Alkane

Alkan bezeichnet in der organischen Chemie die Stoffgruppe von Kohlenwasserstoffen ohne Mehrfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen, dies nennt man gesättigt. Sie bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n+2 und sind eine besonders einheitliche Stoffgruppe. Methan ist das einfachste Alkan und Baustein für sämtliche folgende Alkane. Kohlenstoffketten bilden das Gerüst der Alkane, diese Ketten können unverzweigt (n-Alkane) oder verzweigt (iso-Alkane) sein. Viele Alkane weisen Isomere auf.

Räumlicher Aufbau und Strucktur

Alkane bestehen nur aus C-C(Kohlenstoffketten) und C-H Ketten.Obwohl die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der n-Alkane durch die Strukturformel vollkommen gradlinig dargestellt werden, ist dies keineswegs der Fall; die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen stehen in einem Winkel von 109,47°, dadurch ergibt sich eine Tetraederstruktur, die häufig auch durch eine Zickzackanordnung stilisiert wird. Andere Kohlenwasserstoffmoleküle mit mehr Elementen bauen zunächst auf dieser Grundstruktur auf, weisen aber auch "Verbiegungen" auf, z.B. wenn Doppelbindungen im Molekül vorhanden sind. Ring und Kristall-Strukturen müssen nicht notwendigerweise mit solchen Abnormitäten behaftet sein.

Die Bindungslänge beträgt für die C-H-Bindung 109 pm und 154 pm für C-C Bindung. Während die so bezeichneten n-Alkane unverzweigt sind, weisen alle Isomere der n-Alkane Verzweigungen im Aufbau auf.

Chemische- und physikalische Eigenschaften

Name	Flammpunkt	Siedepunkt
Pentan	-50° C	+36° C
Hexan	-23° C	+69° C
Heptan	-4° C	+98° C
Octan	+16° C	+126° C
Nonan	+31° C	+151° C
Decan	+46° C	+174° C

Alkane bilden eine besonders einheitliche Stoffklasse. Die Kenntnis der Eigenschaften weniger Vertreter genügt, um das Verhalten der übrigen vorherzusagen. Dieses gilt sowohl für die intra- bzw. intermolekularen Wechselwirkungen der Alkane, die sich auf die Schmelz- und Siedepunkte auswirken, wie auch bei der Betrachtung ihrer Synthesen und Reaktionen.

Die Molekülstruktur, das heißt die Größe der Angriffsfläche bestimmt den Siedepunkt des Isomeres. Je verzweigter das Isomer ist, desto kleiner die Gesamtangriffsfläche zwischen den Teilchen, desto kleiner die dort wirkenden Van-der-Waals'schen Kräfte und desto tiefer der Siedepunkt. Das bedeutet, dass Alkane mit höheren Kohlenstoffanteil immer einen höheren Siedepunkt als Alkane mit geringeren Kohlenstoffanteil haben, verzweigte Alkane haben einen niedrigeren Siedepunkt als unverzweigte Isomere und ringförmige noch geringere Siedepunkte als nur teilweise verzweigte Alkane. Ab fünf Kohlenstoffatomen sind unverzweigte Alkane flüssig, ab 17 fest. Alkane sind hydrophob und lipophil und haben eine geringere Dichte als Wasser, alle Alkane sind Nichtleiter.

Alle Alkane sind brennbar, ihr Flammpunkt steigt jedoch mit zunehmender Kohlenstoffanzahl. Zwar reagieren die Alkane exotherm mit der Luft zu Kohlenstoffdioxid und Wasser und sind brandfördernd, Alkene und Alkine reagieren allerding viel exothermer, die Alkane haben eine geringe Reaktivität, weil die C-H und C-C Bindungen relativ stabil sind und nicht einfach zerbrochen werden können. Alkane sind gesättigt und können keine weitere Wasserstoffatome aufnehmen. Die Zweichfach- und Dreifachbindungen der Kohlenstoffatome können mehr Energie freisetzen, die Kohlenstoffeinfachbindung kann 340 kJ/mol freisetzten. Alkane mit niedrigem Kohlenstoffanteil neigen in Motoren zu Frühzündungen, dieses Problem verringert sich umso länger die Kohlenstoffkette wird oder umso verzweigter das Alkan ist.

Die Kohlenstoffatome der Alkanketten sind sp³-hybridisiert.

