3. Physikalische Eigenschaften

3.1 Rekapitulation: 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:

Aufgabe:

Erklären Sie die unterschiedlichen Siedetemperaturen der folgenden drei Pentan-Isomere!

Lösung:

Die van der Waals-Kräfte wirken über die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Molekülen. Je größer diese Kontaktfläche, desto stärker diese intermolekularen Kräfte.

Das 2,2-Dimethyl-propan ganz rechts hat eine fast kugelförmige Gestalt, daher ist die Kontaktfläche zwischen den Molekülen minimal - wenn sich zwei Kugeln berühren, ist die Kontaktfläche auch minimal.

Diese minimale Kontaktfläche zwischen den Molekülen hat extrem geringe intermolekulare Anziehungskräfte zur Folge, und die wiederum haben einen sehr niedrigen Siedepunkt zur Folge, weil ja nicht viel Energie aufgewandt werden muss, um diese Anziehungskräfte zu überwinden.

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.

3.2 Vorbereitung auf das Chemie-Studium

Die Siedepunkte der Alkane, die Dichten etc. können relativ leicht mit den schwachen van der Waals-Kräften erklärt werden, durch die die Alkan-Moleküle zusammengehalten werden.

Interessanter als die Siedepunkte 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 (2) und das Propan (3) 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 gerade deswegen 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).

Was sagt die Fachliteratur?

Schauen wir einmal in die gängigen Fachbücher zur Organischen Chemie (siehe Quellen weiter unten auf dieser Seite). Was steht dort über die physikalischen Eigenschaften der Alkane?

Eigentlich nicht mehr, als auf dieser Webseite aufgeführt. Die physikalischen Eigenschaften der Alkane werden meistens auf einer, höchstens zwei Seiten abgehandelt. Auf die Unregelmäßigkeiten der Schmelzpunkte wird kaum eingegangen, und auch auf andere weiterführende Aspekte nicht. Auch in den Hochschul-Lehrbüchern wird auf die van der Waals-Kräfte verwiesen und wie sich diese schwachen Kräfte auf die Schmelzpunkte und Siedepunkte auswirken. Dass es drei van der Waals-Kräfte gibt, wird meistens gar nicht erwähnt.

Die geringe Wasserlöslichkeit der Alkane wird in diesen Büchern meistens an einer anderen Stelle erklärt, oft im Abschnitt über Fette oder Fettsäuren. Da geht es dann um den hydrophoben Effekt, der auch auf dieser Homepage in einem eigenen Lexikon-Artikel erläutert wird.

Übungen

Die folgenden Übungen wurden in Anlehnung an die Aufgaben, Übungen etc. der unten aufgeführten Fachbücher erstellt. Leider wird das Thema "physikalische Eigenschaften der Alkane" in den Aufgaben-Abschnitten dieser Bücher stark vernachlässigt.

Die Sternchen an den Aufgaben deuten den Schwierigkeitsgrad an:

• * = sehr leicht, auch für gymnasiale Oberstufe geeignet
• ** = einigermaßen leicht, LK-Leute sollten das noch hinbekommen
• *** = das ist schon recht anspruchsvoll, gut geeignet für Erstsemester und Studieninteressierte
• **** = da hätte ich selbst schon Probleme, wenn ich die Aufgabe ohne weitere Hilfsmittel lösen sollte.
• ***** = hier schwitzen wahrscheinlich auch promovierte Fachleute.