Kohlenwasserstoffe – Einführung

Kohlenwasserstoffe – Einführung Übung

• Gib an, aus welchen Elementen Kohlenwasserstoffe bestehen.

  Tipps

  Es gibt zwei richtige Antworten.

  $\ce{H}$ ist das Elementsymbol für Wasserstoff, $\ce{O}$ für Sauerstoff, $\ce{C}$ für Kohlenstoff und $\ce{N}$ für Stickstoff.

  Lösung

  Kohlenwasserstoffe sind eine grundlegende Stoffklasse der organischen Verbindungen. Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen.
  Kohlenwasserstoffe setzen sich, wie der Name schon vermuten lässt, aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff zusammen.

  Alle anderen organischen Verbindungen enthalten noch weitere Elemente, beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff. Davon gibt es unglaublich viele, da Kohlenstoff ein so vielseitiges Element ist. Aber auch sie sind im Wesentlichen auf die Grundstruktur der Kohlenwasserstoffe zurückzuführen. Man kann sie deshalb als Derivate der Kohlenwasserstoffe bezeichnen. Insgesamt sind heute mehr als 40 Millionen verschiedene organische Verbindungen bekannt.

• Benenne die Alkane.

  Tipps

  Alle Alkane haben die Endung „-an“.

  Die homologe Reihe der Alkane beginnt mit Methan.

  Lösung

  Kohlenwasserstoffe können in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Zum Beispiel gibt es die Alkane, die Alkene und die Alkine.

  In den Alkanen treten nur Einfachbindungen auf. Die Molekülstruktur folgt einer klaren Systematik. Wir sprechen hier von einer homologen Reihe:

  • Das einfachste Alkan ist Methan. Methan hat die Summenformel $\ce{CH4}$. Das bedeutet, dass es ein Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatome enthält.
  • Ethan lässt sich mit $\ce{C2H6}$ darstellen. Das bedeutet, dass wir zwei Kohlenstoffatome sowie sechs Wasserstoffatome zählen können.
  • Mit der Summenformel $\ce{C3H8}$ ist Propan der dritte Kohlenwasserstoff in der homologen Reihe der Alkane mit drei Kohlenstoffatomen und acht Wasserstoffatomen.
  • Mit einem weiteren Kohlenstoffatom entsteht Butan. Mit vier Kohlenstoffatomen und zehn Wasserstoffatomen wird es zu $\ce{C4H10}$ zusammengefasst.

• Charakterisiere die Kohlenwasserstoffe.

  Tipps

  Die Summenformel für Ethan lautet $\ce{C2H6}$.

  Alkine enthalten mindestens eine Dreifachbindung.

  Lösung

  Kohlenwasserstoffe können wir in verschiedene Untergruppen einteilen, zum Beispiel in Alkane, Alkene und Alkine. In allen Molekülen sind die Kohlenstoffatome vierbindig, denn es gibt jeweils vier bindende Elektronenpaare. Auch wenn sie sich in ihrer Anordnung unterscheiden, zeigt sich die Systematik der Kohlenwasserstoffe: Die erste Wortsilbe ist bei allen drei Verbindungen gleich, da sie sich auf die Anzahl der Kohlenstoffatome bezieht.

  
  $\underline{\text{Alkane:}}$

  • Moleküle haben die Endung „-an“
  • enthalten nur Einfachbindungen
  • ein Beispiel dafür ist Ethan $\ce{(C2H6)}$
  • sind gesättigte Kohlenwasserstoffe $\to$ reaktionsträge

  
  $\underline{\text{Alkene:}}$

  • Moleküle haben die Endung „-en“
  • enthalten mindestens eine Doppelbindung
  • ein Beispiel dafür ist Ethen $\ce{(C2H4)}$
  • sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe $\to$ reaktionsfreudig

  
  $\underline{\text{Alkine:}}$

  • Moleküle haben die Endung „-in“
  • enthalten mindestens eine Dreifachbindung
  • ein Beispiel dafür ist Ethin $\ce{(C2H2)}$
  • sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe $\to$ reaktionsfreudig

• Erkläre die Strukturunterschiede der Kohlenwasserstoffe.

