Siedetemperatur steigt im Allgemeinen
Bei unverzweigten Alkanen nehmen mit der Kettenlänge die London-Kräfte zwischen den Molekülen zu. Das Trennen der Moleküle beim Sieden erfordert daher mehr Energie.
Chemie · Klasse 9–13 · Grundlagen & Vertiefung
Alkane und homologe Reihe
Methan, Ethan, Propan: Was haben diese Stoffe gemeinsam? Entdecke die Regel hinter ihren Formeln, vergleiche kurze und lange Ketten und gleiche ihre Verbrennung Schritt für Schritt aus.
CₙH₂ₙ₊₂
Offene Kohlenstoffketten
nur Einfachbindungen
CH₄ → C₂H₆ → C₃H₈
Von Glied zu Glied kommt CH₂ hinzu.
Alkane: gesättigte Kohlenwasserstoffe
Kohlenwasserstoffe bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Alkane sind die gesättigten, offenkettigen Vertreter: In ihnen kommen nur Einfachbindungen vor. Die Ketten können unverzweigt oder verzweigt sein.
„Gesättigt“ bedeutet hier: Für ein gegebenes offenkettiges Kohlenstoffgerüst sind so viele H-Atome gebunden, wie bei vier Bindungen pro C möglich sind. Es geht weder um eine gesättigte Lösung noch um das Sättigungsgefühl.
Voraussetzung: Du solltest C–C- und C–H-Bindungen lesen können. Die Formel-Werkstatt hilft dir dabei.
Woher kommt CₙH₂ₙ₊₂?
1 · Methan ist der Start
CH₄
Ein C-Atom bindet vier H-Atome. Setze n = 1 ein: 2 · 1 + 2 = 4.
2 · Die unverzweigte Kette wächst
Ab zwei C-Atomen tragen die beiden Enden jeweils drei H. Jedes innere C trägt zwei H.
H-Zahl = 3 + 2 · (n − 2) + 3 = 2n + 2
Diese Herleitung mit zwei Enden gilt für unverzweigte Ketten mit n ≥ 2. Die Summenformel gilt ebenfalls für verzweigte, offenkettige Alkane.
3 · Benachbarte Glieder unterscheiden sich um CH₂
Ein zusätzliches C-Atom und zwei zusätzliche H-Atome bilden den Unterschied in der Summenformel. CH₂ ist hier die Differenz zwischen zwei Formeln, kein frei herumfliegendes Teilchen.
Die ersten zehn unverzweigten Alkane
| C-Zahl n | Name | Summenformel |
|---|---|---|
| 1 | Methan | CH4 |
| 2 | Ethan | C2H6 |
| 3 | Propan | C3H8 |
| 4 | Butan | C4H10 |
| 5 | Pentan | C5H12 |
| 6 | Hexan | C6H14 |
| 7 | Heptan | C7H16 |
| 8 | Octan | C8H18 |
| 9 | Nonan | C9H20 |
| 10 | Decan | C10H22 |
Die Endung -an kennzeichnet diese Stoffklasse. Ab Butan gibt es zur gleichen Summenformel auch verzweigte Isomere. In der Tabelle und im Labor betrachten wir jeweils die unverzweigte Verbindung.
Alkan-Labor: lass die Kette wachsen
Sage zuerst die H-Zahl voraus. Prüfe dann deine Vermutung mit dem Regler.
Propan · C₃H₈ · 2 · 3 + 2 = 8 H-Atome.
Die Kette zeigt eine Halbstrukturformel, keine räumliche Molekülgeometrie. Lange Ketten kannst du seitlich verschieben; die Beschriftung bleibt gleich groß.
Was ändert sich mit der Kettenlänge?
Kaum in Wasser löslich
Alkane sind insgesamt unpolar. Sie mischen sich schlecht mit dem polaren Wasser und lösen sich besser in geeigneten unpolaren Stoffen. „Unpolar“ heißt nicht, dass zwischen ihren Molekülen gar keine Kräfte wirken.
Bei etwa 20 °C und normalem Luftdruck sind Methan bis Butan gasförmig; Pentan bis Decan sind flüssig. Sehr lange unverzweigte Alkane sind unter diesen Bedingungen wachsartig fest. Druck und Temperatur gehören immer dazu, wenn du den Aggregatzustand angibst.
Beim Sieden werden zwischenmolekulare Kräfte überwunden. Die C–C-Bindungen innerhalb der Moleküle werden dabei nicht planmäßig aufgebrochen. Verzweigung beeinflusst die Eigenschaften zusätzlich; die Kettenlänge ist nicht der einzige Faktor.
Propan vollständig verbrennen: erst C, dann H, dann O
Bei vollständiger Verbrennung mit ausreichend Sauerstoff entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Reaktion setzt Energie frei, benötigt aber zunächst eine Zündung.
1 · Kohlenstoff ausgleichen
C₃H₈ + O₂ → 3 CO₂ + H₂O
Drei C-Atome benötigen drei CO₂-Moleküle. Das ist noch eine unausgeglichene Zwischenstufe.
