Organische Stoffklassen – die Alkane

Alkane sind chemische Verbindungen, die dem Fachgebiet der organischen Chemie zugeordnet werden. Dabei bilden die Alkane die Stoffklasse der gesättigten, kettenförmigen Kohlenwasserstoffe, d.h die Verbindungen bestehen nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen (kettenförmig) und ohne Mehrfachbindung in ihrer Struktur (gesättigt). Die allgem. Summenformel für Alkane ist C_nH_2n+2.

Unterschied zu Cycloalkanen?

Cycloalkane sind ebenfalls gesättigte Kohlenwasserstoffe, im Gegensatz zu den Alkanen sind die Atome in der Verbindung aber nicht kettenförmig, sondern ringförmig angeordnet. Die allgem. Summenformel für Cycloalkane ist C_nH_2n.

Herstellung von Alkanen

Alkane lassen sich aus einigen organischen Verbindungen herstellen, im nachfolgenden Schema sind einige dieser Möglichkeiten aufgezeigt:

Molekülgeometrie von Alkanen

Alkane können aus unverzweigten (linearen) wie aus verzweigten Kohlenstoffketten aufgebaut sein. Die unverzweigten Verbindungen werden als normale Kohlenwasserstoffe oder n-Alkane bezeichnet, die verzweigten Alkane werden mit dem Begriff iso-Alkan gekennzeichnet. So ist es möglich, dass Moleküle eine gleiche Summenformel aufweisen, aber verschiedene Strukturformeln besitzen (dieses Phänomen nennt man Isomerie).

Bei Alkanen ist eine unterschiedliche Anordnung der Kohlenstoffatome (kettenförmig/verzweigt) bei gleicher Summenformel möglich, das als Konstitutionsisomerie bezeichnet wird. Die Benennung der unterschiedlichen Isomere erfolgt nach den IUPAC-Regeln für organische Verbindungen.

Daneben ist eine Rotation der CHx-Gruppen um die C-C-Bindung möglich, dadurch ergeben sich verschiedene räumliche Anordnungen, die sich nur im Energieinhalt der Verbindung unterscheiden, dass als Konformationsisomerie (z.B. ekliptisch) bezeichnet wird. Die Umwandlung der einzelnen Konformationen erfolgt bei Raumtemperatur so rasch, dass sie sich nicht trennen lassen.

Reaktionsverhalten von Alkanen

• Oxidation: Normalerweise verbrennen Alkane mit Luft bzw. Sauerstoff zu CO bzw. CO₂(Alkane sind brennbar aber nicht brandfördernd). Höhere Alkane lassen sich unter geeigneten Bedingungen (Katalysatoren) zu Carbonsäuregemischen oxidieren.

• Halogenierung: Die Wasserstoffatome eines Alkans werden teilweise oder vollständig durch Halogenatome wie Fluor, Chlor oder Brom substituiert und man erhält Halogenalkane als Produkt.

• Pyrolyse: Bei der Pyrolyse (thermische Zersetzung, auch Cracken genannt) werde langkettige Alkane in kurzkettige Alkane, Alkene und Wasserstoff zersetzt.

Organische Stoffklassen – die Alkane – Testfragen/-aufgaben

Frage 1: Was kennzeichnet die chemische Struktur von Alkanen?

Antwort: Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, das bedeutet, dass sie ausschließlich aus Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) in der Struktur mit sogenannten einzelnen Bindungen bestehen.

Frage 2: Welches ist das einfachste Alkan und wie ist seine chemische Formel?

Antwort: Das einfachste Alkan ist Methan. Seine chemische Formel lautet CH4.

Frage 3: Wie lautet die allgemeine Summenformel der Alkane?

Antwort: Die allgemeine Summenformel der Alkane lautet CnH2n+2.

Frage 4: Nennen Sie die ersten vier Alkane nach Methan in der richtigen Reihenfolge.

Antwort: Die ersten vier Alkane nach Methan sind: Ethan (C2H6), Propan (C3H8), Butan (C4H10) und Pentan (C5H12).

Frage 5: Sind Alkane polar oder unpolar, und was bedeutet das für ihre Eigenschaften?

Antwort: Alkane sind unpolar, das bedeutet, sie sind weder wasserlöslich noch gute Stromleiter. Sie weisen zudem eine geringe Reaktivität auf.

Frage 6: Wie verändert sich der Siedepunkt von Alkanen mit zunehmender Molekülgröße?

Antwort: Der Siedepunkt von Alkanen steigt mit zunehmender Molekülgröße.

Frage 7: Was bedeutet der Begriff “homologe Reihe” im Zusammenhang mit Alkanen?

Antwort: Eine homologe Reihe beschreibt eine Reihe von Stoffen, die sich in ihrer chemischen Struktur und ihren physikalischen Eigenschaften systematisch unterscheiden. Bei den Alkanen bedeutet das, dass jedes nachfolgende Molekül ein zusätzliches CH2 enthält.

Frage 8: Was passiert, wenn Alkane vollständig verbrennen?

Antwort: Bei der vollständigen Verbrennung von Alkanen entstehen Wasser und Kohlenstoffdioxid.

Frage 9: Was ist ein verzweigtes Alkan und können Sie ein Beispiel nennen?

Antwort: Ein verzweigtes Alkan ist ein Alkan, dessen Hauptkette Seitenketten aufweist. Ein bekanntes Beispiel für ein verzweigtes Alkan ist Isobutan.

Frage 10: Wie werden Alkane in der Gesellschaft genutzt?

Antwort: Alkane finden breite Anwendung, zum Beispiel als Treibstoffe (z.B. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas), oder in der chemischen Industrie als Rohstoff zur Herstellung anderer chemischer Verbindungen.