Radikal · ungepaartes Elektron
Cl• trägt ein ungepaartes Elektron. Der Punkt ist kein Ladungszeichen: Ein Chlor-Radikal ist nicht dasselbe wie ein Chlorid-Ion Cl⁻.
Chemie · Klasse 11–13 · Organische Reaktionen
Radikalische Substitution
Wie wird aus Methan Chlormethan? Verfolge Radikale durch Kettenstart, Fortpflanzung und Abbruch – mit Strukturzeichnungen, interaktivem Labor und Aufgaben.
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
Ein H-Atom wird durch ein Cl-Atom ersetzt.
Licht startet die Radikalkette.
Substitution: Ein Atom wird ausgetauscht
Bei einer Substitution wird ein Atom oder eine Atomgruppe durch ein anderes Atom oder eine andere Gruppe ersetzt. Bei der Chlorierung von Methan bleibt das Kohlenstoffgerüst erhalten: Aus CH₄ wird CH₃Cl.
Die Gesamtgleichung zeigt Edukte und Produkte. Der Reaktionsmechanismus erklärt die einzelnen Schritte dazwischen. Hier reagieren kurzlebige Teilchen mit ungepaarten Elektronen: Radikale.
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
Vorwissen: Alkane und Elektronenpaarbindungen.
Radikale entstehen durch homolytische Bindungsspaltung
Homolyse · gleichmäßige Aufteilung
Beim Spalten der Cl–Cl-Bindung erhält jedes Cl-Atom eines der beiden Bindungselektronen. Licht liefert die Energie für den Kettenstart.
In Elektronenflusszeichnungen steht ein gebogener Pfeil mit einer Pfeilhälfte („Fischhaken“) für ein einzelnes Elektron. Ein voller gebogener Pfeil steht für ein Elektronenpaar. Gerade Reaktionspfeile verbinden dagegen Edukte und Produkte.
Die Radikalkette hat drei Phasen
1 · Kettenstart
Cl₂ → 2 Cl• (unter Lichteinwirkung)
Aus einem Molekül entstehen zwei Radikale. Für die folgenden Kettenschritte sind nun reaktive Teilchen vorhanden.
2 · Kettenfortpflanzung
Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃
Ein Chlor-Radikal entreißt Methan ein H-Atom. Aus der C–H-Bindung bleibt ein Elektron am Kohlenstoff: Ein Methyl-Radikal entsteht.
•CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•
Das Methyl-Radikal reagiert mit einem weiteren Chlormolekül. Chlormethan entsteht und ein neues Chlor-Radikal setzt die Kette fort.
3 · Kettenabbruch
Cl• + Cl• → Cl₂
•CH₃ + Cl• → CH₃Cl
•CH₃ + •CH₃ → CH₃–CH₃
Treffen zwei Radikale zusammen, können ihre ungepaarten Elektronen eine Bindung bilden. Es entsteht kein neues Radikal. So endet diese Reaktionskette.
Radikal-Labor: Verfolge die Kettenreaktion
Wähle einen Schritt. Vergleiche die Zahl der Radikale vor und nach der Reaktion.
Kettenstart
Cl₂ → 2 Cl•
Radikalbilanz
0 → 2 Radikale
Was passiert?
Licht spaltet eine Cl–Cl-Bindung homolytisch. Es entstehen zwei Chlor-Radikale.
Die Bilanz zählt Radikale pro gezeigtem Reaktionsschritt. Das Modell beschreibt keine zeitliche Konzentrationskurve.
So ergibt sich die Gesamtgleichung
Cl• + CH₄ + •CH₃ + Cl₂ → HCl + •CH₃ + CH₃Cl + Cl•
Addiere die beiden Fortpflanzungsschritte. Cl• und •CH₃ stehen auf beiden Seiten und fallen beim Zusammenfassen weg.
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
Das Chlor-Radikal wird in der Kette regeneriert. Es ist ein Kettenträger; Licht ist die Energiezufuhr für den Start und kein Stoff in der Bilanz.
Warum oft mehrere Produkte entstehen
CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl
Auch Chlormethan besitzt C–H-Bindungen. Weitere Substitutionen können zu Dichlormethan, Trichlormethan und Tetrachlormethan führen. Bei längeren Alkanen können zusätzlich unterschiedliche Positionen chloriert werden.
Methanüberschuss
Viel Methan im Vergleich zu Chlor begünstigt die Einfachchlorierung. Ein ausschließlich reines Produkt ist dadurch nicht garantiert.
