Die homologe Reihe der Alkane - Überblick

Die ersten zehn Alkane haben Namen, die du dir gut merken kannst: Methan, Ethan, Propan und so weiter. Jedes Alkan unterscheidet sich vom nächsten durch genau eine CH₂-Gruppe – das macht sie zu einer homologen Reihe.

Die Summenformel für alle Alkane lautet CₙH₂ₙ₊₂. Mit dieser Formel kannst du für jedes Alkan die Anzahl der Wasserstoffatome berechnen, wenn du die Kohlenstoffatome kennst.

Je mehr Kohlenstoffatome ein Alkan hat, desto höher werden seine Schmelz- und Siedetemperaturen. Methan ist bei Raumtemperatur gasförmig $-164°C Siedetemperatur$, während Decan schon bei 174°C siedet.

Merktipp: Die allgemeine Formel CₙH₂ₙ₊₂ funktioniert immer – probier's mal mit Methan aus: C₁H₂×₁₊₂ = CH₄!

Grundlagen der Alkane

Alkane sind Kohlenwasserstoffverbindungen mit nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Du erkennst sie sofort an der Endung -an im Namen.

Das wichtigste Prinzip: Jedes Kohlenstoffatom geht immer genau 4 Bindungen ein. Es hat 4 Außenelektronen und teilt sich diese in Elektronenpaarbindungen mit anderen Atomen.

Die Alkane bilden eine homologe Reihe, weil sich jedes Molekül vom vorherigen durch eine CH₂-Gruppe unterscheidet. Das siehst du schön bei den ersten zehn: Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈) und so weiter.

Du kannst Moleküle auf drei Arten darstellen: als Valenzstrichformel (alle Bindungen gezeichnet), als verkürzte Halbstrukturformel $H₃C-CH₂-CH₃$ oder als Summenformel (C₃H₈).

Wichtig: Die 4-Bindigkeit des Kohlenstoffs ist der Schlüssel zum Verständnis aller organischen Verbindungen!

Eigenschaften der Alkane

Je länger die Kohlenstoffkette wird, desto höher werden Schmelz- und Siedetemperatur. Der Grund sind die Van-der-Waals-Kräfte – schwache Anziehungskräfte zwischen den unpolaren Alkanmolekülen.

Diese Kräfte entstehen durch kurzzeitige asymmetrische Elektronenverteilung, die temporäre Ladungsschwerpunkte erzeugt. Längere Moleküle haben eine größere Oberfläche, wodurch mehr Van-der-Waals-Kräfte wirken können.

Alkane sind unpolar und deshalb nicht wasserlöslich – Wasser findet keine "Angriffspunkte" an den symmetrischen Molekülen. Dafür lösen sie sich gut in Fetten, weil diese ebenfalls unpolar sind.

Die Löslichkeitsregel lautet: Ähnliches löst sich in Ähnlichem. Alkane sind hydrophob (wasserabweisend) und lipophil (fettliebend) – deshalb funktionieren sie als Lösungsmittel für andere unpolare Stoffe.

Alltagsbezug: Deshalb hilft Spülmittel gegen Fettflecken – es verbindet polare und unpolare Bereiche miteinander!

Van-der-Waals-Kräfte verstehen

Die Van-der-Waals-Kräfte erklären, warum längere Alkane höhere Siedetemperaturen haben. Diese schwachen Anziehungskräfte entstehen zwischen benachbarten unpolaren Molekülen.

Der Mechanismus ist faszinierend: Elektronen bewegen sich ständig um die Atome, sodass sie nicht immer symmetrisch verteilt sind. Diese kurzzeitigen Ladungsverschiebungen erzeugen temporäre Dipole, die in benachbarten Molekülen weitere Dipole induzieren.

Bei Alkanen gibt es keine Ionen und die C-H-Bindungen sind praktisch unpolar $ΔEN = 0,4$. Trotzdem halten Van-der-Waals-Kräfte die Moleküle zusammen – schwach, aber messbar.

Mit zunehmender Kettenlänge steigt nicht nur die Molekülmasse, sondern auch die Kontaktfläche zwischen den Molekülen. Mehr Kontaktfläche bedeutet mehr Van-der-Waals-Wechselwirkungen und damit höhere Siedetemperaturen.

