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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.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Was kannst du schon?

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Aufgabe 1Welche Verbindung ist ein Alkan?

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Aufgabe 2Welche Formel gehört zum unverzweigten Alkan mit fünf C-Atomen?

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Aufgabe 3Welche Stoffe entstehen bei vollständiger Alkanverbrennung mit genügend O₂?

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Lösungen mit Erklärungen
  1. CH₃–CH₂–CH₃ – Propan besteht nur aus C und H, enthält ausschließlich Einfachbindungen und keinen Ring.
  2. C₅H₁₂ – 2 · 5 + 2 = 12. Pentan hat daher C₅H₁₂.
  3. CO₂ und H₂O – Kohlenstoff wird zu CO₂ und Wasserstoff zu Wasser umgesetzt. Unvollständige Verbrennung kann andere Produkte liefern.

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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.

CₙH₂ₙ₊₂ herleiten: Zwei CH₃-Endgruppen und CH₂-Gruppen im Inneren

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

CH₃CH₂CH₂CH₃EndeinnenEnde

Beispiel Butan: 3 + 2 + 2 + 3 = 10 H-Atome. Blau markiert die Endgruppen, Grün die inneren Gruppen. Die Halbstrukturformel zeigt Verknüpfungen, keine räumlichen Bindungswinkel.

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.

Vorhersagen und überprüfen: Stelle die Kette von vier auf fünf C-Atome um. Warum kommen insgesamt zwei H dazu, obwohl die neue Endgruppe CH₃ heißt?

Erklärung nach dem Ausprobieren öffnen

Die bisherige CH₃-Endgruppe wird zur inneren CH₂-Gruppe und trägt damit ein H weniger. Die neue CH₃-Endgruppe bringt drei H hinzu: −1 + 3 = +2. Daher wächst die Summenformel von C₄H₁₀ zu C₅H₁₂.

Längere unverzweigte Alkane sieden meist höher und lösen sich schlecht in Wasser

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.

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.

Vollständige Alkanverbrennung üben: Koeffizienten bestimmen und Atome kontrollieren

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.

Alkane erkennen: Nur C und H, nur Einfachbindungen und kein Ring

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.

Nicht nur H-Atome zählen: Elementsorten und Bindungen prüfen
Strukturmerkmal Einordnung
CH3–CH2–CH3 Propan: offenkettig, nur Einfachbindungen → Alkan
CH2=CH–CH3 Propen: C=C-Doppelbindung → Alken
CH3–CH2–OH Ethanol: enthält O → kein Kohlenwasserstoff

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Mit Erklärungen üben oder dein Wissen testen – du entscheidest.

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Wähle eine Stufe. Du bekommst zu jeder Antwort eine Rückmeldung und kannst nach einem Tipp erneut antworten. Wähle die passende Antwort. Begründe deine Entscheidung zunächst selbst und vergleiche sie anschließend mit der Erklärung.

Alle 18 Aufgaben mit Lösungen zum Nachlesen

1 · Erkennen und zuordnen

1. Welche Merkmale kennzeichnen die hier behandelten Alkane?

  • Eine OH-Gruppe an jedem C-Atom.
  • Nur C und H, nur Einfachbindungen, offene Kette.
  • Nur C und H, mindestens eine C=C-Bindung.
Lösung und Erklärung

Nur C und H, nur Einfachbindungen, offene Kette.

Alkane sind gesättigte offenkettige Kohlenwasserstoffe; sie können unverzweigt oder verzweigt sein.

2. Was bedeutet „gesättigt“ bei einem offenkettigen Alkan?

  • Das Gerüst trägt die maximal mögliche H-Zahl bei vier Bindungseinheiten pro C.
  • Die Lösung enthält möglichst viel Alkan.
  • Das Molekül hat bereits Wasser aufgenommen.
Lösung und Erklärung

Das Gerüst trägt die maximal mögliche H-Zahl bei vier Bindungseinheiten pro C.

Die Bezeichnung betrifft hier die Bindungsstruktur und H-Zahl, nicht die Sättigung einer Lösung.

3. Welche allgemeine Formel gilt für offenkettige Alkane?

  • CₙH₂ₙ
  • CₙH₂ₙ₋₂
  • CₙH₂ₙ₊₂
Lösung und Erklärung

CₙH₂ₙ₊₂

Die Formel gilt für gesättigte offene Ketten, einschließlich verzweigter Alkane.

