Alkane, Teil 1

1. Allgemeines

Alkane sind bekanntlich Kohlenwasserstoffe, die nur C-H- und C-C-Einfachbindungen enthalten. Die Alkane im eigentlichen Sinne bilden kurze bis lange, teils verzweigte Ketten-Moleküle. Die zyklischen Alkane, auch als Cycloalkane bezeichnet, werden in vielen Hochschul-Lehrbüchern als eigenständige Stoffklasse behandelt.

Dass Alkane hauptsächlich im Erdgas und im Erdöl vorkommen, wissen Sie aus dem Chemieunterricht der Sekundarstufe I, und dort haben Sie sicherlich auch schon Einiges über Erdölgewinnung und -fraktionierung kennen gelernt, so dass wir an dieser Stelle nicht darauf eingehen müssen.

Auch die Nomenklatur der Alkane ist Ihnen im Schulunterricht der Sekundarstufe I, spätestens aber in der Oberstufe begegnen. Und mit diesem Thema fangen wir bei unserer Studienvorbereitung OC auch einmal an.

2. Nomenklatur der Alkane

Schulwissen

Frage: Wie heißt folgendes Alkan?

Ein stark verzweigtes Alkan
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Antwort: Die längste durchgehende C-Kette besteht aus sieben Atomen, also handelt es sich um ein Heptan. An den Positionen 2, 3, 4 und 5 - von rechts gezählt, befinden sich Alkyl-Substituenten, und zwar drei Methyl-Reste an den Positionen 2, 3 und 5 sowie ein Ethyl-Rest an Position 4. Also handelt es sich bei dem Alkan um 4-Ethyl-2,3,5-trimethyl-heptan.

Alternativ können Sie natürlich auch einfach in Ihr altes Chemie-Buch schauen, wenn Sie es noch besitzen. Falls Sie vorhaben, Chemie oder Biologie zu studieren, sollten Sie Ihre alten Schulbücher noch eine Zeit lang aufheben, dort stehen viele Sachen drin, die man in den ersten Semestern des Studiums noch gut gebrauchen kann.

Vorbereitung auf das Chemie-Studium

Was im Oberstufen-Unterricht normalerweise nicht behandelt wird, ist die Nomenklatur von Alkanen mit verzweigten Seitenketten.

Bezeichnungen für verschiedene verzweigte Seitenketten
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende.

Hier sehen Sie nicht mehr ganz aktuellen Bezeichnungen der wichtigsten verzweigten Seitenketten von Alkanen. Der Buchstabe G steht für das Alkan-Grundgerüst.

Ein Dodecan mit zwei verzweigten Seitenketten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Das obige Alkan könnte also als 5-Isopropyl-6-secbutyl-dodecan bezeichnet werden.

Nach den aktuellen Nomenklatur-Regeln, die seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts gelten, wird eine verzweigte Seitenkette allerdings mit einem systematischen Namen bezeichnet. Das C-Atom, mit dem die verzweigte Seitenkette an dem Grundgerüst sitzt, trägt grundsätzlich die Nummer 1.

Wenden wir diese "neue" Regel auf das obige Alkan an:

Ein Dodecan mit zwei verzweigten Seitenketten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Die Seitenkette am C-Atom Nr. 6 der Hauptkette trägt den Namen 1-Methyl-propyl, und die andere Seitenkette heißt 1-Methyl-ethyl. Somit ist der Name des obigen Alkans: 5-(1-Methyl-ethyl)-6-(1-Methyl-propyl)-dodecan.

Frage: Wie heißt das folgende Alkan?

Ein Alkan mit zwei verzweigten Seitenketten
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Versuchen Sie jetzt selbst einmal, den Namen dieses Alkans zu finden. Eigentlich ist es bei diesem Alkan gleichgültig, ob wir von links oder von rechts anfangen zu zählen, die beiden Seitenketten sitzen stets an den C-Atomen 5 und 8. In diesem Fall nummerieren Sie die Seitenketten so, dass diejenige Seitenkette die kleinere Nummer bekommt (hier also 5), deren Anfangsbuchstabe im Alphabet weiter vorne steht. Dabei zählen Präfixe wie "Di" oder "Tri" nicht mit.

