Kohlenwasserstoffe

Inhalt Unterteilung Alkane Alkene Alkine Cyclische und aromatische

Methan

Die Kohlenwasserstoffe stellen die einfachste Stoffgruppe der organischen Chemie dar. Sie sind nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen aufgebaut. Der einfachste Vertreter ist Methan, das den Hauptbestandteil des Erdgases ausmacht.

Unterteilung der 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. Beim Verbrennen der Kohlenwasserstoffe werden die Kohlenstoff-Atome zu Kohlenstoffdioxid und die Wasserstoff-Atome zu Wasser oxidiert.

 

Nach der Art ihrer Struktur werden die Kohlenwasserstoffe in Untergruppen unterteilt: Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen zusammengesetzt und enthalten keine aromatischen Bindungen. Die aromatischen Kohlenwasserstoffe enthalten dagegen mindestens einen aromatischen Ring. Ihr einfachster Vertreter ist Benzol.

Aliphat	Aliphat	Aromat	Aromat
Ethan	Ethen	Benzol	Toluol

Acyclische Kohlenwasserstoffe sind in geraden oder verzweigten Ketten miteinander verbunden. Zu dieser Untergruppe gehören beispielsweise die Alkane, die Alkene und die Alkine. Cyclische Kohlenwasserstoffe wie Cyclohexan oder Cyclohexen enthalten ringartige, nichtaromatische Bindungen.

Acyclischer KW	Acyclischer KW	Cyclischer KW	Cyclischer KW
Methan	Ethen	Cyclohexan	Cyclohexen

Kohlenwasserstoffe wie Ethan, die nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoff-Atomen enthalten, gehören zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen. Im Gegensatz dazu zählen Kohlenwasserstoffe wie Ethen oder Ethin mit Doppel- oder Dreifachbindungen zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen.

Gesättigter KW	Ungesättigter KW	Ungesättigter KW	Ungesättigter KW
Ethan	Ethen	Ethin	Cyclohexen

Die Benennung der einzelnen Stoffe ist durch die internationale IUPAC-Nomenklatur festgelegt. 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:  

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

Eigenschaften der Alkane

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. Sie liegen etwa ab dem Hexadecan bei Raumtemperatur im festen Zustand vor. Die langkettigen Kohlenwasserstoffe dieser Reihe ab dem Pentadecan kommen im Paraffin vor. Es existieren Paraffine mit bis zu 50 Kohlenstoff-Atomen in einer Reihe.

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 °C. 
   
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, umso mehr rußt die Flamme, da die langkettigen Alkane nur unvollständig verbrennen. 

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. 

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. 

  
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. Das energiereiche UV-Licht und die Wärme erzeugen aus dem molekularen Brom einige Brom-Radikale Br•, die das Hexan-Molekül angreifen können:

Radikalbildung durch UV-Licht und Wärme:   Br₂   Br•  +  •Br

In der Gesamtreaktion 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 durch eine radikalische Substitution (S_R) getauscht:

    

  
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- 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 C_nH_2n-2).  

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). 

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:

Zum genaueren Verständnis wird der Reaktionsmechanismus erläutert: Das Brom-Molekül Br₂ geht eine Wechselwirkung mit der Doppelbindung im Alken ein und wird selbst dabei polarisiert. Das entstehende elektrophile Bromonium-Ion Br⁺ vermag die Doppelbindung aufzureißen, in dem es sich an die Bindung addiert und mit den Kohlenstoff-Atomen ein positiv geladenes Carbonium-Ion bildet. Das nucleophile Bromid-Ion Br⁻ sucht die Bindung am elektrophilen Carbonium-Ion und addiert sich ebenfalls in das Molekül. Da die Reaktion durch das elektrophile Bromonium-Ion eingeleitet wird, handelt es sich hier um eine elektrophile Addition (A_E).

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. 

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. 

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: 

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 Ringen. Ein Naphthalin-Molekül ist zum Beispiel aus zwei Ringen aufgebaut. Naphthalin bildet Blättchen, die schon bei Zimmertemperatur sublimieren. Es wurde früher in Mottenkugeln eingesetzt. Heute ist diese Anwendung nicht mehr erlaubt, da Naphthalin im Verdacht steht, Krebs zu erzeugen. 

Anthracen ist ein Ausgangsstoff zur Herstellung von Farbstoffen, beispielsweise zur Alizarinsynthese, einem Farbstoff, der in der Natur in der Krappwurzel vorkommt. Ein Anthracen-Molekül ist aus drei Ringen aufgebaut. Ein besonders krebserzeugender Kohlenwasserstoff stellt das aus fünf Ringen aufgebaute Benzo(a)pyren dar. Es kommt im Teer und im Zigarettenrauch vor und begünstigt das Entstehen von Lungenkrebs.

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