Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe (KW)

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Zu den Kohlenwasserstoffen gehört eine Gruppe von chemischen Verbindungen, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aufgebaut sind. Sie kommen in den fossilen Energieträgern in großer Zahl und Vielfalt vor. Nach der Art ihrer Struktur werden die Kohlenwasserstoffe in unterschiedliche Gruppen eingeteilt. Die Benennung der Stoffe ist durch die internationale IUPAC-Nomenklatur festgelegt. Kohlenwasserstoffe verbrennen in einer Oxidation unter Sauerstoffzufuhr. Dabei werden die Kohlenstoffatome zu Kohlenstoffdioxid und die Wasserstoffatome zu Wasser oxidiert.

1. Bei den acyclischen (auch aliphatischen) Kohlenwasserstoffen sind die Kohlenstoffatome in geraden oder verzweigten Ketten miteinander verbunden.

a) Alkane

Kohlenwasserstoffe, die nur C-C-Einfachbindungen enthalten, heißen Alkane. Sie gehören zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen (im Gegensatz zu den ungesättigten KW's mit Doppel- oder Dreifachbindungen). Die Familie der Alkane ist an der Endung -an zu erkennen; ihr einfachster Vertreter heißt Methan und ist aus einem Kohlenstoffatom im Zentrum und vier Wasserstoffatomen aufgebaut. Ergänzt man im Methanmolekül ein weiteres Kohlenstoffatom, erhält man ein Alkan mit zwei Kohlenstoffatomen und 6 Wasserstoffatomen (Ethan). Auf diese Art und Weise lässt sich die homologe Reihe der Alkane darstellen:

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Aus dieser Reihe ergibt sich für die Alkane die allgemeine Summenformel nach dem Verknüpfungsgesetz C_nH_2n+2. Ab fünf Kohlenstoffatomen ist der Name der Alkane von den griechischen Zahlwörtern abgeleitet. Ab dem Butan tritt Stellungs-Isomerie auf.

Mit zunehmender Kettenlänge steigen die Siedetemperaturen der Alkane. Die ersten vier sind gasförmig, danach sind sie flüssig und werden bei langen Kettenlängen und steigender Molekülmasse zunehmend zähflüssig.

Name	Summenformel	Schmelzpunkt	Siedepunkt	Flammtemperatur
Methan	CH₄	-182°C	-161°C
Ethan	C₂H₆	-183°C	-89°C
Propan	C₃H₈	-189,7°C	-42°C
Butan	C₄H₁₀	-135°C	-0,5°C
Pentan	C₅H₁₂	-130°C	+36°C	-50°C
Hexan	C₆H₁₄	-95°C	+69°C	-23°C
Heptan	C₇H₁₆	-91°C	+98°C	-4°C
Octan	C₈H₁₈	-57°C	+126°C	+16°C
Nonan	C₉H₂₀	-54°C	+151°C	+31°C
Decan	C₁₀H₂₂	-30°C	+174°C	+46°C
Dodecan	C₁₂H₂₆	-12°C	+215°C
Hexadecan	C₁₆H₃₄	+18°C	+287°C	+135°C
Heptadecan	C₁₇H₃₆	+22°C	+302°C	+155°C

Die steigenden Siedetemperaturen lassen sich aufgrund der steigenden Kräfte, die zwischen den Molekülen wirksam sind, erklären. Bei kleineren Molekülen sind die zwischenmolekularen Anziehungskräfte relativ schwach. Sie können daher leichter verdampfen. Mit zunehmender Molekülmasse steigen diese Kräfte, die auch als Van-der-Waals'sche Kräfte bezeichnet werden. Ab Heptadecan liegt ein fester Aggregatzustand vor. Paraffinöl ist ein Gemisch langkettiger Alkane. Festes Paraffin ist eine feste, durchscheinende, weiße Masse mit einer Schmelztemperatur von ca. 50-60 °C.

