Alkane sind eine wichtige Stoffgruppe in der organischen Chemie. Hier und im kurzen Video erklären wir dir alles, was du über die Alkane wissen musst: vom Aufbau über Eigenschaften und Benennung bis zur Verwendung.
Alkane sind Moleküle, die nur aus zwei Elementen bestehen, nämlich:
Dabei kommen nur Einfachbindungen zwischen den beiden Elementen vor und keine Doppelbindungen. Du sprichst deshalb auch von gesättigten Kohlenwasserstoffen.
Alkane können gerade Ketten bilden, also unverzweigt (n-Alkane) vorkommen. Sie können aber auch Seitenketten haben und verzweigt (i-Alkane) sein. Obwohl ihr Aufbau relativ einfach ist, gibt es sehr viele verschiedene Alkane. Manche sind gasförmig, andere flüssig oder fest. In der Natur kommen Alkane zum Beispiel als Bestandteile in Erdöl und Erdgas vor.
Alkane (früher: Paraffine) sind eine Stoffgruppe in der organischen Chemie. Dabei handelt es sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe, die nur Einfachbildungen enthalten. Ihr Aufbau kann grob in unverzweigt und verzweigt unterteilt werden.
Alkane sind nur aus den Elementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) aufgebaut. Alle Kohlenstoffatome sind dabei im Molekül mit vier weiteren Atomen über Einfachbindungen verknüpft. Du kannst auch sagen, dass alle Kohlenstoffatome im Molekül sp3-hybridisiert sind.
Alkane besitzen also nur:
Da keine Doppelbindungen im Molekül vorkommen, bezeichnest du Alkane als gesättigte Kohlenwasserstoffe.
Ihre allgemeine Summenformel lautet deshalb:
CnH2n+2
n ist hier eine ganze natürliche Zahl, also 1,2,3 usw.
Die Summenformel und die Strukturformel (Aufbau) sieht für die einfachsten n-Alkane — Methan , Ethan, Propan und Butan — so aus:
Das einfachste Alkan ist Methan (CH4). Die weiteren Mitglieder der Alkanfamilie erhältst du, indem du nacheinander CH2– Gruppen hinzufügst. Du bekommst dadurch die sogenannte homologe Reihe der Alkane.
In unserer Tabelle zur Reihe der Alkane haben wir die ersten 10 unverzweigten Alkane mit Summenformel und vereinfachter Strukturformel aufgelistet:
Name | Summenformel | vereinfachte Strukturformel |
Methan | CH4 | CH4 |
Ethan | C2H6 | CH3-CH3 |
Propan | C3H8 | CH3-CH2-CH3 |
Butan | C4H10 | CH3-CH2-CH2-CH3 |
Pentan | C5H12 | CH3-(CH2)3-CH3 |
Hexan | C6H14 | CH3-(CH2)4-CH3 |
Heptan | C7H16 | CH3-(CH2)5-CH3 |
Octan | C8H18 | CH3-(CH2)6-CH3 |
Nonan | C9H20 | CH3-(CH2)7-CH3 |
Decan | C10H22 | CH3-(CH2)8-CH3 |
Je mehr Kohlenstoffatome ein Alkan besitzt, desto mehr Möglichkeiten gibt es, wie diese miteinander verknüpft sein können. Deshalb kommen Alkane auch nicht nur in linearen Ketten vor, sondern auch verzweigt.
Hier kann dann ein Kohlenstoffatom auch nur mit einem oder mit keinem Wasserstoffatom verbunden vorliegen. Generell gilt für die Benennung von Kohlenstoffatomen:
Gibt es im Alkanmolekül Verzweigungen, dann kann es passieren, dass die zwei Verbindungen zwar die gleiche Summenformel haben, aber die Moleküle anders aufgebaut sind. Genauer gesagt, sind hier dann die Kohlenstoffatome verschiedenartig miteinander verknüpft. Du sprichst dann von Isomeren . In unserem Fall von Konstitutionsisomeren.
Unser Beispiel soll dir das verdeutlichen:
n-Butan und iso-Butan (isomeres Butan; auch: 2-Methyl-propan) haben beide die gleiche Summenformel, nämlich: C4H10. Ihr Aufbau, sieht aber anders aus, was du an der Strukturformel erkennen kannst:
Du erkennst hier auch direkt, dass die Strukturformel viel mehr Informationen bietet, als nur die Summenformel C4H10.
Um Alkane einheitlich zu benennen, gibt es feste Regeln. Mit der sogenannten IUPAC-Nomenklatur kannst du jedes beliebige Alkan eindeutig benennen.
Merke dir am besten folgende Regeln:
Hier haben wir ein paar Beispiele für dich, welche Namen folgende Moleküle haben:
Für eine genaue Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie du bei der Benennung vorgehst, schau dir am besten unseren extra Beitrag dazu an!
Die Eigenschaften aller Alkane sind sehr ähnlich. Hier geben wir dir einen Überblick über den Aggregatzustand und die Löslichkeit von Alkanen.