Chlorierung von Propan
Ein Austausch am Kettenende ergibt 1-Chlorpropan, in der Mitte 2-Chlorpropan. Die Mengen hängen sowohl von der Anzahl als auch von der Reaktivität der H-Atome ab.
Das ist eine Erklärung des Mechanismus, keine Versuchsanleitung. Chlorierung gehört wegen der beteiligten Stoffe und möglicher heftiger Reaktion nicht in einen Heimversuch.
Beispiel: Stoffmengen bei der Einfachchlorierung
Im idealisierten Modell reagieren 0,20 mol Methan mit 0,12 mol Chlor ausschließlich zu Chlormethan.
n(CH₄) : n(Cl₂) : n(CH₃Cl) : n(HCl) = 1 : 1 : 1 : 1
1. Chlor reicht nur für 0,12 mol Umsatz und ist der limitierende Stoff.
2. Es entstehen 0,12 mol CH₃Cl und 0,12 mol HCl.
3. Übrig bleiben 0,20 − 0,12 = 0,08 mol CH₄.
Reale Produktgemische und Abbruchprodukte sind in dieser Bilanzaufgabe bewusst ausgeblendet.
Acht Aufgaben: erst selbst lösen, dann vergleichen
1 · Erkläre „Substitution“ an Methan und Chlor.
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Vergleiche CH₄ und CH₃Cl.
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Ein H-Atom des Methans wird durch Cl ersetzt. Die Bilanz lautet CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl.
2 · Was unterscheidet Cl• von Cl⁻?
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Punkt und Minus bedeuten Unterschiedliches.
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Cl• ist ein ungeladenes Chlor-Radikal mit ungepaartem Elektron. Cl⁻ ist ein negativ geladenes Chlorid-Ion mit gefüllter Außenschale.
3 · Ordne Cl₂ → 2 Cl• einer Phase zu.
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Zähle Radikale auf beiden Seiten.
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Kettenstart: Aus keinem Radikal entstehen zwei. Die Bindung wird homolytisch gespalten.
4 · Ergänze: Cl• + CH₄ → …
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Chlor nimmt ein H-Atom auf.
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Es entstehen HCl und •CH₃. Je ein Radikal steht links und rechts: Kettenfortpflanzung.
5 · Warum ist •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl• kein Abbruch?
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Prüfe das zweite Produkt.
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Ein neues Chlor-Radikal entsteht. Es kann erneut Methan angreifen; die Kette wird fortgesetzt.
6 · Welches Produkt entsteht aus zwei Methyl-Radikalen?
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Verbinde die beiden C-Atome.
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•CH₃ + •CH₃ → CH₃–CH₃. Das Produkt ist Ethan, nicht Ethen. Zwei ungepaarte Elektronen bilden eine C–C-Einfachbindung.
7 · 0,30 mol CH₄ und 0,10 mol Cl₂ reagieren nur zur Einfachchlorierung. Berechne Produkt und Rest.
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Verwende das Verhältnis 1 : 1.
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Cl₂ limitiert. Es entstehen 0,10 mol CH₃Cl und 0,10 mol HCl. Es bleiben 0,20 mol CH₄, aber kein Cl₂ übrig.
8 · Warum kann bei der Chlorierung von Methan auch CH₂Cl₂ entstehen?
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Hat CH₃Cl noch C–H-Bindungen?
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Ja. Chlormethan kann erneut radikalisch substituiert werden: CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl. Deshalb kann ein Produktgemisch entstehen.
Kurzer Begriffscheck
Welcher Schritt verbraucht zwei Radikale und bildet kein neues?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Reaktionsschritte begründen
Einstieg: Methan und Chlormethan vergleichen. Welche Bindung wurde ersetzt?
Partnerarbeit: Eine Person wählt im Radikal-Labor einen Schritt, die andere ordnet die Phase anhand der Radikalbilanz zu.
Sicherung: Beide Fortpflanzungsschritte addieren und die Gesamtgleichung begründen. Aufgabe 7 verbindet den Mechanismus mit Stöchiometrie.
Kostenlose Materialien zum Weiterüben
Radikalische Substitution verstehen – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Direkt zum Thema: Kettenstart, Fortpflanzung und Abbruch unterscheiden.
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Vertiefung: Elektronenbewegungen und unterschiedliche Reaktionstypen vergleichen.
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Alkane und homologe Reihe – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Grundlagen auffrischen: Alkane, Summenformeln und homologe Reihe.
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Material ansehen und herunterladenFachlich weiterführend: OpenStax · Organic Chemistry