Die homologe Reihe der Alkane einfach erklärt: Formeln

Ob du beim Zelten den Gaskocher anmachst, ein Feuerzeug benutzt oder mit dem Auto fährst – du nutzt ständig eine ganz bestimmte Gruppe von chemischen Stoffen: die Alkane.

Alkane sind hervorragende Brennstoffe und bilden das Rückgrat der organischen Chemie. In dieser Lektion lernst du, wie diese Moleküle wie aus einem Baukasten logisch aufgebaut sind, wie man ihre chemische Formel ganz einfach berechnet und wie sie benannt werden.

Vorwissen

• Kohlenstoff (C): Bildet immer genau vier Bindungen zu anderen Atomen. Beispiel: In einem Molekül hat jedes C-Atom vier „Arme“, um sich festzuhalten.
• Wasserstoff (H): Bildet immer genau eine Bindung. Beispiel: Ein H-Atom kann sich immer nur an einen einzigen Partner binden.

Aufgabentyp 1: Was sind Alkane und die homologe Reihe?

Alkane gehören zu den Kohlenwasserstoffen. Der Name verrät schon alles: Diese Moleküle bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen (C) und Wasserstoffatomen (H).

Stell dir vor, du baust eine Kette aus Legosteinen. Du fängst mit einem kleinen Molekül an. Um das nächstgrößere Molekül zu bauen, fügst du in der Mitte einfach immer genau denselben Baustein hinzu. In der Chemie nennt man so eine Familie von Stoffen eine homologe Reihe.

Bei den Alkanen ist dieser Baustein, der immer wieder hinzugefügt wird, eine $\text{CH}_2$-Gruppe (ein Kohlenstoffatom und zwei Wasserstoffatome). Jedes Alkan unterscheidet sich also von seinem Vorgänger um genau eine $\text{CH}_2$-Gruppe.

Weil dieser Aufbau so regelmäßig ist, gibt es eine einfache mathematische Regel, um die Summenformel (die genaue Anzahl der Atome) für jedes beliebige Alkan zu berechnen. Das ist die allgemeine Summenformel:

$\text{C}_{\textcolor{#08BFFF}{n}}\text{H}_{2 \cdot \textcolor{#08BFFF}{n} + 2}$

Dabei steht das n für die Anzahl der Kohlenstoffatome. Wenn du weißt, wie viele Kohlenstoffatome ein Alkan hat, nimmst du diese Zahl mal zwei und rechnest zwei dazu, um die Anzahl der Wasserstoffatome zu bekommen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde heraus, wie viele Kohlenstoffatome (C) das Molekül hat. Das ist dein Wert für $\textcolor{#08BFFF}{n}$.
2. Setze $\textcolor{#08BFFF}{n}$ in die Formel für die Wasserstoffatome (H) ein: Rechne $2 \cdot \textcolor{#08BFFF}{n} + 2$.
3. Schreibe das C mit der Zahl aus Schritt 1 und das H mit dem Ergebnis aus Schritt 2 zusammen auf.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Die Namen der Alkane

Um sich in der Chemie verständigen zu können, braucht jedes Molekül einen eindeutigen Namen. Bei den Alkanen ist das System zum Glück sehr logisch: Jeder Name endet immer auf „-an“.

Der vordere Teil des Namens verrät dir, wie viele Kohlenstoffatome in der Kette stecken.

• Die ersten vier Alkane: Diese haben historische Namen, die du einfach auswendig lernen musst: Methan (1 C), Ethan (2 C), Propan (3 C) und Butan (4 C).
• Ab dem fünften Alkan: Hier wird es noch einfacher. Der Name beginnt mit dem griechischen oder lateinischen Zahlwort für die Anzahl der Kohlenstoffatome (z. B. „Penta“ für 5, „Hexa“ für 6). Daran hängst du einfach die Endung „-an“ an.

Hier ist die Übersicht der ersten elf unverzweigten Alkane, die du kennen musst:

$\begin{array}{l|l|l} \text{C-Atome (n)} & \text{Name} & \text{Summenformel} \\ \hline 1 & \text{Methan} & \text{CH}_4 \\ 2 & \text{Ethan} & \text{C}_2\text{H}_6 \\ 3 & \text{Propan} & \text{C}_3\text{H}_8 \\ 4 & \text{Butan} & \text{C}_4\text{H}_{10} \\ 5 & \text{Pentan} & \text{C}_5\text{H}_{12} \\ 6 & \text{Hexan} & \text{C}_6\text{H}_{14} \\ 7 & \text{Heptan} & \text{C}_7\text{H}_{16} \\ 8 & \text{Octan} & \text{C}_8\text{H}_{18} \\ 9 & \text{Nonan} & \text{C}_9\text{H}_{20} \\ 10 & \text{Decan} & \text{C}_{10}\text{H}_{22} \\ 11 & \text{Undecan} & \text{C}_{11}\text{H}_{24} \end{array}$

Wichtige Erkenntnisse

• Kohlenwasserstoffe: Bestehen nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H).
• Homologe Reihe: Jedes Alkan ist um genau eine $\text{CH}_2$-Gruppe länger als das vorherige.
• Allgemeine Formel: $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$ (n = Anzahl der C-Atome).
• Namen: Enden immer auf „-an“. Die ersten vier (Methan, Ethan, Propan, Butan) musst du dir besonders gut merken!