4. Um welche Formel-Einheit unterscheiden sich benachbarte Glieder der homologen Reihe?

  • H₂O
  • CH₂
  • CH₃
Lösung und Erklärung

CH₂

Die C-Zahl wächst um eins und die H-Zahl um zwei. CH₂ bezeichnet hier die Differenz der Summenformeln.

5. Wie heißt das unverzweigte Alkan mit drei C-Atomen?

  • Propan
  • Butan
  • Ethan
Lösung und Erklärung

Propan

Die Reihe beginnt mit Methan, Ethan, Propan, Butan.

6. Welche Endung kennzeichnet die Namen der hier betrachteten Alkane?

  • -en
  • -ol
  • -an
Lösung und Erklärung

-an

Die Endung -an steht bei diesen Kohlenwasserstoffen für die gesättigte Kette.

2 · Anwenden und erklären

1. Welche Summenformel hat Heptan?

  • C₇H₁₂
  • C₇H₁₆
  • C₇H₁₄
Lösung und Erklärung

C₇H₁₆

Für n = 7 ergibt 2n + 2 = 16. Daher lautet die Formel C₇H₁₆.

2. Ein offenkettiges Alkan besitzt 20 H-Atome. Wie viele C-Atome hat es?

  • 9
  • 10
  • 8
Lösung und Erklärung

9

2n + 2 = 20 ergibt n = 9. Die unverzweigte Verbindung heißt Nonan.

3. Wie viele H tragen die inneren C-Atome einer unverzweigten Alkankette jeweils?

  • Drei
  • Vier
  • Zwei
Lösung und Erklärung

Zwei

Zwei C–C-Einfachbindungen sind bereits vorhanden. Zwei C–H-Bindungen ergänzen die Summe vier.

4. Warum kommen beim Verlängern einer unverzweigten Alkankette insgesamt nur zwei H hinzu?

  • Ein C-Atom geht bei jeder Verlängerung verloren.
  • Die bisherige CH₃-Endgruppe verliert ein H, die neue CH₃-Gruppe bringt drei mit.
  • Die neue Endgruppe enthält immer nur zwei H.
Lösung und Erklärung

Die bisherige CH₃-Endgruppe verliert ein H, die neue CH₃-Gruppe bringt drei mit.

Aus der alten Endgruppe wird CH₂. Deshalb beträgt die Änderung −1 + 3 = +2 H.

5. Welche Gleichung beschreibt die vollständige Verbrennung von Methan?

  • CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O
  • CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O
  • CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + H₂
Lösung und Erklärung

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Beide Seiten enthalten ein C, vier H und vier O. Nur die erste Gleichung ist vollständig ausgeglichen.

6. Wie viel O₂ benötigen 0,40 mol Propan zur vollständigen Verbrennung?

  • 0,40 mol
  • 0,08 mol
  • 2,00 mol
Lösung und Erklärung

2,00 mol

Aus C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O folgt 0,40 · 5 = 2,00 mol O₂.

3 · Prüfen und übertragen

1. Warum ist Ethanol trotz einer C-Kette kein Alkan?

  • Es besitzt zwingend eine C≡C-Bindung.
  • Es enthält Sauerstoff und ist deshalb kein Kohlenwasserstoff.
  • Es enthält überhaupt keinen Wasserstoff.
Lösung und Erklärung

Es enthält Sauerstoff und ist deshalb kein Kohlenwasserstoff.

Kohlenwasserstoffe bestehen ausschließlich aus C und H. Ethanol besitzt zusätzlich eine OH-Gruppe.

2. Was lässt sich aus C₆H₁₂ allein schließen?

  • Es passt nicht zur Formel eines offenkettigen Alkans; die genaue Struktur bleibt offen.
  • Es muss unverzweigtes Hexan sein.
  • Es beweist ohne Strukturangabe eine C=C-Bindung.
Lösung und Erklärung

Es passt nicht zur Formel eines offenkettigen Alkans; die genaue Struktur bleibt offen.

Ein offenkettiges Alkan mit sechs C hätte C₆H₁₄. C₆H₁₂ kann etwa zu einem Alken oder Cycloalkan gehören.

3. Warum sieden längere unverzweigte Alkane im Allgemeinen höher?

  • Beim Sieden müssen immer alle C–C-Bindungen gespalten werden.
  • Längere Alkane enthalten zwingend ionische Bindungen.
  • Die London-Kräfte zwischen den Molekülen nehmen zu.
Lösung und Erklärung

Die London-Kräfte zwischen den Molekülen nehmen zu.

Stärkere zwischenmolekulare Anziehung erfordert mehr Energie zum Trennen der Moleküle.

4. Welche Aussage über das Sieden von Hexan ist richtig?

  • Die Summenformel ändert sich bei jedem Verdampfen.
  • Die Moleküle werden getrennt; die C–C-Bindungen bleiben beim gewöhnlichen Sieden erhalten.
  • Hexan wird dabei planmäßig vollständig zu Methan zerlegt.
Lösung und Erklärung

Die Moleküle werden getrennt; die C–C-Bindungen bleiben beim gewöhnlichen Sieden erhalten.

Ein Phasenwechsel überwindet zwischenmolekulare Kräfte und ist keine vollständige Zerlegung der Moleküle.

5. Wie kann 2-Methylpropan dieselbe Summenformel wie Butan besitzen?

  • Verzweigung verändert die Verknüpfung, aber beide sind offenkettige Alkane mit vier C.
  • Eine Verzweigung fügt immer ein Sauerstoffatom hinzu.
  • Nur unverzweigte Moleküle dürfen C₄H₁₀ besitzen.
Lösung und Erklärung

Verzweigung verändert die Verknüpfung, aber beide sind offenkettige Alkane mit vier C.

Beide haben C₄H₁₀, aber verschiedene C-Gerüste. Zur Unterscheidung ist die Strukturformel erforderlich.

6. Beim Ausgleichen einer Verbrennung wird H₂O zu H₂O₂ geändert. Warum ist das unzulässig?

  • Tiefgestellte Zahlen dürfen nur bei Sauerstoff verändert werden.
  • Eine Atombilanz benötigt grundsätzlich keine Wasserstoffatome.
  • Damit würde ein anderer Stoff eingesetzt; geändert werden nur Koeffizienten vor den Formeln.
Lösung und Erklärung

Damit würde ein anderer Stoff eingesetzt; geändert werden nur Koeffizienten vor den Formeln.

Das Ausgleichen ändert die Mengenverhältnisse der Stoffe, nicht deren Identität.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Aufgabe 1Ein offenkettiges Alkan besitzt sechs C-Atome. Welche Formel muss es unabhängig von einer möglichen Verzweigung haben?

Wähle genau eine Antwort.

Antwort auswählen

Aufgabe 2Wie viel CO₂ entsteht bei vollständiger Verbrennung von 0,50 mol Propan?

Wähle genau eine Antwort.

Antwort auswählen

Aufgabe 3Welche Begründung erklärt die geringe Wasserlöslichkeit der Alkane?

Wähle genau eine Antwort.

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Lösungen mit Erklärungen
  1. C₆H₁₄ – Die Alkanformel CₙH₂ₙ₊₂ gilt auch für verzweigte offene gesättigte Kohlenwasserstoffe.
  2. 1,50 mol – Ein Mol Propan liefert drei Mol CO₂. Daher entstehen 0,50 · 3 = 1,50 mol CO₂.
  3. Alkane sind insgesamt unpolar und wechselwirken mit Wasser anders als polare Stoffe. – Die geringe Mischbarkeit hängt mit dem unpolaren Charakter zusammen. London-Kräfte zwischen Alkanmolekülen bestehen trotzdem.

Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.

Weitere Aufgaben zum Selbstcheck

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.
Lösung ansehen
H = 2 · 6 + 2 = 14 → C₆H₁₄.

2 · Welches Alkan hat 18 H-Atome?

Tipp öffnen
Löse 2n + 2 = 18.
Lösung ansehen
n = 8. Das unverzweigte Alkan ist Octan, C₈H₁₈.

3 · Was kommt von Propan zu Butan hinzu?

Tipp öffnen
Vergleiche C₃H₈ und C₄H₁₀.
Lösung ansehen
Die Summenformeln unterscheiden sich um C₁H₂, also CH₂.

4 · Warum ist C₄H₈ kein offenkettiges Alkan?

Tipp öffnen
Welche H-Zahl verlangt die Alkanformel?
Lösung ansehen
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.
Lösung ansehen
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?

Tipp öffnen
Das Verhältnis Propan : O₂ ist 1 : 5.
Lösung ansehen
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.
Lösung ansehen
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.
Lösung ansehen
Nein. Alkene mit C=C und Alkine mit C≡C sind ebenfalls Kohlenwasserstoffe, aber keine Alkane. Ringförmige gesättigte Kohlenwasserstoffe werden als Cycloalkane gesondert behandelt.
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