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Kohlenwasserstoffe
Zu den Kohlenwasserstoffen (KW) gehört eine Gruppe von chemischen Verbindungen, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen 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 einzelnen Stoffe ist durch die internationale IUPAC-Nomenklatur festgelegt. Kohlenwasserstoffe verbrennen in einer Oxidation unter Sauerstoffzufuhr. Dabei werden die Kohlenstoff-Atome zu Kohlenstoffdioxid und die Wasserstoff-Atome zu Wasser oxidiert. 
 

 
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Aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Ethen oder Ethin sind aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen zusammengesetzt, sie enthalten im Gegensatz zu den aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol keine aromatischen Bindungen. Acyclische Kohlenwasserstoffe sind in geraden oder verzweigten Ketten miteinander verbunden. Zu diesem Typ gehören beispielsweise die Alkane, die Alkene und die Alkine. Cyclische Kohlenwasserstoffe wie Cyclohexan oder Cyclohexen enthalten ringartige Bindungen. Kohlenwasserstoffe wie Ethan, die nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoff-Atomen enthalten, gehören zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen. Im Gegensatz dazu gehören Kohlenwasserstoffe wie Ethen oder Ethin mit Doppel- oder Dreifachbindungen zu den ungesättigten.


Alkane 
  
Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit C-C-Einfachbindungen. Die Familie der Alkane ist an der Endung -an zu erkennen. Methan ist der einfachste Vertreter, ein Methan-Molekül ist aus einem Kohlenstoff-Atom im Zentrum und vier Wasserstoff-Atomen aufgebaut. Ergänzt man im Methan-Molekül ein weiteres Kohlenstoff-Atom, erhält man ein Alkan mit zwei Kohlenstoff-Atomen und sechs Wasserstoff-Atomen. Auf diese Art und Weise lässt sich die homologe Reihe der Alkane darstellen:  
   
  
C-Atome   1   2   3   4

Methan Druckgasdose Ethan Druckgasdose Propan Druckgasdose Butan Druckgasdose
Valenz-
strich-
formel
Strukturformel Methan Strukturformel Ethan Strukturformel Propan Strukturformel Butan
Skelett-
formel
nicht
darstellbar
Ethan
Propan Butan
Summen-
formel
CH4 C2H6 C3H8 C4H10
Name Methan Ethan Propan Butan
       

In dieser Darstellung Aus dieser Reihe ergibt sich für die Alkane die allgemeine Summenformel nach dem Verknüpfungsgesetz CnH2n+2. Ab fünf Kohlenstoff-Atomen ist der Name der Alkane von den griechischen Zahlwörtern abgeleitet. Ab dem Butan tritt Stellungs-Isomerie auf.

  
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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 Summen-
formel 
Schmelz-
punkt 
Siede-
punkt
Flamm-
punkt
Methan CH4 -182 °C -161 °C  
Ethan C2H6 -183 °C -89 °C  -135 °C
Propan C3H8 -190 °C -42 °C  -104 °C
Butan C4H10 -135 °C -0,5 °C  -60 °C
Pentan C5H12 -130 °C +36 °C -49 °C
Hexan C6H14 -95 °C +69 °C -23 °C
Heptan C7H16 -91 °C +98 °C -4 °C
Octan C8H18 -57 °C +126 °C +12 °C
Nonan C9H20 -54 °C +151 °C +31 °C
Decan C10H22 -30 °C +174 °C +46 °C
Dodecan C12H26 -12 °C +215 °C  +74 °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-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 50 bis 60° Celsius. 
   

Mit steigender Kettenlänge steigt auch der Flammpunkt der Alkane. Die kurzkettigen Alkane sind extrem entzündbare Gase. Mit Luft oder mit Sauerstoff bilden sich explosionsgefährliche Gemische. Langkettige Alkane entflammen dagegen erst, wenn sie erhitzt werden, das ist zum Beispiel beim Paraffinöl der Fall. 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" oder 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" oder 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 acht bis zehn Kohlenstoff-Atomen nennt man Schwerbenzine. Im Diesel oder im Heizöl kommen Alkane mit bis zu zwölf Kohlenstoff-Atomen vor. Die langkettigen Paraffine werden als Lampenöl oder als Kerzenwachs verwendet. 
  

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Angefärbtes Lampenöl enthält heute keine Paraffine mehr.
Als Ersatzstoff eignen sich hierfür die Fettsäureester.  
 


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

  Substitutionsreaktion   
  

Alkene und Alkine 
  
Alkene erkennt man an der C=C-Doppelbindung. Die homologe Reihe der Alkene ergibt sich nach dem Verknüpfungsgesetz CnH2n. Die physikalischen Eigenschaften der Alkene entsprechen in etwa den Alkanen. Ethen- und Ethin-Luftgemische sind aber sehr explosiv. 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 ist Ethin (Verknüpfungsgesetz CnH2n-2).  
   