Mit steigender Kettenlänge steigt auch die Flammtemperatur der Alkane. Die kurzkettigen Alkane sind hochentzündliche Gase, bzw. leichtentzündliche Flüssigkeiten. Mit Luft oder mit Sauerstoff bilden sich explosionsgefährliche Gemische. Langkettige Alkane entflammen dagegen erst, wenn sie erhitzt werden, z.B. beim Paraffinöl. Je länger die Kette, um so mehr rußt die Flamme, da die langkettigen Alkane nur unvollständig verbrennen.

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Alkane weisen keine Polarität auf und sind daher nicht wasserlöslich (sie sind "hydrophob" = "dem Wasser abgeneigt"). Ihre Dichte ist geringer als Wasser, daher schwimmen die Alkane auf dem Wasser. Untereinander sind sie gut löslich und bilden eine klare Lösung. Sie lösen sich in allen unpolaren Lösungsmitteln (sie sind "lipophil" = "dem Fett zugeneigt"). Benzin stellt ein Gemisch verschiedener Alkane dar. Es ist nicht wasserlöslich, schwimmt auf dem Wasser und löst alle Alkane.

Vorkommen und Gewinnung der Alkane:
Die Alkane kommen in großer Vielzahl im Erdöl vor. Man gewinnt sie durch die fraktionierte Erdöldestillation. Gemische von Pentan bis Heptan werden als Leichtbenzine bezeichnet, sie kommen im normalen Autobenzin vor. Gemische mit 8 bis 10 Kohlenstoffatomen nennt man Schwerbenzine. Im Dieselbenzin und im Heizöl kommen Alkane mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen vor. Die langkettigen Paraffine werden als Lampenöl oder als Kerzenwachs verwendet.

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Substitutionsreaktion der Alkane:
Vermischt man in einem Reagenzglas ein Alkan - z.B. Hexan - mit Bromwasser, löst sich das Brom nach dem Schütteln mit gelber Farbe im Hexan. Durch bloßes Erhitzen lässt sich aber keine weitere Reaktion erreichen. Erst beim Erwärmen und Bestrahlen mit UV-Licht tritt eine Reaktion ein, und das Bromwasser entfärbt sich. In einer Substitutionsreaktion reagiert das Brom mit dem Hexan zu Bromwasserstoff und Bromhexan, das zur Familie der Halogenkohlenwasserstoffe gehört. Bei einer Substitutionsreaktion werden Atome oder Atomgruppen ausgetauscht (von engl. substitute, ersetzen):

b) Alkene und Alkine

Alkene erkennt man an der C=C-Doppelbindung. Die homologe Reihe der Alkene ergibt sich nach dem Verknüpfungsgesetz C_nH_2n. Die physikalischen Eigenschaften der Alkene entsprechen in etwa den Alkanen. Ethen-Luftgemische sind aber sehr explosiv (Ethin-Luftgemisch sogar hochexplosiv). Alkene, die zwei Doppelbindungen besitzen, erhalten die Endung -diene, Alkene mit drei Doppelbindungen die Endung -triene. Alkine sind an einer Dreifachbindung zu erkennen, ihr einfachster Vertreter heißt Ethin (Verknüpfungsgesetz C_nH_2n-2).

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Die Alkene und die Alkine gehören zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen (die Alkane zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen). Die Doppel- und Dreifachbindungen der Alkene und Alkine sind relativ instabil und können leicht aufgebrochen werden. Dabei addieren sich in einer Additionsreaktion andere Atome oder Molekülgruppen an die ungesättigte Zweifach- oder Dreifachbindung. Leitet man Ethen durch Bromwasser, entfärbt sich das Bromwasser schnell, ohne dass UV-Licht benötigt wird (>Nachweis einer C=C-Mehrfachbindung).