3. Physikalische Eigenschaften

Schulwissen

Aus dem Schul-Unterricht wissen Sie sicherlich, dass Alkane sehr niedrige Schmelzpunkte, Siedepunkte und Dichten haben und so gut wie nicht wasserlöslich sind. Ursache hierfür sind die nur sehr schwachen intermolekularen Kräfte. Alkan-Moleküle sind keine Dipole, und noch weniger sind sie in der Lage, Wasserstoffbrücken-Bindungen untereinander auszubilden. Das Einzige, was Alkan-Moleküle zusammenhält, sind die sehr schwachen van-der-Waals-Kräfte.

Je größer die Kontaktfläche zwischen den einzelnen Molekülen, desto größer sind diese Kräfte. Daher haben langkettige Alkane auch höhere Schmelzpunkte und Siedepunkte als kurzkettige.

Nun wieder eine kleine Aufgabe, die sie locker lösen können sollten, wenn Sie guten Chemie-Unterricht gehabt haben:

Betrachten wir drei Isomere des Alkans Pentan:

Die Siedetemperaturen von drei Pentan-Isomeren
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Aufgabe: Erklären Sie die unterschiedlichen Siedetemperaturen dieser drei Pentan-Isomere!

Lösung: Die van-der-Waals-Kräfte wirken über die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Molekülen. Je größer diese Kontaktfläche, desto stärker die intermolekularen Bindungen. Das 2,2-Dimethyl-propan ganz rechts hat eine fast kugelförmige Gestalt, daher ist die Kontaktfläche zwischen den Molekülen minimal. Ein niedriger Siedepunkt ist die Folge dieser Molekül-Gestalt. Das langkettige n-Pentan ganz links hat eine große Kontaktfläche mit anderen n-Pentan-Molekülen, die Folge sind hohe zwischenmolekulare Kräfte und somit ein relativ hoher Siedepunkt.

Vorbereitung auf das Chemie-Studium

Interessant sind die Schmelzpunkte der Alkane. Man sollte doch meinen, dass die Schmelzpunkte mit der Kettenlänge kontinuierlich ansteigen. Das ist aber nicht immer der Fall.

Schmelzpunkte der n-Alkane mit 1 bis 19 Kohlenstoff-Atomen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Achten Sie auf das Ethan und das Propan ganz links in der Graphik. Das Propan hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Ethan - was wir nun gar nicht erwartet hätten.

Die Unregelmäßigkeit in der Zunahme der Schmelztemperaturen liegt vermutlich daran, dass feste Alkane Kristallgitter bilden. Die Packungsdichte in diesen Kristallen ist bei Alkanen mit einer geradzahligen Anzahl von C-Atomen offensichtlich höher als bei ungeradzahligen Alkanen.

Je länger die C-Ketten der Alkane werden, desto unerheblicher werden diese Unterschiede allerdings.

Interessant ist die Frage, wie es mit dem Schmelzpunkten verzweigter Alkane aussieht. Bei den Siedepunkten war die Sache ja recht eindeutig: Je verzweigter das Alkan, desto geringer die Kontaktflächen zwischen den Molekülen und desto niedriger die Siedetemperatur. Betrachten wir nun mal die Schmelztemperaturen einiger Alkane näher.

Schmelzpunkt einiger verzweigter Alkane
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Hier sehen wir die Schmelztemperaturen der fünf Pentan-Isomere. Es ist keineswegs so, dass die Verbindung mit den "kugelförmigsten" Molekülen den niedrigsten Schmelzpunkt hat. Im Gegenteil - das recht langgestreckte 2-Methyl-pentan hat mit -154 ºC den geringsten Schmelzpunkt.

Bei den Schmelzpunkten spielt vor allem die Packungsdichte im Kristall eine wichtige Rolle. Zunächst denkt man vielleicht, dass sich lang gestreckte n-Alkane besser zusammenpacken lassen als verzweigte Isomere. Doch manche dieser verzweigten Isomere haben eine sehr kompakte Gestalt und lassen sich daher noch besser zusammenpacken als ihre langkettigen Isomere. Daher hat das 2,2-Dimethyl-butan einen höheren Schmelzpunkt (-100 ºC) hat als das nicht ganz so kompakte 2-Methyl-pentan (-154 ºC).