr”o”ser CCCCC

V.d.W.-Wechselwirkungen: Grundlage Dipol-Wechselwirkungen! Durch bewegte Ladung (e^-e) enstehen momentane Dipole, die such kurzzeitig anziehen können → schwache Wechselwirkungen

Viskosität

In der homologen Reihe steigt mit zunehmender Kettenlänge die Viskosität an (→ V.d.W.!).

Bei steigender Temperatur sinkt die Viskosität.

Löslichkeit

Alkane besitzen eine sehr geringe Löslichkeit in Wasser. Höhere Homologe lösen sich gar nicht in Wasser. Erklärung: Wasser ist polar, Alkane sind unplar → keine Hydrathülle (angelagerte Wassermoleküle) möglich!

Alkane lösen sich nur in unpolaren Lösungsmitteln (da unpolare Moleküle des Lösemittels das Alkan umhüllen können).

Alkane sind somit hydrophob bzw. lipophil.

Ähnliches löst in Ähnlichem!

0.0.1.2 Alkane und ihre Isomere

Beispiel: Butan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{cccccccccccccccccc} {} & & & & & & & & & & & & & | & & & & \\ {} & & & & & & & & & & & & - & \text{C} & - & & & \\ {} & | & & | & & | & & | & & & & | & & | & & | & & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \hspace*{13mm} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \\ {} & | & & | & & | & & | & & & & | & & | & & | & & \end{array} C CCCC CCC

Es muss zwei verschiedene "Stoffe" von der Verbindung Butan geben, da sie sich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden.

Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften ergeben sich aus der verschiedenen Struktur der Moleküle (je geradkettiger das Molekül, desto mehr V.d.W.-Kräfte, desto höher z.B. Siedepunkte).

Da es sich bei beiden Verbindungen um Moleküle mit der gleichen Summenformel handelt, unterscheidet man sie als Isomere, sie sind isomer (selbe Summenformel, unterschiedliche Strukturformel).

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{cccccccccccccccccccl} {} & & & & & | & & & & & & & & & & & & & & \\ {} & & & & - & \text{C} & - & & & & & & & & & & & & & \\ {} & | & & | & & | & & & \hspace*{5mm}=\hspace*{5mm} & & | & & | & & | & & | & & \hspace*{5mm} & \text{(geht durch Drehung um} \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & \sigma\text{-Bindung ineinander} \\ {} & | & & | & & | & & & & & | & & | & & | & & | & & & \text{über → identisches Molekül)} \end{array} C = (geht durch Drehung um CCC CCCC σ-Bindung ineinander ber  identisches Molekl)

[BTW, bei \sigmaσ-Bindungen gibt's immer Drehungen, weil immer ein bisschen Energie da ist]

Kann eine Struktur nicht durch Drehung, sondern muss durch Lösen/Neuknüpfen einer Bindung gebildet werden, so handelt es sich um ein Isomer.

0.0.1.3 Nomenklatur der Alkane

Da es von einem Alkan mehrere Arten (Isomere) gibt, wird es nötig, die einzelnen Isomere mit Namen voneinander zu unterscheiden.

Regeln der Namensgebung:

  1. Längste Kohlenstoffkette bestimmen und benennen (→ Namensschluss).

  2. Seitenketten ermitteln und benennen (-yl), alphabetisch.

  3. Anzahl der Seitenketten ermitteln und mit griechischen Zahlwörtern kennzeichnen (voranstellen).

  4. Verknüpfung zwischen Haupt- und Seitenketten ermitteln, "Durchnummerieren" der Hauptkette, sodass sich kleinstmögliche Zahlen für die Verknüpfungsstellen ergeben.