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Dabei wird die Zweifachbindung im Ethen aufgebrochen und zwei Bromatome addieren sich an das Molekül, so dass man Dibromethan erhält, eine farblose Verbindung, die zu den Halogenkohlenwasserstoffen gehört:

2. Bei den cyclischen Kohlenwasserstoffen ordnen sich die Kohlenstoffatome ringförmig an. Diese Gruppe wird ein zwei Gruppen gegliedert: Bei den alicyclischen KW's bilden die Kohlenstoffatome Ringverbindungen, deren Elektronenpaarbindungen eindeutig zuzuordnen sind, z.B. bei den Cycloalkanen oder den Cycloalkenen. Bei den Aromaten lassen sich die Doppelbindungen im Ring nicht mehr eindeutig zuordnen, die Elektronen sind delokalisiert.

a) Cycloalkane, Cycloalkene

Beim Cyclohexan, dem bekanntesten Vertreter dieser Gruppe, bilden sechs Kohlenstoffatome einen Ring. Cyclohexan bildet zwei Konformations-Isomere. Chemisch sind die Cycloalkane relativ reaktionsträge, weshalb sie als Lösungsmittel gut verwendet werden können. Sie kommen ebenfalls im Erdöl vor und wurden früher aufgrund ihrer Herkunft als Naphthene bezeichnet. Cycloalkene enthalten Doppelbindungen im Kohlenstoffring.

Cyclohexan

b) Aromaten

Die Bezeichnung dieser Stoffgruppe leitet sich vom aromatischen Geruch das Benzols ab. Im Benzolring lassen sich die bindenden Elektronen nicht mehr eindeutig einem Atom zuordnen, sie sind delokalisiert. Die dadurch zwischen den Ringbindungen vorkommenden, ringförmigen Elektronenwolken werden mit einem Kreis dargestellt.

Benzol

Methylbenzol

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Benzol ist eine aromatisch riechende, farblose Flüssigkeit, die im Erdöl und in der Steinkohle vorkommt. Sie ist nicht wasserlöslich und nur mit unpolaren Lösungsmitteln vermischbar. Benzol ist stark giftig, krebserzeugend und erbgutverändernd. Es verbrennt mit stark rußender Flamme.

Das ebenfalls giftige und im Erdöl vorkommende Toluol (Methylbenzol) besitzt neben dem Benzolring eine CH₃-Gruppe. Der Name -methyl leitet sich vom Methan ab und kennzeichnet die CH₃-Atomgruppe. Sind an den Benzolring zwei Methylgruppen angehängt, wie beim Xylol, dann erhält die Verbindung den Namen -dimethyl:


1,2-Dimethylbenzol	1,3-Dimethylbenzol	1,4-Dimethylbenzol
o-Xylol	m-Xylol	p-Xylol

Die Ziffern zu Beginn der Namen kennzeichnen die Stellungen der Methylgruppen. Das im Handel erhältliche Xylol besteht aus einem Gemisch dieser drei Isomere. Es wird als Zusatz im Autobenzin, in der Lackindustrie und als Lösungsmittel verwendet.

Es existieren auch Verbindungen mit mehreren Benzolringen. Diese werden als polycyclische Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Ein Molekül des Naphthalins ist aus zwei Benzolringen aufgebaut. Es bildet Blättchen, die schon bei Zimmertemperatur sublimieren. Daher wurde es früher als Mottenpulver eingesetzt.


Naphthalin	Anthracen	Benzpyren

Anthracen ist ein Ausgangsstoff zur Herstellung von Farbstoffen, z.B. zur Alizarinsynthese, einem Farbstoff, der in der Natur in der Krappwurzel vorkommt. Anthracen besitzt im Molekülbau drei Benzolringe. Ein besonders krebserzeugender Kohlenwasserstoff stellt das aus 5 Benzolringen aufgebaute Benzpyren dar. Benzpyren kommt im Teer und im Zigarettenrauch vor und begünstigt das Entstehen von Lungenkrebs.

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