Physikalische Eigenschaften

Siedetemperaturen

Im Vergleich zu anderen organischen Verbindungen haben Alkane sehr niedrige Siedetemperaturen. Dies ist auf die extrem geringe Polarität der C-H-Bindungen zurückzuführen. Alkan-Moleküle werden untereinander nur durch London-Kräfte zusammengehalten, die schwächste Form der van-der-Waals-Kräfte.

Siedepunkte der n-Alkane mit 1 bis 19 Kohlenstoff-Atomen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Interessant an dieser Graphik ist das kontinuierliche Ansteigen der Siedetemperatur innerhalb der homologen Reihe der Alkane. Das n-Butan hat einen Siedepunkt von -0,5 ºC, deshalb ist der entsprechende Balken in der Abbildung nicht zu sehen. Ab Pentan sind die Alkane bei Zimmertemperatur flüssig (Siedetemperatur von Pentan = 36,1 ºC).

Siedepunkte isomerer Alkane

Verbindungen mit der gleichen Summenformel, jedoch mit unterschiedlicher Strukturformel werden als Isomere bezeichnet, genauer gesagt, als Strukturisomere oder Konstitutionsisomere.

Betrachten wir drei Isomere des Alkans Pentan:

Die Siedetemperaturen von drei Pentan-Isomeren
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Haben Sie die Namen dieser drei Pentan-Isomere schon erkannt? Links sehen wir das n-Pentan, in der Mitte das Methyl-butan und ganz rechts das Dimethyl-propan. Ziffern muss man hier ja nicht mit angeben, weil es jeweils nur ein Methyl-butan bzw. Dimethyl-propan gibt, damit ist der Name eindeutig.

An diesem Beispiel kann man ganz klar die Bedeutung der Kontaktfläche für den Siedepunkt einer Verbindung erkennen: Je größer die Kontaktfläche zwischen den Molekülen der Verbindung, desto stärker die van-der-Waals-Kräfte, und um so höher der Siedepunkt.

Das langgestreckte n-Pentan hat - wegen seiner Länge - eine große Kontaktfläche mit anderen n-Pentan-Molekülen, daher ist sein Siedepunkt mit 36 ºC recht hoch. Das Dimethyl-propan ist fast kugelförmig, die Kontaktfläche zwischen zwei Kugeln ist sehr klein. Das ist der Grund für den relativ niedrigen Siedepunkt von nur 10 ºC. Das Methyl-butan liegt von der Gestalt und der Kontaktfläche zwischen diesen beiden "Extremen", daher hat es einen mittleren Siedepunkt von 28 ºC.

Schmelztemperaturen

Die Schmelztemperaturen der Alkane verändern sich nicht so regelmäßig wie die Siedetemperaturen, wie die folgende Tabelle aus der Vorlesung von Prof. Dyker (Organische Chemie 1, Folge 8) zeigt:

Zwar nehmen die Schmelzpunkte mit der Kettenlänge zu, aber nicht regelmäßig. Propan hat sogar einen niedrigeren Schmelzpunkt als Ethan, was schon mal bemerkenswert ist. Weiterhin ist auffällig, dass die Differenz zwischen den Schmelzpunkten besonders groß ist, wenn ein Alkan mit einer geradzahligen Anzahl von C-Atomen auf ein ungeradzahliges Alkan folgt. Die Differenz zwischen C4 und C3 beträgt +49 ºC, die Differenz zwischen C6 und C5 +35 ºC, und die Differenz zwischen C8 und C7 +33 ºC. Dagegen sind die Differenzen zwischen C3 und C2, zwischen C5 und C4 sowie zwischen C7 und C6 mit -15, +8 bzw. +5 ºC recht klein.

Hier noch einmal eine graphische Darstellung der Schmelzpunkte in Abhängigkeit von der Zahl der C-Atome bei Alkanen mit bis zu 25 C-Atomen:

Schmelzpunkte der n-Alkane mit 1 bis 19 Kohlenstoff-Atomen
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: siehe Seitenende

Die Unregelmäßigkeit in der Zunahme der Schmelztemperaturen liegt vermutlich daran, dass feste Alkane Kristallgitter bilden.

In einem Kristall mit C4-, C6-, C8- etc. Alkanen scheint die Kontaktfläche zwischen den Molekülen größer zu sein als in Kristallen mit C3-, C5-, C7- etc. Alkanen.