Z.B.: 4,5-Diethyl-3,7-dimethyl-7-propylundecan:

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccccc} {} & & & & & | & & | & & & & & \\ {} & & & & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & & & \\ {} & & & & & | & & | & & & & & \\ {} & & & & & | & & | & & & & & \\ {} & & & & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & & & \\ {} & & & & & | & & | & & & & & \\ {} & & & & & | & & | & & | & & & \\ {} & & & & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & & & & & \\ {} & | & & | & & | & & & & & & & \\ {} & & & & - & \text{C} & - & & & & & & \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - \\ {} & | & & | & & | & & | & & | & & | & \\ {} - & \text{C} & & & - & \text{C} & - & & & & & & \\ {} & | & & & & | & & & & & & & \\ {} - & \text{C} & - & & & & & & & & & & \\ {} & | & & & & & & & & & & & \end{array} CC CC CCC CCC C CCCCCC C C C

Ergänzung der Regeln:

  • Die Angabe des "Verzweigungsortes" erfolgt vor der Angabe der Verzweigungsart.

  • Die alphabetische Anordnung wird ohne Berücksichtigung der griechischen Zahlvorsilben vorgenommen.

  • Die Angabe n- deutet darauf hin, dass es sich um ein unverzweigtes Alkan handelt.

0.0.1.4 Alkane und ihre chemischen Eigenschaften
Brennbarkeit

Je weniger C-Atome, desto leichter brennbar.

Bei längeren C-Ketten muss eine zusätzliche Zufuhr von Sauerstoff gewährleistet sein, um den Stoff zu verbrennen!

\text{C}_4\text{H}_{10} + 6{,}5\,\text{O}_2 \longrightarrow 4\,\text{CO}_2 + 5\,\text{H}_2\text{O}C4H10+ 6,5O24CO2 + 5H2O

\text{C}_{10}\text{H}_{22} + 16{,}5\,\text{O}_2 \longrightarrow 5\,\text{CO}_2 + 11\,\text{H}_2\text{O} + 5\,\text{C}C10H22+ 16,5O25CO2 + 11H2O + 5C

[Die Menge des entstehenden elementaren Kohlenstoffs wurde von uns gewählt; man kann sie nicht aus der Gleichung ablesen]

Wenn höhere Alkane ohne ausreichende Sauerstoffzufuhr verbrannt werden, entsteht dabei elementarer Kohlenstoff (Ruß, gelbe Flamme).

0.0.1.5 Reaktionen der Alkane mit Halogenen

Alkane zeigen eine Reaktion mit Halogenen.

Z.B.: Methan mit Chlor wird u.a. zu z.B. Chlor-Methan (\text{CH}_3\text{Cl}CH3Cl)

→ Substitutionsreaktion: Das H-Atom wird durch ein Halogen-Atom ersetzt!

Reaktionsmechanismus:

  • \text{Cl}_2 \stackrel{\text{Licht}}{\longrightarrow} 2 \,\text{Cl}\cdotCl2Licht2Cl (homolytische Trennung; das \text{Cl}\cdotCl ist ein Radikal, es stößt wietere Reaktion an, es sucht Edelgaszustand)

  • \text{Cl}\!\cdot +\, \text{CH}_4 \longrightarrow \text{HCl} + \cdot\text{CH}_3Cl +CH4HCl + CH3 [das \text{Cl}\cdotCl-Radikal reißt ein \text{H}\cdotH des \text{CH}_4CH4 'raus]

  • \text{Cl}\!\cdot +\, \cdot\!\text{CH}_3 \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl}Cl + CH3CH3Cl

Weitere Möglichkeiten für den Reaktionsmechanismus:

  • Startreaktion (bildet Radikale):

    \text{Cl}_2 \stackrel{\text{Licht}}{\longrightarrow} 2\, \text{Cl}\cdotCl2Licht2Cl

  • Kettenreaktion (Radikale als Edukte und Produkte):

    \text{Cl}\!\cdot +\, \text{CH}_4 \longrightarrow \text{CH}_3\!\cdot +\, \text{HCl}Cl +CH4CH3 +HCl

    \text{CH}_3\!\cdot +\, \cdot\!\text{Cl} \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl}CH3 + ClCH3Cl

    a)

