Homologe Reihe der Alkane und ihre Eigenschaften

Alkane sind Stoffe, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Dabei bilden die Kohlenstoffatome eine Kette, in denen jedes Kohlenstoffatom durch Einfachbindungen miteinander verbunden ist. Jedes Kohlenstoffatom will 4 Bindungen ausbilden, deshalb sind Kohlenstoffatome innerhalb der Kette mit je 2 Kohlenstoff und 2 Wasserstoffatomen verbunden. Kohlenstoffatome an den Enden einer Kette sind mit 3 Wasserstoffatomen verbunden, da sie ja nur an 1 Kohlenstoff gebunden sind. Aufgrund dieser Eigenschaft nennt man Alkane auch gesättigte Kohlenwasserstoffe, da jedes Kohlenstoffatom mit Wasserstoff gesättigt ist und es somit keine Doppel- oder Dreifachbindungen hat. 

Die allgemeine Formel eines Alkans ist $$C_nH_{2n+2}$$​. Wäre die Kette also 4 Kohlenstoffatome lang, dann hat es 10 Wasserstoffatome. Dies resultiert daraus, dass jedes Kohlenstoffatom 2 Wasserstoffe gebunden hat und die Kettenenden haben je noch 1 mehr, weshalb man 2n+2 rechnet. Somit ergibt sich, dass pro zusätzliches Kohlenstoffatom, die Summenformel eines Alkans sich um CH₂ erhöht. Diese Eigenschaft kannst du in der unteren homologen Reihe der Alkane sehr schön illustriert sehen.

Struktur	Summenformel	Name
	​$$CH_4$$​​	Methan
	​$$C_2H_6$$​​	Ethan
	​$$C_3H_8$$​​	Propan
	​$$C_4H_{10}$$​​	Butan
	​$$C_5H_{12}$$​​	Pentan
	$$C_6H_{14}$$​​	Hexan

Die Reihe geht sogar noch weiter mit Heptan ($$C_7H_{16}$$), Oktan ($$C_8H_{18}$$), Nonan ($$C_9H_{20}$$), Decan ($$C_{10}H_{22}$$), etc...

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Eigenschaften der Alkane

Alle Alkane teilen sich folgende Eigenschaften:

• Kein Leiten von elektrischem Strom, da sie alle ungeladen sind
  
• Nicht in Wasser oder anderen polaren Lösungsmittel löslich, da sie hydrophob sind
• Gute Lösungsmittel für Fette, Öle und Lacke, da sie lipophil sind
• Untereinander beliebig vermischbar
  
• Prinzipiell brennbar, da der Kohlenstoff oxidiert werden kann

Andere Eigenschaften verändern sich jedoch, abhängig von der Kettenlänge. Mit zunehmender Länge steigt...

• ...die Schmelz und Siedetemperatur, so werden z.B. aus langen Ketten solide Kerzen gemacht und aus kurzen Ketten flüssiges Benzin 
  
• ...die Dichte, so ist 1 cm³ Methan viel leichter als 1 cm³ Hexan
• ...der Flammpunkt, so ist kurzkettiges Bleifrei leicht entzündlich, während langkettiger Diesel nicht so leicht entzündlich ist
• ...die Viskosität der flüssigen Alkane, so ist Hexan kaum viskos, während Dodecan ($$C_{12}H_{26}$$) schon zähflüssiger ist und als Schmieröl gebraucht werden kann

Diese Zunahmen können alle durch denselben Effekt erklärt werden: Mit steigender Kettenlänge, steigen auch die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den einzelnen Ketten. Desto stärker die Anziehungskräfte der Ketten untereinander, desto weniger wollen sie sich voneinander trennen, was in der Zunahme der gelisteten Eigenschaften resultiert.

Unter der Lupe: Methan

Methan ist das kleinste Alkan mit nur 1 Kohlenstoffatom. Es kommt natürlich sehr oft vor, da es bei der Zersetzung von organischem Material durch Einzeller unter Sauerstoffausschluss gebildet wird. So entsteht es in Sümpfen, aber auch im Magen von Wiederkäuer. Mithilfe dieser Einzeller produziert man auch Biogas, denn Methan ist auch ein Hauptbestandteil von Erdgas. 

Methan ist ein farb- und geruchloses Gas. Es brennt sehr gut:

​$$CH_4+ 2O_2 \rightarrow CO_2+2H_2O$$​​

In Methan sind 4 Wasserstoffatome an ein Kohlenstoff gebunden, in dem sie sich ein Elektronenpaar teilen. Dabei sind nicht alle 4 Wasserstoffatome in derselben Ebene, sondern sie beziehen eine Anordnung wie ein Tetraeder. Dies tun sie, da sich die negativ geladenen Bindungen voneinander abstossen, und in dieser Anordnung besitzen alle Bindungen den grösstmöglichen Abstand zueinander.