3. Physikalische Eigenschaften

3.1 Rekapitulation Schulwissen

In der Schule haben Sie vielleicht Cyclopentan und Cyclohexan kennengelernt. Ansonsten wird das Thema in der Schule nicht behandelt, und die physikalischen Eigenschaften der Cycloalkane sind weitgehend identisch mit denen der Alkane, was im Unterricht ja mehr oder weniger ausführlich behandelt wurde.

3.2 Studienvorbereitung

Im Grunde ähneln die physikalischen Eigenschaften (Siedepunkt, Schmelzpunkt, Dichte, Wasserlöslichkeit etc.) denen der entsprechenden offenkettigen (aliphatischen) Alkane.

3.2.1 Schmelztemperaturen

3.2.1.1 Schmelzpunkte im Vergleich zu denen der Alkane

Ganz exakt allerdings gleichen sich die physikalischen Eigenschaften von beispielsweise Pentan und Cyclopentan nicht. Vergleichen wir einmal die Schmelzpunkte von drei Alkanen und den entsprechenden Cycloalkanen.

Propan: -187,7 ºC / Cyclopropan: -127,62 ºC

Butan: -138,3 ºC / Cyclobutan: -90,73 ºC

Pentan: -130 ºC / Cyclopentan: -94 ºC

Die Schmelzpunkte der Cycloalkane liegen erheblich höher als die der entsprechenden Alkane. Um das zu verstehen, stellt man sich am besten ein tiefgefrorenes Alkan im festen Zustand vor, bei einer Temperatur von -200 ºC. Um Butan zu schmelzen, müssen wir jetzt erhitzen, bis die Temperatur auf -138,3 ºC gestiegen ist, um die Anziehungskräfte zwischen den Butan-Molekülen zu überwinden.

Das Cyclobutan müssen wir viel stärker erhitzen, nämlich auf -90,73 ºC. Offensichtlich sind die schwachen intermolekularen Bindungen zwischen den Cyclobutan-Molekülen stärker als die zwischen den Butan-Molekülen. Die Ursache für die stärkeren London-Kräfte zwischen den Cyclobutan-Molekülen kann nur die ringförmige Struktur sein.

3.2.1.2 Schmelztemperaturen der homologen Reihe

Die Schmelztemperaturen der ersten sieben Cycloalkane
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain

Dieses Bild zeigt anschaulich die Schmelztemperaturen der Cycloalkane von Cyclopropan bis zum Cylcooctan. Ähnlich wie bei den Schmelzpunkten der Alkane finden wir hier eine Art Zick-Zack-Kurve, wenn man die Schmelztemperaturen gegen die Zahl der C-Atome aufträgt.

Die unterschiedliche Packungsdichte der Kristalle spielt hier sicherlich eine starke Rolle, offensichtlich lassen sich regelmäßige Fünfecke (Cyclopentan, -94 ºC) nicht so gut stapeln wie regelmäßige Vierecke (Cyclobutan, -90 ºC). Dass sich regelmäßige Sechsecke (Cyclohexan, +7 ºC) besser stapeln lassen als Siebenecke (Cylcoheptan -8 ºC) weiß jeder aus dem Alltag, und Achtecke (Cyclooctan, +14 ºC) lassen sich offenbar besser in einem Kristall unterbringen als Neunecke (Cyclononan, +11 ºC).

Besonders stark ist der Sprung vom Cylcopentan zum Cyclohexan. Die Cylcohexan-Moleküle liegen bevorzugt in der Sessel-Konformation vor, die hochsymmetrisch ist. Hier ist die Packungsdichte also besonders hoch, was dann einen ungewöhnlich hohen Schmelzpunkt zur Folge hat.

3.2.2 Siedetemperaturen

Vergleichen wir nun die Siedetemperaturen der ersten Cycloalkane und der Alkane vom Propan bis zum Decan:

Genau wie bei den Alkanen nehmen die Siedetemperaturen der Cycloalkane mit der Anzahl der C-Atome kontinuierlich zu. Mit zunehmender Kettenlänge bzw. Ringgröße steigt die Kontaktfläche zwischen den Molekülen, die London-Kräfte werden daher stärker, was einen höheren Siedepunkt zur Folge hat.

Im Vergleich zu den Alkanen haben die Cycloalkane etwas höhere Siedetemperaturen. Die Ursache liegt in ihrer starren, ringförmigen Struktur: Während n-Alkane durch ihre hohe Flexibilität (freie Drehbarkeit um die C-C-Einfachbindungen) ständig wechselnde Konformationen einnehmen, sind Cycloalkane kompakter und in ihrer Form fixierter (so gut wie keine freie Drehbarkeit um die C-C-Einfachbindungen). Dies ermöglicht eine effektivere Annäherung und eine größere Kontaktfläche zwischen den Molekülen im flüssigen Zustand. Dadurch wirken die London-Kräfte stärker und es wird mehr thermische Energie benötigt, um die Moleküle voneinander zu trennen.

Trend bei großen Ringen

Bei sehr großen Cycloalkanen ab C₃₀H₆₀ nähert sich der Siedepunkt dem des entsprechenden Alkans an, da der Einfluss der Ringstruktur immer mehr in den Hintergrund tritt.

Löslichkeitsverhalten

Sowohl n-Alkane wie auch Cycloalkane sind extrem hydrophob bzw. lipophil, lösen sich also so gut wie gar nicht in Wasser, dafür aber sehr gut in organischen Lösemitteln wie anderen Alkanen, Ethern, Benzol oder Halogenkohlenwasserstoffen.

Der Grund für die Wasserunlöslichkeit wurde schon auf der Seite über die Alkane dargelegt: Wasser-Moleküle sind über starke H-Brücken miteinander vernetzt. Um ein Alkan- oder Cycloalkan-Moleküle zu lösen, müssten diese H-Brücken aufgebrochen werden. Da die unpolaren Kohlenwasserstoffe aber keine alternativen Bindungen mit den H₂O-Molekülen "anbieten" können (zum Beispiel Dipol-Dipol-Wechselwirkungen), bleibt das System Alkan bzw. Cycloalkan/Wasser energetisch ungünstig.

Was sagt die Fachliteratur?

Schauen wir jetzt mal wieder in die unten aufgeführten Hochschul-Lehrbücher. Was sagen die zum Thema "physikalische Eigenschaften der Cycloalkane"?

Im Buddrus/Schmidt finden wir so gut wie nichts über das Thema, ebenso im Morrison/Boyd. In den Clayden müssen wir gar nicht erst hinein schauen, der kümmert sich um solch "triviale" Themen nicht, und im Vollhardt/Schore finden wir wenigstens einen kleinen Abschnitt über die physikalischen Eigenschaften der Cycloalkane. Dieses Buch war daher auch die Hauptquelle für die Informationen auf dieser Webseite.