Verwendung

Propan und Methan werden in Gasbrennern benutzt, viele feste Alkane finden in Paraffinen als Kerzenwachs Anwendung, die Hauptanwendung der Alkane ist also deren Verbrennung unter Ausnutzung der Licht- und Wärmeenergie. Alkane werden auch als Lösungsmittel, als Schmieröl und als Treibstoff verwendet, im Treibstoff sind nur höhere Alkane erwünscht und eher verzweigte, weil diese nicht wie die unverzweigten leicht zur Frühzündung neigen. Desweiteren werden Alkane als Ausgangsprodukt für Reaktionen zu Alkenen und Halogenalkanen/alkinen in der chemischen Industrie verwendet.

Vorkommen

Die wichtigsten Quellen für Alkane sind Erdöl und Erdgas. Das Erdöl wird destilliert und Rohbenzin gewonnen, dieses Rohbenzin enthält Alkane mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen. Das Erdgas enthält Methan, Ethan, Propan und Butan. Alkane sind die einzige organische Verbindung, die in der Natur mineralisch vorkommt. Das Vorkommen der Alkane in der Natur ist relativ gering.

Gefahren

Methan kann ab einem Luftvolumenanteil von 1 bis 8% ohne Zündquelle explodieren. Alkane können aufgrund ihrer Brennbarkeit eine Gefahr darstellen, mit zunehmenden Kohlenstoffanteile steigt allerdings auch der Flammpunkt. Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan und Oktan sind Gefahrenstoffe, ihr MAK-Wert ist aber relativ hoch angesetzt.

Nomenklatur

Datei:3-Methylbutan.png

Beispiel zur Bezeichnung eines iso-Alkans.

Die Bennenung der Alkane ist durch die IUPAC genau festgelegt.

Alle Alkane werden mit der Endung -an bezeichnet, dieser Endung wird das jeweilige griechische Zahlenwort vorangestellt, das auf die Anzahl der Kohlenstoffatome hinweist, für die ersten vier Alkane werden allerdings unabhängig davon die Namen Methan, Ethan, Propan und Butan vergeben. Alkane ohne Abzweigungen werden meist einfach n-Alkane gennannt (n wird meist weggelassen), Isomere der Alkane meist nur iso-Alkane, ohne weiter zu konkretisieren. Alkane werden wie folgt bennant (alles nicht vorhandene wird weggelassen):

1) Die Nummern der Kohlenstoffatome an denen Alkylgruppen abzweigen werden durch Kommata getrennt aufgeschrieben, hierbei wird immer versucht die jeweils kleinsten Zahlen zu erreichen.
2) Die Anzahl der abzweigenden Alkylgruppe wird in seiner griechischen Schreibweise als Zahlwort hinter einem Bindestrich geschrieben.
3) Der Name der abzweigenden Alkylgruppe wird klein dahinter geschrieben.Gibt es mehrere abzweigende Alkylgruppen wird ein Bindestrich gesetzt und die anderen Abzweigungen werden nach den Schritten 1, 2 und 3 abgearbeitet.
4) Und als letztes wird der Stammname der längsten Kolenstoffkette hinzugefügt, ist das Alkan ringförmig wird ein -cyclo vorangehängt.

Die Bezeichnungen für die ersten 6 n-Alkane:

Methan CH₄
Ethan C₂H₆
Propan C₃H₈
Butan C₄H₁₀
Ab 5 Kohlenstoffatomen werden jetzt griechische Zahlwörter verwendet:
Pentan C₅H₁₂
Hexan C₆H₁₄
Heptan C₇H₁₆
Oktan C₈H₁₈
usw. (z.B. Pentadekan C₁₅H₃₂)

Konstitutionsisomerie

Name	Summenformel	Zahl der möglichen Isomeren
Butan	C⁴H¹⁰	2
Pentan	C⁵H¹²	3
Hexan	C⁶H¹⁴	5
Heptan	C⁷H¹⁶	9
Octan	C⁸H¹⁸	18
Nonan	C⁹H²⁰	35
Decan	C¹⁰H²²	75
Eicosan	C²⁰H⁴²	366319

