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Textversion des Videos

Transkript Reaktionen der Alkane – Homolytischer und heterolytischer Bindungsbruch

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Reaktionen der Alkane - homolytisch-heterolytischer Bindungsbruch". Der Film ist wie folgt gegliedert: 1. Reaktionsfähigkeit des Alkane 2. Homolytisch oder heterolytisch? 3. Homolytisch geht leichter 4. Chemische Konsequenzen

  1. Reaktionsfähigkeit der Alkane Wenn man Alkane näher untersucht, so stellt man fest, dass sie ein interessantes Verhalten gegenüber chemischen Verbindungen zeigen. Nehmen wir stellvertretend für die Alkane das Hexan. Lässt man aggressive Salzsäure auf Hexan einwirken, so passiert nichts. Auch eine starke Base wie Natriumhydroxid kann mit einem Alkan wie Hexan nicht reagieren. Auch konzentrierte Schwefelsäure kann Hexan nichts anhaben. Und auch das sonst so aggressive Alkalimetall Natrium reagiert mit Hexan nicht. Wenn man die Bedingungen aktiviert, so ist es aber möglich, dass Hexan mit Sauerstoff reagiert, es brennt nämlich. Und auch mit Brom reagiert Hexan. Alkane sind somit träge chemische Verbindungen, allerdings mit Ausnahmen.
  2. Homolytisch oder heterolytisch? Wenn man die chemische Bindung zwischen 2 Kohlenstoffatomen betrachtet, so kann sie auf 2 Wegen gespalten werden. Zum einen kann das Bindungselektronenpaar genau in der Mitte aufgespalten werden. Zu jedem der Reaktionsprodukte geht dann eines der beiden Elektronen. Die gebildeten Teilchen mit ungepaarten Elektronen bezeichnet man als Radikale. Die alternative Möglichkeit der Bindungsspaltung besteht darin, dass das Elektronenpaar eines der Reaktionsprodukte komplett verlässt. Dort siedelt sich eine positive Ladung an. Gleichzeitig bleibt dieses Elektronenpaar beim anderen Reaktionsprodukt bestehen. Man erhält dort eine negative Ladung. Bei dieser Art des Bindungsbruches haben sich Ionen gebildet. Die 1. Möglichkeit des Bindungsbruches bezeichnet man als homolytisch, die 2. Möglichkeit als heterolytisch. Das Experiment lehrt, dass der 1. Weg zur Bildung von Radikalen bedeutend leichter verläuft als der 2. Weg unter Bildung von Ionen. Es kommt also fast ausschließlich zum homolytischen Bindungsbruch.
  3. Homolytisch geht leichter. Wir haben gesehen, dass der homolytische Bindungsbruch gegenüber dem heterolytischen Bindungsbruch energetisch favorisiert ist. Wir wollen nun einige Werte der Energien für die Bindungsspaltung aufführen. Die Angaben sind jeweils in kJ/mol. Betrachten wir nun Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen. Folgende Werte wurden für den Bindungsbruch bestimmt: Methyl-Wasserstoff: 439 Ethyl-Wasserstoff: 410 Isopropyl-Wasserstoff: 395 und Tertiärbutyl-Wasserstoff: 389 Man sieht, dass die Werte von oben nach unten bestetig abnehmen. Am schwersten ist die Bindung im Falle des Methyls zu spalten, danach kommt Ethyl. Bei den Gruppen Methyl und Ethyl handelt es sich um primäre Gruppen. Man kann nun die Gesetzmäßigkeit "Primär ist schwerer als sekundär ist schwerer als tertiär" aufstellen. Am leichtesten ist es folglich, eine tertiäre Gruppe vom Wasserstoffatom homolytisch abzulösen. Betrachten wir nun die Spaltung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Die Einheiten, ich erinnere, sind jeweils in kJ/mol. Für die Spaltung zweier Methylgruppen benötigt man 376. Für die Abspaltung einer Methylgruppe von einer Isopropyl-Gruppe benötigt man 360. Noch weniger Energien benötigt man, wenn man eine Methylgruppe von einer Tertiärbutyl-Gruppe abspaltet und noch weniger, wenn man 2 Tertiärbutyl-Gruppen voneinander homolytisch trennen will.
  4. Chemische Konsequenzen Ich möchte ein einfaches Beispiel nennen, das die Meisten sicher noch aus der Schule kennen. Ein Alkan soll mit Brom reagieren. Der aufmerksame Betrachter muss an dieser Stelle fragen: Wie? Unter welchen Bedingungen? Eine Möglichkeit besteht, wenn das Brom in Wasser gelöst ist, d. h. Alkan reagiert mit Bromwasser, und es reagiert dann eben nicht. Das wäre der Reaktionsweg unter Bildung von Ionen, den wir als heterolytischen Bindungsbruch bezeichnen. Wenn wir unter Ausschluss eines Lösungsmittels und unter Bestrahlung des Reaktionsgemischs arbeiten, so läuft die Reaktion unter Bildung von Radikalen ab. Wir haben bereits gelernt, dass diese Art des Reaktionsweges homolytischer Bindungsbruch heißt. Wir können somit notieren: Alkane reagieren bevorzugt unter homolytischer Spaltung von Bindungen. Dabei laufen Radikalreaktionen ab. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.
Informationen zum Video
7 Kommentare
  1. 001

    "Verzweigte Alkane lassen sich weniger leicht radikalisieren als unverzweigte."
    Das ist falsch und stimmt weder thermodynamisch (Freie Enthalpie) noch kinetisch (Aktivierungsenergie). Für die Kinetik (Reaktionsgeschwindigkeiten) habe ich mich mal kundig gemacht und schöne Daten im Internet gefunden. (Kann ich hier nicht reinkopieren, weil die ganze Tabelle zerstört wird.)