Alkane können je nach Kettenlänge in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorkommen. Hier kannst du dir bei Raumtemperatur folgendes merken:
Alkanmoleküle sind unpolar, es gibt also keinen Ladungsschwerpunkt im Molekül. Deshalb wirken zwischen den Molekülen auch nur schwache Kräfte, die Van-der-Waals-Kräfte . Daher sind die Siede- und Schmelztemperaturen der Alkane auch im Vergleich zu polaren Molekülen wie Alkoholen sehr niedrig.
Generell gilt aber: Je länger die Kette der Kohlenstoffatome, desto höher ist die Schmelztemperatur und die Siedetemperatur. Von Methan zu Decan steigen sie also.
Interessant wird es aber, wenn du isomere Alkane vergleichst. Hier gilt nämlich: verzweigte Moleküle sieden und schmelzen niedriger als unverzweigte.
Beispiel: Nehmen wir ein Alkan mit 5 Kohlenstoffatomen
Durch den verzweigten Aufbau hat Dimethylpropan auch eine geringere Moleküloberfläche. Das führt dazu, dass weniger Kräfte zwischen den Molekülen entstehen. Somit ist auch der Siedepunkt niedriger.
Alle Alkane sind in Wasser schlecht löslich. Alle flüssigen Alkane kannst du aber untereinander ohne Probleme mischen.
Hier gilt nämlich folgender Merksatz: Gleiches löst sich in Gleichem.
Wasser ist nämlich im Gegensatz zu Alkanen ein polares Molekül:
Zwischen den unpolaren Alkanmolekülen wirken hingegen nur schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Deshalb können beide Moleküle sich nicht ineinander lösen. Es bilden sich hier zwei Phasen:
Alkane sind nämlich leichter als Wasser, ihre Dichte ist demnach geringer.
Früher hast du Alkane als Paraffine bezeichnet. Das kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie, wenig reaktionsfreudig. Alkane können nur unter sehr drastischen Bedingungen Reaktionen eingehen. Vor allem zwei Reaktionen sind hier von Bedeutung:
Schauen wir uns beide Reaktionen einmal etwas genauer an:
Alkane können mit Sauerstoff reagieren. Das bezeichnest du auch als Verbrennung. Bei der Verbrennung von Alkanen handelt es sich immer noch um die Hauptenergiequelle in unserer Gesellschaft.
Ist ausreichend Sauerstoff vorhanden, reagiert ein Alkan direkt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Am Beispiel von Methan (CH4) sieht eine vollständige Verbrennung so aus:
CH4 + 2 O2 → CO2 + H2O
Wenn nicht genug Sauerstoff vorhanden ist, findet eine sogenannte unvollständige Verbrennung statt. Hierbei entstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Kohlenstoffmonoxid (CO) oder auch Ruß. Die unvollständige Verbrennung von Methan lautet:
2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O
Alkane können außerdem mit den Halogenmolekülen wie Fluor, Chlor und Brom reagieren. Bei der sogenannten radikalischen Substitution wird jeweils ein Wasserstoffatom durch ein Halogenatom ersetzt, also substituiert. Dabei entstehen Halogenalkane .
Beispiel: Bei der Reaktion von Chlor (Cl2) mit Methan (CH4), entstehen dabei also Chlormethan (CH3) und Chlorwasserstoff (HCl). Die Reaktionsgleichung sieht so aus:
CH3H + Cl-Cl → CH3Cl + H-Cl
Damit die Reaktion überhaupt stattfinden kann, muss zunächst Energie, meist in Form von UV-Licht zugeführt werden. Dabei wird das Halogenmolekül zu zwei Halogenradikalen gespalten. Radikale sind sehr reaktive Teilchen, da sie ein ungepaartes Elektron besitzen.
Um den Mechanismus im Detail nachzuvollziehen, schau doch bei unserem extra Video zur radikalischen Substitution vorbei.
Alkane haben vor allem zwei große Verwendungsgebiete:
Hier haben wir dir ein paar wichtige Vertreter der Alkane mit Vorkommen und Verwendung aufgelistet:
Name | Methan | Ethan | Propan | Butan | Pentan | Hexan | Dodecan (C12H26) | Eicosan (C20H42) |
Vorkommen | Bio- und Erdgas | Erdgas | Erdgas | Erdgas | Erdöl | Erdöl | Erdöl | Blätterwachs von Rosengewächsen |
Verwendung | als Heiz- oder Stadtgas | Gewinnung von Ethen | Flüssiggas | Flüssiggas | Lösungsmittel, Treibstoff für Motoren |
Lösungsmittel, Treibstoff für Motoren |
in der Gaschromato-grafie | in Paraffin |
Schon gewusst? Alkane kommen auch in einigen Lebewesen vor. Es gibt zum Beispiel bestimmte Archaeen , die Methan aus Kohlenstoffdioxid herstellen. Das nutzen die sogenannten Methanbildner zur Energiegewinnung.
Jetzt hast du einen guten Überblick über die Stoffgruppe der Alkane bekommen. Wenn du noch tiefer in das Thema einsteigen willst, schau dir unbedingt unser ausführlicheres Video zu den Alkanen an.
Hier erklären wir dir unter anderem, welche verschiedenen Darstellungsformen es für Alkane gibt und was es mit der sogenannten Ringspannung auf sich hat.
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