    \text{CH}_3\!\cdot +\, \text{Cl}_2 \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}\cdotCH3 +Cl2CH3Cl + Cl

    b)

    \text{CH}_3\!\cdot +\, \text{CH}_4 \longrightarrow \text{CH}_4 + \text{CH}_3\cdotCH3 +CH4CH4 + CH3

  • Stoppreaktion (vernichtet Radikale durch gegenseitiges Abreagieren):

    \text{CH}_3\!\cdot +\, \cdot\!\text{CH}_3 \longrightarrow \text{C}_2\text{H}_6CH3 + CH3C2H6

    \text{Cl}\!\cdot +\, \cdot\!\text{Cl} \longrightarrow \text{Cl}_2Cl + ClCl2

Alle Produkte dieser radikalischen Substitution basieren auf zu­fäl­li­gen Bildungen. Es hängt vom Reaktionspartner ab, auf den das Radikal zufällig trifft (→ Statistik!).

\text{C}_2\text{H}_4\text{Cl}_2C2H4Cl2 aus \text{CH}_4CH4 und \text{Cl}_2Cl2?

  • \text{Cl}\!\cdot +\, \text{CH}_4 \longrightarrow \text{CH}_3\!\cdot +\, \text{HCl}Cl +CH4CH3 +HCl

  • \text{CH}_3\!\cdot +\, \text{CH}_3\cdot \longrightarrow \text{C}_2\text{H}_6CH3 +CH3 C2H6 [unwahrscheinlich]

  • \text{C}_2\text{H}_6 + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \text{C}_2\text{H}_5\!\cdot +\, \text{HCl}C2H6+ Cl C2H5 +HCl [unwahrscheinlich]

[→ Also ist es möglich, aber dauert sehr lange]

  • \text{C}_2\text{H}_4\text{Cl}_2C2H4Cl2: 1,1-Dichlorethan

  • \setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & | & & | & & \\ {} \text{Cl} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{Cl} \\ {} & & | & & | & & \end{array} ClCCCl

    1,2-Dichlorethan

Von Dichlorethan existieren mehrere Isomere. Betrachtet man ein Isomer, so fällt auf, dass es mehrere Konformere davon gibt.

Def.: Konformere sind Moleküöe mit der gleichen Verknüpfung, aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung der Atome. Sie entstehen aus einer spontanen Drehung um eine \sigmaσ-Bindung.

Darstellung als Newman-Projektion:

.cache/89212c6798c6140937b467c4d93f2709.png
Size: 313x171
Scaled to: 313x171

Weiteres Beispiel: \text{C}_2\text{H}_4\text{Cl}_2C2H4Cl2

.cache/d5e06d1327d77ad2fe01d607746700ff.png
Size: 606x278
Scaled to: 606x278
0.0.1.6 Cycloalkane

Allgemeine Formel der Cycloalkane: \text{C}_n\text{H}_{2n}CnH2n (es fehlen die entständigen H-Atome)

Charakterisierung durch den Besitz von -\text{CH}_2-CH2-Gruppen.

→ Unterschiedliches Reaktionsverhalten! Nur wenig stabile Vertreter [\text{C}_5C5 bis \text{C}_8C8]

Beispiele:

Cyclohexan (\text{C}_6\text{H}_{12}C6H12)
.cache/f607f26e57d72361a3c361c7358d5a93.png
Size: 284x146
Scaled to: 284x146

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccc} {} & & \backslash{} & & / & & \\ {} & & & \text{C} & & & \\ {} & | & / & & \backslash{} & | & \\ {} - & \text{C} & & & & \text{C} & - \\ {} & | & & & & | & \\ {} - & \text{C} & & & & \text{C} & - \\ {} & | & \backslash{} & & / & | & \\ {} & & & \text{C} & & & \\ {} & & / & & \backslash{} & & \end{array} C C C C C C

.cache/e88e2f8eaa84354244cb3bc8ee9120af.png
Size: 573x131
Scaled to: 573x131

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{cccccccccccccccccc} {} & | & & | & & | & & \hspace*{7cm} & & | & & | & & | & & | & & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & \\ {} & | & & | & & | & & & & & \backslash{} & & & & / & & & \\ {} - & \text{C} & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & & & - & \text{C} & - & \text{C} & - & & & \\ {} & | & & | & & | & & & & & & | & & | & & & & \end{array} CCC CCCC CCC CC

[XXX: Diese letzten beiden Zeichnungen sind teilweise inkorrekt.]

