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Eigenschaften der Alkane

Heute erklären wir alles über die Alkane. Die Alkane sind eine wichtige Gruppe der Kohlenwasserstoffe. Sie stellen sich speziell durch eine Einfachbindung zwischen allen Kohlenstoffatomen und eine allgemeine Summenformel dar. Isomerie und Verzweigungen sind auch möglich. Was für eine Polarisierung haben die Alkane? Wie lösbar sind sie? Die Antwort wartet auf dich im folgenden Artikel.

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Team Digital
Eigenschaften der Alkane
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse - 5. Klasse

Eigenschaften der Alkane Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eigenschaften der Alkane kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, bei welchen Molekülen es sich um Alkane handelt.

    Tipps

    Es gibt drei richtige Antworten.

    Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe.

    Das chemische Symbol für Kohlenstoff ist $\ce{C}$.

    Lösung

    Alkane sind einfache, gesättigte Kohlenwasserstoffe. Das heißt, in ihren Molekülen sind Kohlenstoff- und Wasserstoffatome ausschließlich über Einfachbindungen verknüpft.

    Die homologe Reihe der Alkane lautet:

    • Methan
    • Ethan
    • Propan
    • Butan
    • Pentan
    • Hexan
    • Heptan
    • Octan
    • Nonan
    • Decan
    • ...

  • Benenne die Kohlenstoffatome.

    Tipps

    Die Anzahl der benachbarten Kohlenstoffatome verrät dir die Bezeichnung.

    Das lateinische Wort „tertius“ bedeutet „drei“.

    Lösung

    Alkane sind einfache, gesättigte Kohlenwasserstoffe. Das heißt, in ihren Molekülen sind Kohlenstoff- und Wasserstoffatome ausschließlich über Einfachbindungen verknüpft. Dabei kann die Molekülstruktur linear, verzweigt oder ringförmig sein.

    Nicht nur die Molekülgröße, sondern auch der Grad der Verzweigung, also die Molekülstruktur, wirken sich letztendlich ebenfalls auf die Eigenschaften der Alkane aus. Das liegt daran, dass an einem C-Atom, das mehrere andere C-Atome als Nachbarn hat, leichter Reaktionen stattfinden können als an einem endständigen C-Atom.

    Wir können die Kohlenstoffatome folgendermaßen unterscheiden:

    • Ein solches endständiges C-Atom nennt man auch primäres Kohlenstoffatom, da es hier nur ein benachbartes C-Atom gibt.
    • Ein C-Atom mit zwei C-Atomen als Nachbarn ist demnach ein sekundäres Kohlenstoffatom.
    • Tertiäre Kohlenstoffatome, also C-Atome mit drei benachbarten C-Atomen, sind typische Verzweigungspunkte.
    • Das quartäre Kohlenstoffatom ist an vier weitere C-Atome gebunden.

  • Kennzeichne die Aggregatzustände der Alkane.

    Tipps

    Kurzkettige Alkane sind unter Normalbedingungen gasförmig.

    Langkettige Alkane sind Paraffine, die beispielsweise als Kerzenwachs zum Einsatz kommen.

    Das ist die Strukturformel von Methan.

    Lösung

    Die Schmelz- und Siedetemperaturen der Alkane sind, verglichen mit vielen anderen Stoffen, eher niedrig. Jedoch nehmen sie mit der Anzahl der C-Atome (und damit mit der Molekülgröße) zu.

    Dadurch verändern sich die Eigenschaften, unter anderem der Aggregatzustand, der Alkane:

    • Die kurzkettigen Alkane (bis $\ce{C4H10}$) sind unter Normalbedingungen gasförmig. Ein Beispiel dafür ist Methan.
    • Bei Summenformeln von $\ce{C5H12}$ bis $\ce{C17H36}$ sprechen wir von mittelkettigen Alkanen. So wie Heptan sind alle weiteren Alkane dieser Kategorie bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig.
    • Alkane mit noch größeren Molekülen werden als langkettige Alkane bezeichnet und sind fest. Das sind die sogenannten Paraffine, die beispielsweise als Kerzenwachs zum Einsatz kommen. Ein Beispiel dafür ist Octadecan.

  • Beschreibe die Eigenschaften der Alkane.

    Tipps

    Wenn Moleküle in sich stabil sind, dann reagieren sie nicht gern mit anderen Stoffen.

    Propan hat eine höhere Schmelz- und Siedetemperatur als Methan.

    Eine Verbrennung ist eine Reaktion mit Sauerstoff.

