Alkane - Die reaktionsträgen Kohlenwasserstoffe

Alkane sind wie die ruhigen Gesellen der Chemie - sie reagieren bei Raumtemperatur kaum mit anderen Stoffen. Deshalb nennt man sie auch Paraffine $= wenig reaktionsfreudig$. Sie bestehen nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, die durch Einfachbindungen verbunden sind.

Die Molekülgestalt ist immer tetraedisch mit einem Bindungswinkel von 109,5°. Das kommt daher, dass jedes Kohlenstoffatom vier Bindungen eingeht, um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Die homologe Reihe der Alkane folgt der Formel C_nH_2n+2. Von Methan (CH₄) bis Butan sind sie gasförmig, von Pentan bis C₁₅H₃₂ flüssig und ab C₁₆H₃₄ fest. Ab Butan gibt es Strukturisomere - verschiedene Moleküle mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Anordnung.

Tipp: Die Namen Methan, Ethan, Propan, Butan kennst du vom Campinggas!

Physikalische Eigenschaften und Reaktionen der Alkane

Die Siedepunkte steigen mit der Kettenlänge an, weil größere Moleküle stärkere van-der-Waals-Kräfte haben. Verzweigte Alkane sieden niedriger als unverzweigte, da ihre Oberfläche kleiner ist. Alkane sind hydrophob (wasserscheu) aber lipophil (fettliebend).

Bei der Verbrennung entstehen CO₂ und Wasser - das passiert in jedem Automotor. Bei Sauerstoffmangel bildet sich Ruß, deshalb wird der Auspuff manchmal schwarz.

Die Halogenierung ist eine wichtige Reaktion der Alkane. Dabei wird ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom ersetzt - eine Substitutionsreaktion. Das funktioniert nur mit Licht, weil Radikale (sehr reaktive Teilchen) entstehen müssen.

Der Reaktionsmechanismus läuft in drei Schritten ab: Startreaktion (Radikalbildung durch Licht), Kettenreaktion (eigentliche Substitution) und Abbruchreaktion.

Merksatz: Alkane = gesättigt = nur Substitution möglich!

Cycloalkane - Alkane im Ring

Cycloalkane sind ringförmige Alkane mit der Formel C_nH_2n. Sie kommen natürlich im Erdöl vor und haben höhere Dichten und Siedepunkte als normale Alkane.

Bei kleinen Ringen entsteht Winkelspannung $Beyer-Spannung$, weil die Bindungswinkel stark vom idealen Tetraederwinkel (109,5°) abweichen. Cyclopropan mit 60° und Cyclobutan mit 90° sind deshalb instabil.

Cyclohexan ist besonders interessant, weil es in zwei energetisch günstigen Formen vorliegt: Sesselform und Wannenform. Diese entstehen, weil sich die Wasserstoffatome sonst gegenseitig stören würden (Pitzer-Spannung).

Die Reaktionen entsprechen denen der normalen Alkane - Verbrennung und radikalische Substitution funktionieren genauso.

Faustregel: Je kleiner der Ring, desto gespannter und reaktiver!

Alkene - Die reaktionsfreudigen Doppelbindungen

Alkene (oder Olefine) besitzen mindestens eine Doppelbindung und sind damit ungesättigt. Sie enden auf "-en" und haben die Formel C_nH_2n - genau wie Cycloalkane, mit denen sie Konstitutionsisomere bilden.

Die Doppelbindung macht das Molekül planar (flach) mit Bindungswinkeln von 120°. Die Elektronenwolken ragen aus der Molekülebene heraus, was Alkene reaktiver als Alkane macht.

Ein besonderes Phänomen ist die E-/Z-Isomerie: Die Doppelbindung verhindert eine freie Drehung, sodass Substituenten entweder auf der gleichen Seite (Z) oder auf verschiedenen Seiten (E) stehen können. Diese Isomere haben unterschiedliche Eigenschaften.

Bei der Benennung bekommt die Doppelbindung die kleinstmögliche Nummer. Mehrere Doppelbindungen können isoliert, konjugiert oder kumuliert vorliegen.

Eselsbrücke: Z = zusammen (gleiche Seite), E = entgegengesetzt!

Reaktionen der Alkene

Die Bromwasserprobe ist der klassische Nachweis für Doppelbindungen: Braunes Bromwasser wird durch Alkene entfärbt. Dabei entsteht durch Addition ein Dibromalkan.

Der Additionsmechanismus läuft über Ionen ab (nicht über Radikale wie bei Alkanen). Die Doppelbindung polarisiert das Brommolekül, es entsteht ein zyklisches Bromoniumion als Zwischenstufe. Das Bromid-Ion greift von der Rückseite an.

Additionsreaktionen sind umkehrbar: Bei hohen Temperaturen kann man durch Eliminierung kleine Moleküle abspalten. So wird aus Ethan wieder Ethen (Dehydrierung).

Polymerisation ist eine wichtige Anwendung: Viele Ethenmoleküle (Monomere) reagieren zu einem riesigen Molekül (Polymer) - so entsteht Polyethylen für Plastiktüten.

Cycloalkene haben eine Doppelbindung im Ring und folgen der Formel C_nH_2n-2.

Reaktionstyp: Alkene = ungesättigt = Addition möglich!

Alkine - Die Dreifachbindungs-Spezialisten

Alkine besitzen mindestens eine Dreifachbindung und enden auf "-in". Sie haben die gleiche Formel wie Cycloalkene (C_nH_2n-2) und sind Konstitutionsisomere zu diesen.

Die Dreifachbindung macht das Molekül linear mit einem Bindungswinkel von 180°. Interessant ist, dass Alkine reaktionsträger als Alkene sind, obwohl sie mehr Doppelbindungscharakter haben. Das liegt daran, dass die Elektronen fester gebunden sind.

Bei der Benennung bekommt die Dreifachbindung die kleinste Nummer. Wenn sowohl Doppel- als auch Dreifachbindungen vorhanden sind, wird "-en" vor "-in" genannt.

Additionsreaktionen laufen ähnlich wie bei Alkenen ab, aber in zwei Stufen: Erst entsteht ein Alken, dann ein gesättigter Kohlenwasserstoff. Pro Dreifachbindung können also zwei Moleküle addiert werden.

Das bekannteste Alkin ist Ethin (Acetylen), das beim Schweißen verwendet wird.

Merkmal: Linear, reaktionsträger als Alkene, aber zwei Additionen möglich!