.cache/fd97afc192e48f04d82c55ff20499423.png
Size: 453x242
Scaled to: 453x242

Sesselkonformation: Hier alle Bindungen/Partner auf Lücke

→ weniger Spannung im Molekül \mathrel{\widehat{=}} = ̂ ist energetisch günstiger

[Das ist auch sichtbar in der "anderen Darstellung" ("räumliche Darstellung"): Der Winkel zu den H-Atomen (nicht eingezeichnet, die Ecken repräsentieren die C-Atome, von denen ausgehend geht's zu den H-Atomen) ist der Tetraederwinkel.]

Cyclooctan
.cache/4e7bae5d45a567a61cbf5dfee7d207ff.png
Size: 261x95
Scaled to: 261x95
Cyclopentan
.cache/0862d72a3c702535c22394245581bc44.png
Size: 363x283
Scaled to: 363x283

Durch Rotation um \text{C}C-\text{C}C-Bindungen entsteht [beim Cyclopentan] kein energetisch unterschiedliches Konformeres.

Butan

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccc} {} \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \\ {} & \text{C}_{\text{1}} & & & & \text{C}_{\text{3}} & & & \\ {} \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup \\ {} & & & \text{C}_{\text{2}} & & & & \text{C}_{\text{4}} & \\ {} & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown \end{array}\ / \ / C1 C3 / \ / \ / C 2 C4 / \ / \

  • Blick auf \text{C}_{\text{1}}C 1-\text{C}_{\text{2}}C 2-Bindung:

    .cache/9323d602f8438b8e4905a44dbb46c180.png
Size: 125x139
Scaled to: 125x139
  • Blick auf \text{C}_{\text{2}}C 2-\text{C}_{\text{3}}C 3-Bindung:

    .cache/8921cf95971585132b5d852289f0a9bb.png
Size: 103x134
Scaled to: 103x134
n-Hexan [Hausaufgabe]

\setlength{\arraycolsep}{0pt} \begin{array}{ccccccccccccc} {} \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \\ {} & \text{C}_{\text{1}} & & & & \text{C}_{\text{3}} & & & & \text{C}_{\text{5}} & & & \\ {} \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup \\ {} & & & \text{C}_{\text{2}} & & & & \text{C}_{\text{4}} & & & & \text{C}_{\text{6}} & \\ {} & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown & & \diagup & & \diagdown \end{array}\ / \ / \ / C1 C3 C5 / \ / \ / \ / C 2 C4 C6 / \ / \ / \

  • Blick auf \text{C}_{\text{1}}C 1-\text{C}_{\text{2}}C 2-Bindung:

    .cache/6c19e00f6adbaccacd20848b1dd60d7a.png
Size: 109x105
Scaled to: 109x105
  • Blick auf \text{C}_{\text{2}}C 2-\text{C}_{\text{3}}C 3-Bindung:

    .cache/965e08251b626ad1241d0f7de0a598a0.png
Size: 109x114
Scaled to: 109x114
  • Blick auf \text{C}_{\text{3}}C 3-\text{C}_{\text{4}}C 4-Bindung:

    .cache/b8a78518f8bda9416c75a4135a696e25.png
Size: 121x144
Scaled to: 121x144

    [In Strukturformeln gibt es selbstverständlich keine Angaben zum Konformer, deswegen sind auch alle denkbaren Drehungen in den Newman-Projektionen zulässig.]


1.

bis hier hin etwa gasförmig, danach flüssig und zum Schluss fest