Experimenteller Beweis: Heptan und Wasser mischen sich nicht – ein perfektes Beispiel für "unpolar löst sich nicht in polar"!

Löslichkeit und molekulare Wechselwirkungen

Das Grundprinzip der Löslichkeit lautet: Gleiches löst sich in Gleichem! Polare Stoffe lösen polare Stoffe, unpolare lösen unpolare.

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten intermolekularen Kräfte überhaupt. Sie entstehen durch die ständige Bewegung der Elektronen, die kurzzeitige asymmetrische Ladungsverteilungen erzeugt.

Diese temporären Ladungsverschiebungen erzeugen induzierte Dipole in benachbarten Molekülen. So entsteht eine schwache, aber messbare Anziehung zwischen eigentlich unpolaren Molekülen.

Wasser und Heptan mischen sich nicht, weil Wasser polar ist und Heptan unpolar. Das Wasser kann die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Heptanmolekülen nicht überwinden, um sie zu lösen.

Praktischer Tipp: Länge der Kohlenstoffkette = mehr Van-der-Waals-Wechselwirkungen = höhere Siedetemperatur!

Verzweigte Alkane und Isomere

Alkane können sich verzweigen, weil jedes Kohlenstoffatom bis zu 4 andere Kohlenstoffatome binden kann. Das führt zu Strukturisomeren – Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Struktur.

Die Benennung verzweigter Alkane folgt klaren Regeln: Längste Kette finden, Seitenketten identifizieren, Nummerierung so wählen, dass Verzweigungen möglichst kleine Zahlen bekommen.

Seitenketten werden nach ihrer Größe benannt: Methyl (1 C), Ethyl (2 C), Propyl (3 C). Die Anzahl gleicher Seitenketten gibst du mit Vorsilben an: Di (2), Tri (3), Tetra (4).

Verschiedene Seitenketten ordnest du alphabetisch. So wird aus einem verzweigten Pentan schnell "2-Methylbutan" statt des längeren "n-Pentan".

Wichtige Erkenntnis: Strukturisomere haben gleiche Masse, aber unterschiedliche Eigenschaften – die Struktur bestimmt die Funktion!

Strukturisomere von Pentan

Bei C₅H₁₂ gibt es drei verschiedene Strukturisomere: das unverzweigte n-Pentan, das 2-Methylbutan und das 2,2-Dimethylpropan.

Jedes Isomer hat dieselbe Summenformel (C₅H₁₂), aber eine andere räumliche Anordnung der Atome. Das beeinflusst ihre physikalischen Eigenschaften wie Siedetemperatur.

Die Strukturzeichnung zeigt dir sofort, wie die Kohlenstoffketten verzweigt sind. Dabei musst du immer auf die 4-Bindigkeit des Kohlenstoffs achten.

Isomerie wird mit steigender Kohlenstoffzahl immer wichtiger – bei größeren Molekülen gibt es hunderte möglicher Strukturen mit derselben Summenformel.

Übungstipp: Zeichne systematisch alle Möglichkeiten auf – so vergisst du keine Isomere und verstehst das Prinzip besser!

Verzweigte Alkane systematisch benennen

Isomere sind der Schlüssel zur Vielfalt organischer Chemie – gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Strukturen und Eigenschaften.

Bei Heptan (C₇H₁₆) siehst du vier verschiedene Strukturisomere: vom unverzweigten n-Heptan bis hin zu mehrfach verzweigten Varianten mit Methyl-Seitenketten.

Die systematische Benennung wird bei komplexeren Molekülen unverzichtbar. Du nummerierst die längste Kette immer so, dass die Verzweigungen die kleinsten möglichen Zahlen bekommen.

Mehrere Seitenketten derselben Art benennst du mit Zahlwörtern: 2,3-Dimethyl bedeutet zwei Methylgruppen an Position 2 und 3 der Hauptkette.

Profi-Tipp: Je verzweigter ein Alkan ist, desto niedriger wird meist seine Siedetemperatur – weniger Kontaktfläche bedeutet schwächere Van-der-Waals-Kräfte!