Kohlenwasserstoffe. Benzol Naphthalin usw. Alkane Alkene Alkine Cycloaliphaten. Ethen (Ethylen) Propen u.s.w. Ethin (Acetylen) Propin u.s.w.

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Curt Beutel
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1 OI_folie47 Kohlenwasserstoffe Aliphaten Aromaten Benzol Naphthalin usw. Alkane Alkene Alkine ycloaliphaten Methan Ethan u.s.w Ethen (Ethylen) Propen u.s.w. Ethin (Acetylen) Propin u.s.w. ycloalkane ycloalkene ycloalkine yclopropan yclobutan u.s.w. yclopropen yclobuten u.s.w. z.b. yclooctin

2 OI_folie48 Bestandteile des Erdöls (Erdgases) Fraktion Siedebereich Zahl der Kohlenstoffatome Nutzung Erdgas unterhalb Gasheizung Petrolether Lösungsmittel Ligroin Lösungsmittel Rohbenzin , und ycloalkane Ottomotor (Benzin) Leuchtöl, Kerosin , und Aromaten Flugzeugmotoren Gasöl, Dieselöl, eizöl Schmieröl Asphalt, Petroleumkohle über und höher Dieselmotoren und Ölheizung nicht flüchtige Öle Ringe mit langen Schmierstoffe Seitenketten Feststoffe Polycyclen Straßenbau

3 OI_folie49 Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe) nur sp 3 sp 3 und sp 3 Bindungen Summenformel: n 2n+2 (n = 1, 2, 3, 4,... ) n Nomenklatur Summenformel Struktur 1 Methan 4 sp 3 2 Ethan 2 6 sp 3 sp 3 =^ Propan 3 8 =^ 3 2 3

4 OI_folie50 Struktur- bzw. Konstitutionsisomere von Alkanen n Nomenklatur Summenformel Struktur 4 Butan Konstitutionsisomere 5 Pentan Konstitutionsisomere n-butan (Sdp. 0 ) Isobutan (Sdp. -12 ) n-pentan 3 (Sdp. +36 ) Isopentan (Sdp. +28 ) Neopentan (Sdp ) 6 exan Konstitutionsisomere 7 eptan Konstitutionsisomere 8 Octan Konstitutionsisomere 9 Nonan Konstitutionsisomere 10 Decan Konstitutionsisomere 17 eptadecan Konstitutionsisomere 20 Eicosan Konstitutionsisomere

5 OI_folie51 Nomenklatur Alkan ( n 2n+2 ) Alkyl ( n 2n+1 ) Methan ( 4 ) Methyl ( 3 ) Ethan ( 2 6 ) Ethyl ( 2 5 ) Propan ( 3 8 ) Propyl ( 3 7 ) Butan ( 4 10 ) Butyl ( 4 9 ) Pentan ( 5 12 ) Pentyl ( 5 11 ) exan ( 6 14 ) exyl ( 6 13 ) eptan ( 7 16 ) eptyl ( 7 15 ) Octan ( 8 18 ) Octyl ( 8 17 ) Nonan ( 9 20 ) Nonyl ( 9 19 ) Decan ( ) Decyl ( ) Undecan ( ) Undecyl ( ) Dodecan ( ) Dodecyl ( ) Tridecan ( ) Tridecyl ( ) Tetradecan ( ) Tetradecyl ( ) Pentadecan ( ) Pentadecyl ( ) : : Eicosan ( ) Eicosyl ( ) : :

6 OI_folie52 Alkyl Reste ( n 2n+1 ) (IUPA-Name) 3 Methyl 2 5 Ethyl Propyl n-propyl - (1-Propyl-) 3 3 Isopropyl - (2-Propyl-) n-butyl - (1-Butyl-) sec.-butyl (sec. = sekundär) Isobutyl - (2-Methylpropyl-) tert.-butyl (tert. = tertiär) 3 (1,1-Dimethylethyl-) n-pentyl - (1-Pentyl-) Isopentyl - (3-Methylbutyl-) 3 Neopentyl (2,2-Dimethylpropyl-) Butyl- (2-Butyl- Pentyl- exyl n-exyl - (1-exyl-) Isohexyl - (4-Methylpentyl-)

7 Konnektivität OI_folie53b primäres Atom verbunden mit einem Rest: 3 R sekundäres Atom verbunden mit zwei Resten: R 1 2 R 2 tertiäres Atom verbunden mit drei Resten: R 1 R 3 quartäres Atom verbunden mit vier Resten: R 2 R 2 R 1 R 4 R 3 2 Beispiele: prim. sek prim. 3 tert. 3 3 prim. quart n-butan i-butan Methylpropan Neopentan Dimethylpropan Physikalische Eigenschaften der Alkane Dichte, 25 : d = g/cm 3 (Alkane) d = 1.0 g/cm 3 ( 2 O) Löslichkeit: gut löslich in unpolaren oder schwach polaren, organischen Lösungsmitteln wie beispielsweise Benzol ( 6 6 ), Tetrachlormethan (l 4 ), hlororform (Trichlormethan, l 3 ) oder Diethylether ( 3 2 O 2 3 ) unlöslich in 2 O

8 IUPA Nomenklatur (IUPA = International Union of Pure and Applied hemistry) OI_folie53 Nomenklatur Regeln; 1. Als Grundstrukur wählt man die längste fortlaufende Kohlenstoffkette und bezeichnet die Seitenketten als Alkylgruppen Beispiel: Methylpropan 2. Die Bezifferung der -Atome der auptkette wird so gewählt, daß die alkyl-substituierten -Atome die niedrigsten Ziffern tragen. Beispiel: Methylpentan 3 3. Tritt die gleiche Alkyl-Gruppe mehrfach als Seitenkette auf, dann wird das durch die Vorsilben Di, Tri, Tetra, Penta, exa u.s.w. angezeigt Beispiel: ,2,4-Trimethylpentan Unterschiedliche Alkylgruppen werden in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt ,3-Diethyl-5-isopropyl-4- methyloctan

9 OI_folie54 [ ] n-alkane n 2n+2 Sdp. (Sdp.-Erhöhung um pro 2 -Gruppe) n n 2n+2 Methan: 1 4 Ethan: Propan: n-butan: n-pentan: Schmp n Bei 25 n-alkane: gasförmig flüssig (Siedebereich: +36 n-pentan; +292 n-eptadecan) kristallin

10 Reaktionen von Methan 1. Verbrennung von Methan O 2 O O V = -213 kcal/mol (-891 kj/mol) V Verbrennungswärme OI_folie55 Standardbildungsenthalpie f bei 25 ( K) Definition: f = 0 bei Elementen der stabilsten Modifikation in ihrem Standardzustand bei K und kpa (1 atm) [kj/mol] (Graphit) + 2 (Gas) 4 O O V = f [O 2 (g)] = f [ 2 O (fl)] = -572 f [ 4 ] = -75 Bildungsenthalpien einiger ausgewählter Elemente und Verbindungen in kj/mol (normiert auf 25 ) Element bzw. Verbindung (Aggregatzustand) (Graphit) 0 0 f kj/mol (Diamant) 1.88 O 2 (Gas) O (Gas) O (Flüssigkeit) (Gas) (Gas) (Gas) ( 2 ) 2 3 (Gas) ( 3 ) 3 (Gas) ( 2 ) 3 3 (Gas) ( 2 ) 3 3 (Flüssigkeit) , O 2, N 2 (Gas) 0 (Gas, atomar) O (Gas, atomar) (isolierte Atome) = 2 (Gas) 52.3 (Gas) 226.9

11 2. Weitere Oxidationsreaktionen OI_folie O O O Ni-Katalysator T Katalysator O Acetylen O Synthesegas wichtig für Ammoniak-Synthese nach dem aber-bosch-verfahren 3 O Methanol (flüssig) 3. hlorierung von Methan 4 + l 2 T oder hν 3 l + l Methylchlorid oder hlormethan 3 T oder hν l + l 2 2 l 2 + l Methylenchlorid oder Dichlormethan (organisches Lösungsmittel) T oder hν 2 l 2 + l 2 T oder hν l 3 + l 2 l 3 + l hloroform oder Trichlormethan (organisches Lösungsmittel; früher als Narkotikum verwendet) l 4 + l Tetrachlorkohlenstoff oder Tetrachlormethan (nicht brennbares organisches Lösungsmittel früher als Füllung in Inertlöschern verwendet) Reaktivität der alogene gegenüber Methan F 2 > l 2 > Br 2 > (I 2 ) abnehmende Reaktivität

12 OI_folie57 hlorierung von Methan Reaktionsmechanismus: radikalische Substitution Kettenreaktion Start: T oder hν l l 2 l hlorradikale Kettenfortpflanzung 3 + l l + 3 Methylradikal 3 + l l 3 l + l Kettenabbruch 2 l l l l 3 l Ineffektive Schritte l +l l l l + l

13 OI_folie58 Reaktionsverlauf der Wasserstoff-Übertragung vom Methan- Molekül auf das hloroform (Die beteiligten Orbitale sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet) E a = 4 kcal/mol = 1 kcal/mol E a = Aktivierungsenthalpie = Reaktionsenthalpie

14 OI_folie59 Reaktionswärme bzw. Reaktionsenthalpie Bestimmung von aus den Bindungsdissoziationsenthalpie BDE in kcal/mol 3 l l + 3 l + l = = -25 kcal/mol 187 exotherm exothermer Prozess (setzt Energie frei) endothermer Prozess (nimmt Energie auf) Reaktionsenthalpien der Einzelschritte l l 58 2 l [kcal/mol] + 58 endotherm 3 + l 3 + l schwach endotherm 3 + l l 3 l+l - 26 stark exotherm l + l l l l 3 l stark exotherm Abbruchreaktionen

15 OI_folie60 2 l E pot [kcal/mol] = 58 2 l l l E A = 0 kcal/mol l l Reaktionskoordinate, RK... r l l E pot [kcal/mol] E A1 = 4 l + l l + 1 = 1 3 E A2 3 +l 2 = -26 Reaktionskoordinate, RK 3 l +l

16 OI_folie61 Reaktionsgeschwindigkeit = äufigkeitsfaktor x Orientierungsfaktor x Energiefaktor Der äufigkeitsfaktor beinhaltet die Konzentration bzw. den Druck der Reaktionspartner. Um so mehr Teilchen sich in einem Raumsegment befinden, desto größer ist die Stoßzahl. Der Orientierungsfaktor gibt die Wahrscheinlichkeit der effektiven Zusammenstöße an, daher auch Wahrscheinlichkeitsfaktor z.b. Methan l 3 + l l l l l l 3 + l Orientierungsfaktor ( 4 ) Orientierungsfaktor (l 3 ) = 4 1

17 OI_folie62 Der Energiefaktor gibt die Anzahl der Zusammenstöße an, deren Energie größer als die Aktivierungsenergie E A sind. Diese Größe ist temperaturabhängig. Zahl der Zusammenstöße mit einer bestimmten Energie T 1 T 2 > T 1 T 2 E A Energie Energiefaktor = - E e A /RT Arrheniusgleichung: k -E = A /RT Z P e k - Geschwindigkeitskonstante Z - äufigkeitsfaktor P - Wahrscheinlichkeitsfaktor E A - Aktivierungsenergie e = 2, 7, 18 (Basis der natürlichen Logerithmen) R = cal -1 K -1 (Gaskonstante) T = ( t ) K

18 OI_folie63 F l Br I = X X 2 2 X X + 4 X [kcal/mol] 3 + X 2 3 X + X E [kcal/mol] 4 + F E A =? E [kcal/mol] = -32 E A = l +1 l F Reaktionskoordinate, RK Reaktionskoordinate, RK E [kcal/mol] E [kcal/mol] 3 + I E A = Br E A > Br Reaktionskoordinate, RK 4 + I Reaktionskoordinate, RK

19 E Struktur des Methylradikals OI_folie64 2 p z 2 p x 2 p y 2 p y sp 3 2 s sp 2 Methylradikal 3 sp 2 hybridisiert t.-butylradikal ( 3 ) schnell 3 3 sp 3 hybridisiert nicht planar 3 sp Resonanzstrukturen

20 OI_folie65 Methyl-Kation 3 2 p y vakant sp 2 sp 2 Methyl-Anion 3 sp 3 schnell vergleichbar mit N 3 N N jedoch: sp 2 O 2 arbanion O 2 Enolatanion O

21 OI_folie66 E δ δ l Übergangszustand E A sp 2 l sp 3 l d Reaktionskoordinate, RK d l sp 3 sp l δ δ l + l Br δ δ (δ ) Br + Br 88 Übergangszustand

22 OI_folie67 ammond - Postulat Die Struktur des Übergangszustandes (Ü.Z.) ist bei exothermen Reaktionen den Ausgangsprodukten und bei endothermen Reaktionen den Endprodukten ähnlich. früher Ü.Z. Edukt-ähnlich [ A B ] später Ü.Z. Produkt-ähnlich [ A B ] E A + B endotherme Reaktion A B + A + B exotherme Reaktion d A B Reaktionskoordinate, RK d B

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