Beim Butan tritt der Fall ein, dass bei gleicher Summenformel C₄H₁₀ unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten (Konstitutionen) für die Kohlenstoffatome im Alkanmolekül möglich sind. Butan existiert in zwei verschiedenen Konstitutionen: n-Butan und iso-Butan. Höhere Alkane als das Butan weisen alle Isomere auf, mit wachsender Anzahl der Kohlenstoffatome steigt auch die Zahl der möglichen Isomere.


n-Butan	iso-Butan

Alkylrest

Wenn einem Alkanmolekül ein Wasserstoffatom entzogen wird, ensteht ein Molekül mit einem ungebundenen Elektron, es ist also einwertig. Der Name des Alkylrestes erhält man, wenn man bei der Endung des Alkans, dem das Wasserstoffatom entzogen, das -an durch ein -yl ersetzt. Alkylereste sind häufig Bestandteil von iso-Alkanen.

Herstellung

Die Herstellung von Alkanen kann auf mehrere Weisen erfolgen, die Alkane mit geringen Kohlenstoffatomen können aus den Elementen selbst hergestellt werden:

Über Katalytische Hydrierung von Alkenen.Beispiel:
- $C_{2}H_{4}+H_{2}\rightarrow C_{2}H_{6}$
- Ethen und Wasserstoff reagieren zu Ethan.
Darstellung aus Alkylhalogeniden. Beispiel:
- $CCl_{4}+4H_{2}\rightarrow 4HCl+CH_{4}$
- Tetrachlormethan reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Chlorwasserstoff

Einige Verfahren zur Darstellung von Alkanen haben ihre eigenen Namen erhalten:

Kolbe-Synthese
Wurzsche Synthese (erfolgt von Natrium und Iodalkanen aus)
Bergius-Verfahren

Reaktionen

Alkane können mit Sauerstoff reagieren, bei vollständiger Verbrennung reagieren die Alkane mit Sauerstoff exotherm zu Kohlendioxid und Wasser. Beispiel:

$CH_{4}+O_{2}\rightarrow H_{2}O+CO_{2}$
Methan reagiert mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid.

Werden Alkane nicht vollständig verbrannt, weil zu wenig Sauerstoff vorhanden ist, enstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Alkene, Kohlenstoff und Kohlenmonoxid und die Energieausbeute ist geringer, eine vollständige Verbrennung der Alkane ist daher wichtig.Beispiel:

$2C_{8}H_{1}8+13O_{2}\rightarrow 2CO_{2}+7CO+4C+C_{3}H_{6}+15H_{2}O$
Octan reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenstoff, Propen und Wasser.

Halogenierung, die Wasserstoffatome des Alkans werden teilweise oder vollständig durch Halogen ersetzt, es enstehen Halogenalkane. Beispiel:

$CH_{4}+Cl\rightarrow CH_{3}+HCl$
Methan reagiert mit einem Chlor-Radikal zu einem Methyl-Radikal und Chlorwasserstoff.

CH_{3}+Cl_{2}\rightarrow CH_{3}Cl+Cl

Das Methylradikal reagiert mit Chlor zu Monochlormethan und einem Chlor-Radikal.

Sulfochlorierung
Nitrierung, die Reaktion der Alkane mit Salpetersäure erfordert besondere Bedingungen.

Wissenswertes

Ein Maß für die Klopffestigkeit einer Benzinart ist seine Oktanzahl, die Oktanzahl gibt an in welchen Maße ein Stoff zur frühzeitigen Selbstentzündung neigt. Als Bezugszahl für die Oktanwerte wurde willkürlich für Heptan (n-Heptan) die Oktanzahl 0 gewählt, weil es sehr leicht zur Selbstentzündung neigt, und für iso-Octan (2,2,4-Trimethlpentan) die Oktanzahl 100, weil es kaum zur Selbstentzündung neigt.

Weiterführende Informationen

Interwiki

Alken, Alkin, Van-der-Waals-Kraft, Alkylrest, Organische Chemie, Paraffin, Cycloalkan

Externe Links

Literatur

Pfeifer Reichelt: H₂O & Co Organische Chemie. Oldenburg, München 2003, ISBN 3-486-16032-X
K. P. C. Vollhardt, Neil E. Schore: Organische Chemie. Wiley-VCH Verlag, April 2000, ISBN 3527298193
Eberhard Breitmaier, Günther Jung: Organische Chemie. Thieme, Stuttgart September 2001, ISBN 313541504X