  
Alken mit 2 C-Atomen Alken mit 3 C-Atomen Alkin mit 2 C-Atomen
Ethenflasche Propenflasche Acetylenflasche
Ethen Propen Ethin
Ethen Propen Ethin
   
   
Die Alkene und die Alkine gehören zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen: Die Doppel- und Dreifachbindungen der Alkene und Alkine sind relativ instabil und können leicht aufgebrochen werden. 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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In einer Additionsreaktion addieren sich Atome oder Molekülgruppen an ein bestehendes Molekül. Besonders aufnahmefähig sind ungesättigte Zweifach- oder Dreifachbindungen. In unserem Beispiel wird die Zweifachbindung im Ethen aufgebrochen und zwei Brom-Atome addieren sich an das Molekül, so dass man den Halogenkohlenwasserstoff Dibromethan erhält:
  

Additionsreaktion
 

Cyclische und aromatische Kohlenwasserstoffe 
 
Bei den cyclischen Kohlenwasserstoffen ordnen sich die Kohlenstoff-Atome ringförmig an. Bei ihnen lassen sich die Elektronenpaarbindungen eindeutig zuordnen. Bei den aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol lassen sich die Doppelbindungen im Ring nicht mehr eindeutig zuordnen, die Elektronen sind delokalisiert. 
  
 
Cycloalkane und Cycloalkene als Beispiel für cyclische KW's  
  
Beim Cyclohexan, dem bekanntesten Vertreter dieser Gruppe, bilden sechs Kohlenstoff-Atome 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 wie Cyclohexen enthalten Doppelbindungen im Kohlenstoff-Ring. 
    

Cyclischer KW Aromatischer KW Aromat mit Methylgruppe
Cyclohexan-Flasche Benzolflasche Toluolflasche
Strukturformel Cyclohexan Strukturformel Benzol Strukturformel Toluol
Cyclohexan  Benzol Toluol
    

Aromatische KW's, Aromaten 
  
Der Begriff der Arene oder der Aromaten leitet sich vom aromatischen Geruch des Benzols ab. Im Benzol-Molekül lassen sich die bindenden Elektronen nicht mehr eindeutig einem Atom zuordnen, sie sind delokalisiert. Die dadurch zwischen den Ring-Bindungen vorkommenden, ringförmigen Elektronenwolken werden mit einem Kreis dargestellt. Diese Schreibweise geht auf Robert Robinson (1886-1975) zurück: 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 krebserzeugend und kann genetische Defekte verursachen. Die Flüssigkeit verbrennt mit stark rußender Flamme. Das ebenfalls giftige und im Erdöl vorkommende Toluol (Methylbenzol) besitzt neben dem Benzol-Ring eine CH3-Gruppe. 

Um Reaktionen in der organischen Chemie korrekt darstellen zu können, verwendet man bei den aromatischen Verbindungen überwiegend die Kekulé-Schreibweise. Sie ist benannt nach August Kekulé (1829-1896) und stellt wieder die Einfach- und Doppelbindungen dar. Vom Xylol existieren drei Isomere: 
  
 
 o-Xylol m-Xylol p-Xylol
o-Xylol m-Xylol   p-Xylol  
1,2-Dimethylbenzol 1,3-Dimethylbenzol 1,4-Dimethylbenzol
     
Der Name -methyl leitet sich vom Methan ab und kennzeichnet die CH3-Atomgruppe. Sind an den Benzol-Ring zwei Methyl-Gruppen angehängt, wie beim Xylol, dann erhält die Verbindung den Namen -dimethyl. Die Ziffern zu Beginn der Namen kennzeichnen die Stellungen der Methyl-Gruppen. 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 aromatische Kohlenwasserstoffe mit mehreren Benzol-Ringen. Ein Naphthalin-Molekül ist zum Beispiel aus zwei Benzol-Ringen aufgebaut. Naphthalin bildet Blättchen, die schon bei Zimmertemperatur sublimieren. Es wurde früher als "Mottenpulver" eingesetzt. Heute ist diese Anwendung nicht mehr erlaubt, da Naphthalin im Verdacht steht, Krebs zu erzeugen. 
  
 
Naphthalin Paranaphthalin Benzo(a)pyren
Naphthalin Anthracen   Benzpyren  
Naphthalen   Anthracen Benzo[a]chrysen
    

Anthracen ist ein Ausgangsstoff zur Herstellung von Farbstoffen, beispielsweise 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 fünf Benzolringen aufgebaute Benzo(a)pyren dar. Es kommt im Teer und im Zigarettenrauch vor und begünstigt das Entstehen von Lungenkrebs.
 
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