  Tipps

  Das ist eine lineare Anordnung.

  Lösung

  Die Struktur eines Kohlenwasserstoffmoleküls ist sehr bedeutend. Ab vier Kohlenstoffatomen können die Moleküle auch verzweigt sein. Ein gutes Beispiel dafür ist Butan: Die beiden Strukturformeln unterscheiden sich, dabei sind die Summenformeln jeweils gleich. Man spricht in diesem Zusammenhang von Isomerie. Die Molekülstruktur wird auch Konstitution eines Kohlenwasserstoffs genannt. Demnach sind n-Butan und i-Butan Konstitutionsisomere.

  Alkane, Alkene und Alkine können demzufolge linear (also unverzweigt), verzweigt oder cyclisch (also ringförmig) aufgebaut sein. Diese Formen werden als Aliphaten zusammengefasst.

  Daneben gibt es noch Aromaten. Das sind ebenfalls cyclische Kohlenwasserstoffe. Sie weisen allerdings eine besondere Kombination von Einfach- und Doppelbindungen auf: sogenannte konjugierte Doppelbindungen.

  Wenn sogenannte funktionelle Gruppen mit anderen Elementen an die Kohlenwasserstoffketten gebunden sind, dann sprechen wir von Derivaten.

• Stelle die homologe Reihe der Alkane auf.

  Tipps

  Mit jedem weiteren Kohlenstoffatom entsteht ein neuer Kohlenwasserstoff.

  Lösung

  Kohlenwasserstoffe können in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Zum Beispiel gibt es die Alkane, die Alkene und die Alkine.

  In den Alkanen treten nur Einfachbindungen auf. Die Molekülstruktur der Alkane folgt einer klaren Systematik. Wir sprechen hier von einer homologen Reihe. Mit jedem Kohlenstoffatom kommen zwei weitere Wasserstoffatome hinzu:

  • Methan $\ce{(CH4)}$
  • Ethan $\ce{(C2H6)}$
  • Propan $\ce{(C3H8)}$
  • Butan $\ce{(C4H10)}$
  • Pentan $\ce{(C5H12)}$
  • Hexan $\ce{(C6H14)}$
  • Heptan $\ce{(C7H16)}$
  • Octan $\ce{(C8H18)}$
  • Nonan $\ce{(C9H20)}$
  • Decan $\ce{(C10H22)}$
  • Undecan $\ce{(C11H24)}$
  • Dodecan $\ce{(C12H26)}$

• Prüfe die Aussagen zu den Kohlenwasserstoffen auf ihre Richtigkeit.

  Tipps

  Es gibt drei richtige Antworten.

  Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht Kohlenstoffdioxid. Das ist ein Treibhausgas.

  Lösung

  Kohlenwasserstoffe sind eine grundlegende Stoffklasse der organischen Verbindungen. Dabei handelt es sich um Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff.

  Einfache Vertreter wie Methan und Hexan sind als Bestandteile von Erdgas, Erdöl, Kohle oder auch Torf im Boden zu finden.
  Diese Kohlenwasserstoffe, die in fossilen Brennstoffen vorkommen, haben ihren Ursprung in den Überresten abgestorbener Pflanzen und Tiere.
  Die Verwendung als Brennstoffe ist allerdings nicht unproblematisch, da bei der Verbrennung das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid entsteht, welches erheblich zur Erderwärmung beiträgt.

  Aus einfachen Kohlenwasserstoffen können wir komplexere Verbindungen synthetisieren, also herstellen. So können Kunststoffe wie Plastik für Verpackungen und Gebrauchsgegenstände, Textilien wie Nylon und Polyester oder auch Medikamente wie Aspirin aus einfachen Kohlenwasserstoffen hergestellt werden.