    Lösung

    Alle Alkane sind vergleichsweise reaktionsträge, da sowohl die Kohlenstoff-Kohlenstoff- als auch die Kohlenstoff-Wasserstoff-Einfachbindungen in den Molekülen sehr stabil sind.
    Jedoch sind beispielsweise allesamt brennbar, reagieren also mit Sauerstoff bei entsprechend hohen Temperaturen. Außerdem können sie unter geeigneten Bedingungen mit Halogenen wie Chlor oder Brom reagieren.

    Aufgrund ihrer unpolaren Atombindung sind Alkane in Wasser nicht oder nur sehr schlecht löslich, weil Wasser stark polar ist. In Lösungsmitteln, die unpolar sind, wie Benzin oder Chloroform, lösen sie sich aber gut.

    Sie sind demzufolge einerseits hydrophob, also wassermeidend, sowie andererseits lipophil, also fettliebend. Lange Alkylreste sind auch wichtige Bestandteile von Fettmolekülen.
    Alkane schwimmen wie Fette oben auf dem Wasser, denn sie haben eine relativ geringe Dichte.

    Die Schmelz- und Siedetemperaturen sind, verglichen mit vielen anderen Stoffen, relativ niedrig, steigen allerdings mit zunehmender Kettenlänge aufgrund der zwischenmolekularen Wechselwirkungen. In unpolaren Molekülen wie Alkanen fehlen permanente Ladungsunterschiede, die sich anziehen könnten. Stattdessen wirken hier sogenannte Van-der-Waals-Kräfte, insbesondere London-Kräfte.

  • Vergleiche die Molekülstrukturen.

    Tipps

    Es gibt nur ein cyclisches Molekül unter den Beispielen.

    Das ist ein verzweigtes Butan-Molekül.

    Lösung

    Alkane sind einfache, gesättigte Kohlenwasserstoffe. Das heißt, in ihren Molekülen sind Kohlenstoff- und Wasserstoffatome ausschließlich über Einfachbindungen verknüpft.
    Dabei kann die Molekülstruktur linear (in einer Reihe), verzweigt oder cyclisch (ringförmig) sein.

    Bei gleicher Summenformel (= Anzahl der gebundenen C- und H-Atome) können die Moleküle also unterschiedlich angeordnet sein. Diese Konstitutionsisomerie bedingt, dass ein längerkettiges Alkan als n-Alkan (linear), i-Alkan (verzweigt) oder Cycloalkan (cyclisch) auftreten kann. Das wirkt sich letztendlich auch auf die Eigenschaften der Alkane (beziehungsweise ihrer Isomere) aus.

  • Bestimme das Alkan mit der höchsten Schmelz- und Siedetemperatur.

    Tipps

    Die Schmelz- und Siedetemperaturen der Alkane steigen mit zunehmender Kettenlänge.

    Lineare Moleküle haben, bei gleicher Summenformel, eine höhere Schmelz- und Siedetemperatur als verzweigte, da mehr London-Kräfte wirken.

    Lösung

    Wie wir bereits wissen, sind Alkane unpolar. Das heißt, es gibt keine permanenten Ladungsunterschiede in den Molekülen, die sich anziehen könnten. Es wirken lediglich Van-der-Waals-Kräfte oder noch genauer: London-Kräfte. Diese sind zwar relativ schwach, werden jedoch umso stärker, je größer die Moleküle sind. Das erklärt, warum die Schmelz- und Siedetemperaturen der Alkane relativ niedrig sind, aber mit zunehmender Kettenlänge steigen.

    Allerdings werden die London-Kräfte bei zunehmender Verzweigung eines Moleküls wieder schwächer. Das führt dazu, dass die i-Alkane, verglichen mit ihren unverzweigten Verwandten (n-Alkane), etwas niedrigere Schmelz- und Siedetemperaturen haben.

    Das Alkan Hexan hat mit der Anzahl von sechs Kohlenstoffatome die meisten Kohlenstoffatome in dieser Aufgabe und ist somit das Alkan mit der höchsten Siede- beziehungsweise Schmelztemperatur. Nun stellt sich nur noch die Frage, ob das n-Hexan oder das i-Hexan „gewinnt“. Das Ergebnis liegt klar auf der Hand: Das n-Hexan ist linear, was bedeutet, dass die London-Kräfte in diesem Molekül, verglichen mit dem verzweigten i-Hexan, stärker wirken.

    Somit steht n-Hexan mit einer Schmelztemperatur von $−95,\!3\,\pu{°C}$ sowie einer Siedetemperatur von $68,\!7\,\pu{°C}$ in unserem Vergleich auf Platz eins.