    REAKTIONSMECHANISMEN DER VERBRENNUNG FLÜSSIGER KOHLENWASSERSTOFFE
    V. Karbach, Y. Muharam, U. Riedel, B. Schramm, J. Warnatz
    Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR), Universität Heidelberg
    Im Neuenheimer Feld 368, 69120 Heidelberg

    Die gleichlautende Aussage für ALLE Abspaltungen von Wasserstoffradikalen aus dieser Quelle lautet:
    Aktivierungsenergie: primär> sekundär > tertiär
    In der Sprache unseres Videos:
    Aktivierungsenergie: unverzweigt > mäßig verzweigt > stark verzweigt
    Diese Frage sollte damit endgültig beantwortet sein.
    Nun müssen wir noch erklären, warum die verzweigten Alkane klopffest sind und die unverzweigten Alkane klopfen.
    Für die Verbrennung müssen in jedem Fall Wasserstoffradikale abgespalten werden. Ganz egal, ob wir verzweigte oder unverzweigte Kohlenwasserstoffe in unserem Tank haben. Haben wir es nun mit unverzweigten Alkanen zu tun, so können diese bei der Zündung friedlich abbrennen, weil für deren Initiierung eine moderate Energie ausreichend ist. Anders ist es mit den unverzweigten Alkanen. Für deren Reaktion mit Sauerstoff wird eine höhere Energie benötigt. Diese wird nur von relativ wenigen Teilchen im Stoffgemisch erreicht. Daher sind hier die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, die effektiv sind, spontan. Es „klopft“.
    Übrigens:
    1. Es ist nicht korrekt, von den Aktivierungsenergien direkt auf die Reaktionsgeschwindigkeiten zu schließen. Aber in erster Näherung bei qualitativer Betrachtung ähnlicher Verbindungen sollte das genügen.
    2. Freie Wasserstoffradikale gibt es bei diesen Reaktionen nicht. Sie werden augenblicklich unter der Bildung stabilerer Radikale übertragen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 3 Jahren
  2. Default

    Beim Treibstoff Benzin unterscheidet man zwischen hochwertigen Benzin, also klopffesten, und weniger hochwertigen Benzin, also klopffreudigen. Das Klopfen im Motor entsteht durch unkontrollierte Fehlzündungen, indem sich Wasserstoffradikale der Alkane abspalten und mit Sauerstoff im Zylinder reagieren.
    Nun ist es aber so, dass verzweigte Alkane als klopffest gelten und unverzweigte als klopffreudig. Sprich: Verzweigte Alkane lassen sich weniger leicht radikalisieren als unverzweigte. Dies steht im Widerspruch zu Ihrem Video. Wie ist der Sachverhalt zu verstehen?

    Von Max Muenstermann, vor fast 3 Jahren
  3. 001

    Unter thermodynamischen Bedingungen (gleichbleibende Temperatur und viel Zeit) ist entscheidend, ob die Bruchstellelle an einer Verzweigung liegt. Dann ist der homolytische Bindungsbruch begünstigt. Das habe ich im Video beschrieben. Die Reaktion läuft über das stabilste Radikal (das verzweigteste Radikal) am besten ab.
    Dass die leichteren Alkane besser brennen, ist eine andere Frage. Sie brennen aber nur bei Initiierung (Funke, brennendes Streichholz). Sie sind nämlich entweder gasförmig (Methan bis Butan) oder ab Pentan bis Heptan leicht flüchtig und somit auch leicht brennbar. Schwere Moleküle (Kerzenwachs) brennen erst, wenn sie verdampft sind (Kerze). Die Verbrennung muss einen höheren Energieberg überwinden. Wenn man jedoch Methan und Kerzenwachs unter gleichen Bedingungen als Gas bei etwa 400°C erwärmt, so dürften die radikalischen Reaktionen etwa gleich schnell ablaufen.

    Alles Gute und Gruß

    André

    Von André Otto, vor fast 5 Jahren
  4. Default

    Ich finde das Video gut gelungen. Danke. Desto leichter das Alkan desto leichter ist es über den homolytischen Bindungsbruch trennbar, oder?

    Von B.B.Berlin, vor fast 5 Jahren
  5. Default

    Ich finde das Video gut gelungen. Danke. Desto leichter das Alkan desto leichter ist es über den homolytischen Bindungsbruch trennbar, oder?

    Von B.B.Berlin, vor fast 5 Jahren
  1. 001

    Lieber Daniel,

    bei der Erstellung dieses Videos habe ich mich am populären Lehrmaterial für Mediziner orientiert. Eine Erklärung wird dort nicht gegeben.

    Hier die Erklärung:
    Wasser ist ein polares Lösungsmittel. Bei Raumtemperatur unterstützt es heterolytische Reaktionen. Eingangs haben wir erfahren (Experiment), dass heterolytische Reaktionen für Alkane nicht charakteristisch sind. Daher findet auch keine Reaktion statt.

    Ich hoffe, dass du deine Prüfung gut bestehst.

    Beste Grüße

    André

    Von André Otto, vor etwa 5 Jahren
  2. Default

    schlechte umsetzung!
    wieso reagiert das alkan in bromwasser nicht? schön zu wissen, dass es das nicht tut - aber das reicht in einer prüfung eben nicht...

    Von Danielschumacher82, vor etwa 5 Jahren
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