Je länger die C-Ketten der Alkane werden, desto unerheblicher werden diese Unterschiede allerdings. Extrem ist dieses Phänomen, wenn man Ethan und Propan vergleicht.

Viskosität

Unter der Viskosität versteht man so etwas wie "Zähflüssigkeit". Honig hat zum Beispiel eine sehr hohe Viskosität, die Viskosität von Wasser empfindet man als "normal", und Stoffe wie Benzin, Ether etc. haben eine geringe Viskosität.

Man kann die Viskosität eines Stoffes quantitativ ermitteln, indem man beispielsweise 50 ml der Flüssigkeit in eine Bürette gibt, die Bürette unten mit einem engen Glasrohr verschließt und dann die Zeit misst, die erforderlich ist, bis der Inhalt der Bürette ausgelaufen ist. Bei dünnflüssigem Honig würde das vielleicht 50 Sekunden dauern, bei Wasser vielleicht 10 Sekunden, und bei Pentan dann vielleicht 6 oder 7 Sekunden.

Alkane haben allgemein eine geringe Viskosität, zumindest wenn man die Zahl der C-Atome berücksichtig. Klar, ein Alkan mit 30 C-Atomen hat natürlich eine recht hohe Viskosität, aber andere organische Verbindungen mit der gleichen Anzahl von C-Atomen haben eine noch viel höhere Viskosität. Die geringe Viskosität der Alkane hängt natürlich ebenfalls mit den geringen Anziehungskräften zwischen den Alkan-Molekülen zusammen.

Zu diesem Thema gibt es ein tolles YouTube-Video, dass Sie sich auf jeden Fall ansehen sollten!

Dichte

Das spezifische Gewicht der flüssigen Alkane wie Pentan, Hexan und Heptan liegt unter dem Wert 1,0 g/cm³, wie er ja für Wasser gültig ist. Die Abstände zwischen den Alkan-Molekülen sind größer, so dass nicht so viele Alkan-Moleküle in ein bestimmtes Volumen hineinpassen. Die Ursache hierfür - Sie haben es sich bestimmt schon gedacht - sind wieder die geringen Anziehungskräfte zwischen den Alkan-Molekülen.

Wasserlöslichkeit

Was passiert, wenn sich ein Stoff wie Kochsalz, Alkohol oder Zucker in Wasser löst? Im Falle von Kochsalz gruppieren sich die Wasser-Dipole um die positiven und negativen Ionen des Salzes, es bilden sich Hydrathüllen, die die Ionen umgeben. Im Falle von Zucker oder Alkohol bilden die Wasser-Moleküle sogar Wasserstoffbrücken-Bindungen (H-Brücken) mit den OH-Gruppen der Alkohol- oder Zucker-Moleküle aus. Beide Phänomene, Hydrathüllen und H-Brücken, erklären die gute Wasserlöslichkeit vieler anorganischer und organischer Verbindungen.

Der Grund für die Wasserunlöslichkeit der Alkane ist der sogenannte hydrophobe Effekt. Dank der H-Brücken, die die H₂O-Moleküle untereinander bilden, bestehen zwischen den H₂O-Molekülen starke intermolekulare Anziehungskräfte. Alkan-Moleküle können jedoch keine H-Brücken ausbilden und bleiben daher - gezwungenermaßen - unter sich.

Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften

Das Struktur-Eigenschafts-Konzept ist eines der fünf Basiskonzepte der Chemie. Auch an den physikalischen Eigenschaften der Alkane lässt sich dieses wichtige Konzept aufzeigen. Dazu betrachten wir einmal das folgende Schema:

Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften bei den Alkanen
Autor: Ulrich Helmich. Lizenz: siehe Seitenende

Alkane sind nahezu völlig unpolare Moleküle, daraus resultieren nur sehr schwache intermolekulare Anziehungskräfte, so dass kaum ein Zusammenhalt zwischen den Molekülen besteht. Daraus folgen dann die bekannten Eigenschaften der Alkane, die bereits weiter oben auf dieser Seite erörtert worden sind: geringe Dichte, niedrige Siedetemperatur, niedrige Schmelztemperatur, geringe Viskosität und - noch nicht erwähnt - eine hohe Flüchtigkeit; flüssige Alkane wie Pentan oder Hexan verdampfen sehr schnell.