Elemente und Moleküle, Schulbuch

146 8 KoHLeNWASSeRStoffe Eigenschaften der Alkane Physikalische Eigenschaften Alkane sind unpolare Verbindungen . Zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff besteht nur ein geringer Unterschied in der Elektronegativität. Weiters sind Alkane infolge der 4-Bindigkeit des Kohlenstoffs sehr symmetrisch gebaute Moleküle. Daher be- steht als einzige Kraft zwischen Alkan-Molekülen die Van-der-Waals-Bindung. (Siehe Elemente, Kap. 2.4.4) Die Siedepunkte steigen mit zunehmender Kohlenstoffanzahl. Die ersten 4 Alkane sind gasförmig, C 5 –C 16 flüssig, die höheren unverzweigten Alka- ne fest. Die Schmelzpunkte der Alkane mit gerader C-Atomanzahl liegen relativ hö- her als die mit ungerader C-Atomanzahl. Auch bei isomeren Alkanen ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Van-der-Waals-Kräfte Unterschiede bei Siede- und Schmelzpunkten (Abb. 146.1). Die unverzweigten Alkane besitzen in der Regel hö- here Schmelz- bzw. Siedepunkte, da sie sich leichter in ein Kristallgitter einordnen lassen (Abb. 146.2). Auch die Viskosität (Zähflüssigkeit) nimmt mit zunehmender Anzahl der C-Atome zu. Da Stoffe mit hoher Viskosität eine gute Schmierfähigkeit besitzen, verwendet man Mischungen höherer, stark verzweigter Alkane als Schmier- öle. Infolge ihres unpolaren Charakters sind Alkane wasserunlöslich (hydrophob) . Die Dichte der Alkane ist bis zu sehr langen Ketten geringer als die Dichte des Was- sers, daher „schwimmen“ Alkane auf Wasser. Chemische Eigenschaften Alkane sind bei Raumtemperatur gegenüber den meisten Chemikalien sehr wider- standsfähig. Alkane nannte man früher Paraffine , was so viel wie „reaktionsträge“ bedeutet. (Lat.: parum = wenig; affinis = geneigt) Mit einigen Substanzen – Sauer- stoff und den Halogenen – können sie allerdings bei geeigneten Reaktionsbedin- gungen sehr heftig reagieren. Infolge der praktisch unpolaren Bindung erfolgt bei Reaktionen zumeist eine homolytische Spaltung, dh. die Reaktionen verlaufen über einen Radikalmechanismus. Verbrennung der Alkane Die Verbrennung ist eine der wichtigsten Reaktionen der Alkane. Fast alle heute verwendeten Brennstoffe wie das Erdgas, die verschiedenen Heizölsorten, die Treib- stoffe Benzin und Dieselöl bestehen hauptsächlich aus Alkanen. Ein Großteil der Alkane wird also zu Gewinnung von Energie verbrannt. Bei genügender Sauerstoffzufuhr entsteht bei der Verbrennung der Alkane Kohlen- stoffdioxid und Wasser (= „vollständige Verbrennung“). Verbrennt man Alkane an der Luft, so erkennt man, dass mit steigender C-Atomzahl die Leuchtkraft der Flam- me und die Rußentwicklung zunehmen, dh. längerkettige Alkane verbrennen an der Luft zumeist nur unvollständig. Zur Beurteilung der Feuergefährlichkeit der Alkane, der Produkte aus Alkanen und aus anderen brennbaren Stoffen dienen zwei Kenngrößen, die Entzündungstempe- ratur und der Flammpunkt . Leicht verdampfbare Alkane können mit Luft auch ex- plosive Gemische bilden. In diesem Fall kommen noch die Explosions- oder Zünd- grenzen als dritte Kenngröße dazu. Unter der Entzündungstemperatur (auch Zündtemperatur oder Zündpunkt ) versteht man die Temperatur, bei deren Überschreitung ein Stoff an der Luft von selbst zu brennen beginnt. Will man einen Stoff also anzünden, so muss er an einer Stelle über den Zündpunkt erhitzt werden. Dies kann zB mit einem brennenden Streich- holz geschehen oder mit einem Funken aus einem Feuerstein (Feuerzeug) oder ei- nem elektrisch erzeugten Funken (Zündkerze im Motor). Die freiwerdende Verbren- nungswärme reicht dann aus, um den Rest des Brennstoff-Luft-Gemisches über dem Zündpunkt zu halten. Die Verbrennung läuft dann von selbst weiter. Die Zündtemperatur vieler gängiger Treibstoff und Lösungsmittel aus dem Alltag ist (glücklicherweise) ziemlich hoch. Sie liegt meist bei einigen 100 °C (Siehe Abb. 147.1). Ein „irrtümliches“ Entzünden feuergefährlicher Stoffe durch beispielsweise eine glimmende Zigarette ist daher in den meisten Fällen nicht möglich. Trotzdem herrscht an Tankstellen und in Raffinerien striktes Rauchverbot, da die Zigaretten- ■ 146.1: Viskosität in Abhängigkeit von der C-Atom-Anzahl Saug mit einer Pipettierhilfe eine Pipette (Volumen: 10 mL) mit Benzin voll! Miss die Zeit des Auslaufens mit einer Stoppuhr! Wiederhol den Versuch mit Dieselöl und mit Paraffinöl! Entsorgung: keine; das Auslaufen erfolgt zurück ins Vorratsgefäß! SCHÜLeRVeRSUCH –200 –100 0 100 200 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C 9 C 10 Kp Fp Anzahl der C-Atome Temperatur in °C T Raum gut kristallisierbar (starke Van-der-Waals-Kräfte) schlecht kristallisierbar (schwache Van-der-Waals-Kräfte) Abb. 146.2: Gitterbildung bei Alkanen Abb. 146.1: Schmelz- und Siedepunkte der Alkane Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv