Alkane als Kraftstoffe Du hast bereits gelernt, dass bei der fraktionierten Destillation Alkane erhalten werden können, die geeignet sind als Kraftstoffe eingesetzt zu werden. Unterschiedliche Motoren brauchen unterschiedliche Kraftstoffe, was vor allem von deren Fähigkeit abhängt das Kraftstoff/Luft-Gemisch zu verdichten. Ausserdem enthalten die Kraftstoffe Additive (Zusatzstoffe bis zu 10%), welche das Vereisen verhindern, best. Bestandteile vor Oxidation durch die Luft schützen, Metallteile des Motors vor Korrosion bewahren und eine starke Verdichtung erlauben (kontrollierte Verbrennung ; Antiklopfmittel) Lies den Exkurs zu Kraftstoffe auf dem Prüfstand Wovon hängt die Klopffestigkeit ab?
Alkane als Kraftstoffe - Welche Bestandteile des Erdöls werden als Benzin eingesetzt? - Welche Eigenschaften bezüglich der Flammtemperatur muss ein solches Alkan besitzen? - Wann klopft ein Motor? Was ist eine kontrollierte/ ruhige Verbrennung? - Was ist die Octanzahl? - Was bedeutet MOZ und FOZ? - Wenn ein Stoff die Octanzahl 80 hat? Wie verhält er sich im Motor?
Reaktion mit Halogenen Alkane reagieren nicht nur mit dem Nichtmetall Sauerstoff, sondern auch mit den reaktiven Halogenen (z.b. Chlor und Brom). Dabei entstehen die sog. Halogenalkane. Eine spezielle Untergruppe sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), die früher als Kühlmittel/ Treibmittel eingesetzt wurden. Bei der Reaktion wird das Grundgerüst der Kohlenwasserstoffe nicht zerstört (vgl. Bildung von CO 2 ), aber ein Wasserstoff wird zur Bildung von HBr genutzt. Schau dir auf S. 304 die Bilder und die Gleichung an!
Aufgabe: Substitutionsreaktion 1. Lies das Theorieblatt zur Substitutionsreaktion. 2. Notiere folgende Fragen und beantworte sie schriftlich: - Was ist ein Reaktionsmechanismus? - Was sind Radikale? Was ist das Spezielle an ihnen? - Könnte es auch Sauerstoff-Radikale geben? - Was könnte Homolyse bedeuten? - Was passiert, wenn ein Chlorradikal auf ein schon entstandenes Halogenalkan trifft? 3. Führe mit Molymod eine zweifache Chlorierung von Ethan durch und notiere die Reaktionsgleichung. Gibt es isomere Produkte? 4. Wie verändert sich der Siedepunkt und wie die Reaktivität mit der Zunahme an Halogenatomen und warum (Polarisierbarkeit und Polarität der Bindungen)?
Aufgabe: Abschluss Alkane 1. Mach dich schlau, wie Halogenalkane eingesetzt werden (wurden). 2. Spiele die Reaktionen nach, die zwischen Ozon und Trichlorfluormethan in der Atmosphäre ablaufen. 3. Welche allgemeine Summenformel haben Cycloalkane? 4. Warum ist Cyclopropan instabil? Baue es! 5. Baue ein Cyclohexan und versuche die beiden Formen (Sessel- und Wannenform) in einander überzuführen. Welcher Art der Isomerie entsprechen die Formen? 6. Was bedeutet Abstossung der Wasserstoffatome?
Vom Cracken zu den Alkenen Bestimmte Fraktionen der Erdöldestillation werden durch Cracken in kürzere Kohlenwasserstoffe (Benzin) umgewandelt. Man unterscheidet thermisches (Hitze) und katalytisches Cracken. - Es entstehen gasförmige und flüssige Reaktionsprodukte (s. Bu. S. 308). - Die Flüssigkeiten sind im Gegensatz zum Ausgangsprodukt dünnflüssig und bei RT entflammbar. Warum? - Beim Verbrennen der Gase ist ein sehr starke Russentwicklung feststellbar, stärker als bei niederen Alkanen. Warum? - Die Reaktion der Crackprodukte mit Brom verläuft bereits im Dunkeln und schneller als mit den Alkanen. - Beim Cracken sind Radikale im Spiel. Baue ein Butan und cracke es in Ethan und den Rest. Kannst du die oben genannten Fakten erklären?
Ergebnis Beim Cracken entstehen aus langen Kohlenwasserstoffen kurze Ketten (Sdp.). Diese bilden sich durch Zerfall der langen Ketten (Radikale) und anschliessende Vereinigung der Bruchstücke. Dabei entstehen Moleküle mit Doppelbindungen (oder ringförmige KW) die also einen höheren Kohlenstoffanteil, im Vergleich zum Wasserstoffanteil haben (Russbildung) und auf Grund der veränderten Bindung eine erhöhte Reaktivität mit Brom aufweisen. Dies sind die Alkene.
Eigenschaften der Alkene - Schmelz- und Siedetemperaturen sind ähnlich denen der Alkane (Bsp.: Propan: -42 C, Propen: -47 C). - Zwischenmolekulare Kräfte (VdW-Kräfte) bestimmen nicht nur die Siedetemperaturen, sondern auch die Löslichkeit: in Wasser nur in Spuren löslich, untereinander gut löslich (wie Alkane). - Die Viskosität nimmt mit erhöhter Anzahl C-Atome zu (Kettenlänge). - Auch Alkene sind brennbar (Reaktion mit Sauerstoff), haben aber im Vergleich zu den Alkanen stärker russende Flammen (Alkane: C n H 2n+2 ; Alkene: C n H 2n ).
Intermezzo: Aufgaben 1. Zeichne die fünf isomeren Alkene (nur Konstitution) mit der Summenformel C 5 H 10 und benenne sie. 2. Zeichne alle isomeren Butene und ordne sie nach ihren Siedetemperaturen (7 C, -6 C, -4 C und 1 C) (alle Molküle haben dieselbe Zahl Elektronen; wo sitzen viele Elektronen?) 3. Zeichne: 1,3-Butadien; 1,3,5,7-Octatetraen; 2-Ethyl-1,4-Pentadien; 3-Methyl-3,5-Hexadien
Die elektrophile Addition Alkane reagieren mit Halogenen unter Lichteinwirkung in einem Prozess beim dem Radikale entstehen. Man spricht von radikalischer Susbtitution (S R ). Auch Alkene reagieren mit Halogenen, allerdings schneller als die Alkane und auch im Dunkeln. Bei der Substitution entsteht als Nebenprodukt HHal (Halogenwasserstoff), da ja der Wasserstoff nur ersetzt wird. Bei der Reaktion der Alkene entsteht keine Nebenprodukt. Die Halogene werden komplett verbraucht. Es läuft die sogenannte elektrophile Addition (A E ) ab.
Aufgabe A E - Lies im Buch S. 310-311 (ab Die elektrophile Addition) ohen den grünen Kasten. - Versuche Abbildung 60 parallel dazu zu verstehen. - Was bedeuten die Begriffe Heterolyse und elektrophil? ------------------ - Führe mit dem Molymod-Kasten eine Chlorierung von Ethen durch. Welche möglichen Produkte können entstehen? - Additionen können auch mit anderen Stoff stattfinden (s. Abbildung 62). - Die Umkehrung der Addition ist die Eliminierung.
Elektrophile Addition Die Doppelbindung hat eine hohe Elektronendichte und stösst die Elektronen im Brommolekül von sich weg.
Weitere Infos - Unter Mitwirkung von Radikalen können Alkene lange Ketten, sog. Polymere bilden. Dies sind die bekannten Kunststoffe (s. späteres Kapitel). - Isomerie: Es ist wichtig die verschiedenen Isomeriearten auseinander zu halten (s. Buch S. 317): - Konformation: durch Drehung um C-C-Achse änderbar. - Konstitution: Verknüpfung einzelner Atome, Atomgruppen ist verschieden (Kettenisomerie/ Strukturisomerie/ Stellungsisomerie) - Konfiguration: dauerhafte räumliche Anordnung (cis-trans-isomerie) - Wenn mehr als eine Doppelbindung im Molekül vorkommt, so spricht man von Polyenen.
Polyene - Es gibt Diene, Triene, Tetraene... - Die Doppelbindungen können isoliert (weit von einander weg; z.b. 1,5-Hexadien), kumuliert (ausgehend vom selben C-Atom; z.b. 1,2-Hexadien) oder konjugiert (mit einer Einfachbindung Abstand; z.b. 1,3-Hexadien) vorkommen --> Eigenschaften verändern sich. - 1,3-Butadien dient als Ausgangsstoff für Synthesekautschuk, 2-Methyl-1,3-Butadien (Isopren) ist im Naturkautschuk vorhanden. - Ausgedehnte Systeme von konjugierten Doppelbindungen führen häufig zu farbigen Verbindungen (s. Buch S. 317).
Übungsaufgaben - Stelle die möglichen Strukturformeln zur Summenformel C 2 H 2 Cl 2 auf und benenne die Verbindungen. Welche Verbindung hat den höheren Siedepunkt, welche ist leichter in Wasser löslich? - Zeichne drei verschiedene Hexadiene. Eines davon mit kummulierten Doppelbindungen, eines mit konjugierten DB und eines mit isolierten DB. - Kommt beim Penten cis-trans-isomerie vor (Konfiguration) vor? Zeichne die beiden Isomeren. - Genau wie bei den Alkenen kann cis-trans-isomerie auch bei Cycloalkanen vorkommen. Baue die beiden isomeren 1,3- Dichlorcyclopentane? - Wie viele isomeren Dibromcyclohexane gibt es?