Physikalische Eigenschaften

Siedetemperaturen

Im Vergleich zu anderen organischen Verbindungen haben Alkane sehr niedrige Siedetemperaturen. Dies ist auf die extrem geringe Polarität der C-H-Bindungen zurückzuführen. Alkan-Moleküle werden untereinander nur durch London-Kräfte zusammengehalten, die schwächste Form der van-der-Waals-Kräfte.

In fast jedem Chemiebuch findet man eine Auflistung oder graphische Darstellung der Siedepunkte der n-Alkane, so wie zum Beispiel diese:

Siedepunkte der n-Alkane mit 1 bis 19 Kohlenstoff-Atomen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: Public domain

Interessant an dieser Graphik ist das kontinuierliche Ansteigen der Siedetemperatur innerhalb der homologen Reihe der Alkane. Das n-Butan hat einen Siedepunkt von -0,5 ºC, deshalb ist der entsprechende Balken in der Abbildung nicht zu sehen. Ab Pentan sind die Alkane bei Zimmertemperatur flüssig (Siedetemperatur von Pentan = 36,1 ºC).

Siedepunkte isomerer Alkane

Auf der vorherigen Seite hatten wir bereits über die Siedepunkte der beiden Butan-Isomere und der drei Pentan-Isomere gesprochen, auch drei der Hexan-Isomere haben wir betrachtet. Wir sind dann zu dem Ergebnis gekommen, dass der Siedepunkt eines Alkans nicht nur von der Anzahl der C-Atome und damit von der molaren Masse abhängt, sondern auch von der Form des Moleküls. Je langgestreckter das Molekül ist, desto größer sind die Kontaktflächen zwischen den Molekülen, desto stärker die London-Kräfte, und um so höher der Siedepunkt.

Schmelztemperaturen

Die Schmelztemperaturen der Alkane verändern sich nicht so regelmäßig wie die Siedetemperaturen, wie die folgende Graphik zeigt:

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

Zwar nehmen die Schmelzpunkte mit der Kettenlänge zu, aber nicht regelmäßig. Propan hat sogar einen niedrigeren Schmelzpunkt als Ethan, was schon mal bemerkenswert ist.

Viskosität

Unter der Viskosität versteht man so etwas wie "Zähflüssigkeit". Honig hat zum Beispiel eine sehr hohe Viskosität, die Viskosität von Wasser empfindet man als "normal", und Stoffe wie Benzin, Ether etc. haben eine geringe Viskosität.

Alkane haben allgemein eine geringe Viskosität, zumindest im Vergleich mit anderen Stoffgruppen der organischen Chemie. Auch die geringe Viskosität ist auf die sehr schwachen intermolekularen Kräfte zurückzuführen, die zwischen den Molekülen der Alkane herrschen.

Zu diesem Thema gibt es übrigens ein tolles YouTube-Video, dass Sie sich auf jeden Fall ansehen sollten!

Dichte

Das spezifische Gewicht der flüssigen Alkane wie Pentan, Hexan und Heptan liegt unter dem Wert 1,0 g/cm³, wie er ja für Wasser gültig ist. Die Abstände zwischen den Alkan-Molekülen sind größer, so dass nicht so viele Alkan-Moleküle in ein bestimmtes Volumen hineinpassen. Die Ursache hierfür sind wieder die geringen Anziehungskräfte zwischen den Alkan-Molekülen.

Wasserlöslichkeit

Was passiert, wenn sich ein Stoff wie Kochsalz, Alkohol oder Zucker in Wasser löst? Im Falle von Kochsalz gruppieren sich die Wasser-Dipole um die positiven und negativen Ionen des Salzes, es bilden sich Hydrathüllen, die die Ionen umgeben. Im Falle von Zucker oder Alkohol bilden die Wasser-Moleküle sogar Wasserstoffbrücken-Bindungen (H-Brücken) mit den OH-Gruppen der Alkohol- oder Zucker-Moleküle aus. Beide Phänomene, Hydrathüllen und H-Brücken, erklären die gute Wasserlöslichkeit vieler anorganischer und organischer Verbindungen.

Versucht man ein Alkan wie Hexan oder Heptan in Wasser zu lösen, so hat man keinen Erfolg. Die Alkan-Moleküle schaffen es nicht, die starken H-Brücken zwischen den H₂O-Molekülen zu lösen, sie können daher nicht in den Verbund der Wasser-Moleküle eindringen. Ein Ethanol-Molekül ist dazu in der Lage, daher löst sich Ethanol ja auch so gut in Wasser.

Auch Hydrathüllen können sich nicht um die Alkan-Moleküle bilden, denn die Alkan-Moleküle sind extrem unpolar und haben nur einen sehr schwachen Dipol-Charakter (wenn überhaupt). Also können sie auch keine H₂O-Moleküle elektrisch anziehen, wie das zum Beispiel ein Na⁺-Ion könnte.

Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften

Das Struktur-Eigenschafts-Konzept ist eines der fünf Basiskonzepte der Chemie. Auch an den physikalischen Eigenschaften der Alkane lässt sich dieses wichtige Konzept aufzeigen. Dazu betrachten wir einmal das folgende Schema:

Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften bei den Alkanen
Autor: Ulrich Helmich 11/2024. Lizenz: Public domain

Wegen der geringen Differenz zwischen der Elektronegativität der H- und C-Atome (Struktur) sind Alkane nur sehr schwache Dipole (wenn überhaupt), und die Moleküle werden lediglich durch die schwachen van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten (intermolekulare Anziehungskräfte). Die Folge sind dann die bekannten Eigenschaften: geringe Dichte, niedrige Schmelztemperatur, niedrige Siedetemperatur und geringe Viskosität.

Da Alkane nur ein geringes Dipolmoment haben (eine Folge der geringen EN-Differenz zwischen H- und C-Atomen), werden keine Wasser-Moleküle elektrisch angezogen und es können sich keine Hydrathüllen um die Alkan-Moleküle bilden.

Auch H-Brücken mit H₂O-Molekülen können nicht gebildet werden, da bei den Alkanen keine O- oder N-Atome vorhanden sind (Struktur).