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Die homologe Reihe der Alkane

Die Alkane sind die einfachsten Kohlenwasserstoffe. Sie bestehen aus einer Kette von Kohlenstoffatomen (außer Methan, da es nur ein Kohlenstoffatom besitzt), die mit Einfachbindungen verknüpft sind, und Wasserstoffatomen, die alle freien Bindungsstellen der Kohlenstoffatome besetzen. Kohlenstoff steht im Periodensystem in der 4. Hauptgruppe. Es besitzt also 4 Außenelektronen, die es für Bindungen bereit stellen kann. Wasserstoff besitzt nur ein Elektron und kann daher nur eine Bindung eingehen.

Alkane gleichen sich stark in ihrem Aufbau und Eigenschaften. Daher wurden sie zu einer homologen Reihe zusammengefasst. Die aufeinander folgenden Mitglieder einer homologen Reihe unterscheiden sich durch ein festes Kettenglied. Im Falle der Alkane ist es eine Methylengruppe $-CH_2-$.

Alle Gruppenmitglieder sind außerdem durch eine allgemeine Summenformel darstellbar. Für die offenkettigen Alkane lautet sie $C_xH_{2x+2}$. Wenn du für x die gewünschte Zahl an Kohlenstoffatomen einsetzt, kannst du schnell berechnen, wie viele Wasserstoffatome das gesuchte Alkan beinhaltet.

Eigenschaften der Alkane

Alkane bestehen aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Die Elektronegativitätsdifferenz zwischen diesen Elementen ist mit 0,3 recht niedrig. Es liegt daher eine unpolare Atombindung vor. Aus diesem Grund können keine Wasserstoffbrückenbindungen aufgebaut werden. Der intermolekulare Zusammenhalt beruht aus diesem Grund nur auf den Anziehungskräften der Ketten untereinander, den sogenannten van-der-Waals-Kräften. Diese sind recht gering und summieren sich mit größer werdender Kettenlänge auf.

Daraus können nun Eigenschaften abgeleitet werden. Alkane besitzen einen niedrigen Siedepunkt, der mit zunehmender Kettenlänge steigt. Aus diesem Grund sind die Alkane von Methan bis Butan gasförmig. Ab 5 Kohlenstoffatomen sind Alkane flüssig und ab 17 fest.

Da die Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff aber recht stabil ist, sind Alkane im Allgemeinen reaktionsträge. Es benötigt eine hohe Aktivierungsenergie und/oder geeignete Katalysatoren, um sie zur Reaktion zu bringen. Trotzdem sind Alkane brennbar.

Nomenklatur der Alkane

Damit Forschungsergebnisse ausgetauscht und fachliche Diskussionen geführt werden können, war eine einheitliche Bezeichnung von großen organischen Molekülen unumgänglich. Daher wurden die IUPAC-Regel aufgestellt. Die Alkane erhalten einheitlich die Endung -an. Diese Endung zeigt an, dass in dem Kohlenwasserstoff nur Einfachbindungen enthalten sind. Für die Anzahl der Kohlenstoffatome wurden Zahlwörter eingeführt. So steht zum Beispiel Meth- für ein C-Atom und Prop- für 3 C-Atome.

Alkane: homologe Reihe

Mit Hilfe der Nomenklatur kannst du also immer vom Namen auf die Struktur des Moleküls schließen. Der Name Pentan verrät dir, dass es sich um eine Kette von fünf Kohlenstoffatomen handelt, die mit Einfachbindungen verknüpft ist. Die Anzahl an Wassserstoffatomen ermittelst du mit der allgemeinen Summenformel $C_xH_{2x+2}$.

Alkane: Struktur Pentan

Reaktionen

Alkane sind brennbar. Sie können also oxidiert(v#5301) werden. Aus diesem Grund werden beispielsweise die gasförmigen Vertreter Butan und Propan in Feuerzeugen und Gasbrennern benutzt.

Verbrennt ein Alkan vollständig, d.h. mit genügend Sauerstoff, bilden sich ausschließlich die Reaktionsprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid. Steht nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, ist die Verbrennung unvollständig und es entstehen zusätzlich Kohlenstoffmonoxid und Ruß (elementarer Kohlenstoff).

Feuerzeug

Allgemein sind die Alkane aber reaktionsträge. Sie reagieren weder mit unedlen Metallen, noch mit Säuren oder Basen. Sie gehen aber Substitutionsreaktionen ein. Diese kann zum Beispiel mit Halogenen wie Chlor ablaufen. Dabei wird ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom ersetzt. Es entsteht ein Halogenalkan und Halogenwasserstoff. Hier siehst du die Reaktion von Hexan mit Chlor.

$CH_3-(CH_2)_4-CH_3 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-(CH_2)_4-CH_3 + HCl$

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass Alkane Kohlenwasserstoffe mit Einfachbindungen sind. Sie besitzen eine allgemeine Summenformel und die Vertreter unterscheiden sich durch feste Einheiten (Methylengruppe) von einander. Alkane sind reaktionsträge und weisen vorwiegend van-der-Waals-Kräfte auf. Sie können oxidiert werden und gehen Substitutionsreaktionen ein.

Videos und Übungen in Alkane

18 Videos

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