2 · Wasserstoff ausgleichen
C₃H₈ + O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
Acht H-Atome ergeben vier H₂O. Sauerstoff ist noch nicht ausgeglichen.
3 · Sauerstoff zuletzt ausgleichen
C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
Rechts: 3 · 2 + 4 · 1 = 10 O-Atome. Links brauchst du deshalb fünf O₂-Moleküle.
Ändere zum Ausgleichen nur die Zahlen vor den Formeln. Aus H₂O darf nicht H₂O₂ werden: Das wäre ein anderer Stoff.
Verbrennungs-Werkstatt
Wähle ein Alkan. Gleiche seine vollständige Verbrennung auf Papier aus und klappe danach die Rechnung auf.
CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O
Rechnung und Atombilanz anzeigen
Idealisiertes Modell der vollständigen Verbrennung. Bei unvollständiger Verbrennung können zusätzlich giftiges Kohlenstoffmonoxid und Ruß entstehen. Die Werkstatt ist eine Rechenübung.
Die Formel hat einen Gültigkeitsbereich
CₙH₂ₙ₊₂ gilt für gesättigte, offenkettige Kohlenwasserstoffe. Ein Ring oder eine C=C-Doppelbindung verändert die H-Zahl. Cyclohexan hat zum Beispiel C₆H₁₂ und gehört zu den Cycloalkanen; Hexan besitzt C₆H₁₄.
Auch Ethanol ist kein Alkan: Es enthält Sauerstoff. Um einen Stoff einzuordnen, prüfst du daher Elementsorten, Bindungen und gegebenenfalls Ringbildung.
Ausblick: Beim verzweigten Isomer 2-Methylpropan und beim unverzweigten Butan ist die Summenformel jeweils C₄H₁₀. Zur Unterscheidung brauchst du ihre Strukturformeln.
Selbstcheck: Formeln und Reaktionen
Welche Formel gehört zu einem offenkettigen Alkan?
Wähle eine Antwort.
1 · Bestimme die Summenformel von Hexan.
Tipp öffnen
Setze n = 6 ein.
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H = 2 · 6 + 2 = 14 → C₆H₁₄.
2 · Welches Alkan hat 18 H-Atome?
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Löse 2n + 2 = 18.
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n = 8. Das unverzweigte Alkan ist Octan, C₈H₁₈.
3 · Was kommt von Propan zu Butan hinzu?
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Vergleiche C₃H₈ und C₄H₁₀.
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Die Summenformeln unterscheiden sich um C₁H₂, also CH₂.
4 · Warum ist C₄H₈ kein offenkettiges Alkan?
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Welche H-Zahl verlangt die Alkanformel?
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Für vier C-Atome wären zehn H nötig. C₄H₈ kann zum Beispiel zu einem Alken oder Cycloalkan gehören; die Summenformel allein entscheidet nicht zwischen diesen Möglichkeiten.
5 · Gleiche die vollständige Verbrennung von Ethan aus.
Tipp öffnen
Zuerst 2 CO₂ und 3 H₂O pro Ethan; danach O₂.
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2 C₂H₆ + 7 O₂ → 4 CO₂ + 6 H₂O. Bilanz auf beiden Seiten: 4 C, 12 H, 14 O.
6 · Wie viel O₂ braucht die vollständige Verbrennung von 2 mol Propan?
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Das Verhältnis Propan : O₂ ist 1 : 5.
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2 mol · 5 = 10 mol O₂. Dabei entstehen 6 mol CO₂ und 8 mol H₂O.
7 · Warum siedet unverzweigtes Hexan höher als Propan?
Tipp öffnen
Denke an Kräfte zwischen den Molekülen.
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Die größeren Hexanmoleküle zeigen insgesamt stärkere London-Kräfte. Zum Trennen der Moleküle ist mehr Energie erforderlich; nicht die C–C-Bindungen werden beim Sieden gespalten.
8 · Ist jedes Molekül mit C und H ein Alkan?
Tipp öffnen
Prüfe die Bindungen und die Kettenform.
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Nein. Alkene mit C=C und Alkine mit C≡C sind ebenfalls Kohlenwasserstoffe, aber keine Alkane. Ringförmige gesättigte Kohlenwasserstoffe werden als Cycloalkane gesondert behandelt.
Für den Unterricht: erst vorhersagen, dann prüfen
25–35 Minuten · ab Klasse 9: Drei benachbarte Alkane vergleichen lassen. Lernende formulieren die Regel „ein C und zwei H mehr“ und begründen sie an den End- und Innengruppen einer unverzweigten Kette.
Partnerarbeit: Eine Person nennt die C-Zahl, die andere die Summenformel und die H-Zahl. Der Regler dient erst danach zur Kontrolle. Rollen wechseln.
Vertiefung: Ethan oder Butan verbrennen lassen – als Rechenaufgabe. Die zunächst entstehende halbe O₂-Koeffizientenzahl wird durch Verdoppeln aller Koeffizienten beseitigt. Abschließend die Atombilanz begründen und Sieden von Verbrennen unterscheiden.
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