Van-der-Waals-Kräfte

Eine homologe Reihe ist eine Gruppe organischer Verbindungen, deren aufeinanderfolgende Glieder sich jeweils um eine –CH₂–-Gruppe unterscheiden. Alle Glieder haben die gleiche allgemeine Summenformel (CₙH₂ₙ₊₂ für Alkane), ähnliche chemische Eigenschaften und kontinuierlich variierende physikalische Eigenschaften (Siedepunkt, Dichte etc.).

Mit steigender Kettenlänge wächst die Moleküloberfläche. Über diese Fläche wirken Van-der-Waals-Kräfte – je größer die Fläche, desto stärker die Anziehung zwischen den Molekülen. Ab einer bestimmten Kettenlänge reicht die Wärmeenergie bei Raumtemperatur nicht mehr aus, die Moleküle voneinander zu trennen: C₁–C₄ gasförmig · C₅–C₁₆ flüssig · ab C₁₇ fest. → Eigenschaften der Alkane

Man schreibt das Kohlenstoffgerüst in einer Kette und ergänzt H-Atome so, dass jedes C-Atom vierwertig ist: Die beiden Endgruppen sind immer CH₃–, jede mittlere Gruppe ist –CH₂–. Beispiel n-Hexan (C₆H₁₄): CH₃–(CH₂)₄–CH₃. Die Klammernotation (CH₂)ₙ spart Schreibarbeit bei langen Ketten.

Alkane sind unpolare Moleküle – es gibt keine Partialladungen und keine Wasserstoffbrückenbindungen. Wasser dagegen ist polar und bildet starke Wasserstoffbrücken zwischen seinen Molekülen. Ein unpolares Alkan könnte diese Netzstruktur nicht ersetzen, daher ist das Einbringen energetisch ungünstig – „similia similibus solvuntur" (Gleiches löst Gleiches). In anderen unpolaren Lösungsmitteln (Benzin, Ether) lösen sich Alkane dagegen gut.

Mit der allgemeinen Formel CₙH₂ₙ₊₂: Einfach n einsetzen.
Beispiel n = 8 (Octan): C₈H₂·₈₊₂ = C₈H₁₈ ✓
Umgekehrt: Aus der Summenformel C₁₂H₂₆ folgt 2n+2 = 26 → n = 12 → Dodecan.
Kontrolle: Molare Masse = 12·12 + 26·1 = 170 g/mol.

Die C–C- und C–H-Bindungen in Alkanen sind sehr stark und fast unpolar (Elektronegativitätsunterschied sehr gering). Dadurch bieten Alkane weder freie Elektronenpaare (kein Angriffspunkt für Elektrophile) noch eine Elektronenpaarlücke (kein Angriffspunkt für Nucleophile). Auch eine Protonenabgabe findet praktisch nicht statt. Nur unter extremen Bedingungen – sehr hohe Temperaturen oder UV-Licht – kommt es zur homolytischen Bindungsspaltung und damit zu einer radikalischen Reaktion.

Mit jedem zusätzlichen C-Atom wächst die Moleküloberfläche. Größere Oberfläche bedeutet mehr Kontaktfläche zwischen den Molekülen und damit stärkere van-der-Waals-Kräfte. Um ein Molekül aus dem flüssigen Zustand zu befreien, muss mehr Energie aufgewendet werden → der Siedepunkt steigt. Methan (C₁) siedet bei –162 °C, Hexan (C₆) bereits bei +69 °C.

Wasser ist ein stark polares Lösungsmittel, das ausgeprägte Wasserstoffbrücken zwischen seinen Molekülen ausbildet. Alkane sind unpolar und können keine entsprechenden Wechselwirkungen mit Wasser eingehen. Nach dem Prinzip „Gleiches löst Gleiches" (lat. similia similibus solvantur) bleiben Alkane in Wasser ungelöst und bilden eine separate Phase (z. B. Öl auf Wasser). Salze lösen Alkane ebenfalls nicht auf, da Alkane keine Solvationshüllen um Ionen ausbilden können.

Je stärker ein Alkan verzweigt ist, desto kompakter (kugelförmiger) ist das Molekül. Die Oberfläche, über die van-der-Waals-Kräfte wirken können, wird kleiner → die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen sind schwächer → der Siedepunkt sinkt. Beispiel: n-Pentan (unverzweigt) siedet bei 36 °C, 2,2-Dimethylpropan (stark verzweigt) bereits bei 9 °C – obwohl beide die gleiche Summenformel C₅H₁₂ haben. Mehr dazu unter: → Isomere von C₇H₁₆.

Bei der homolytischen Spaltung teilen sich beide Bindungspartner die gemeinsamen Elektronen gleichmäßig auf – jedes Atom erhält ein Elektron. Es entstehen Radikale (Teilchen mit einem ungepaarten Elektron), die sehr reaktiv sind. Dies geschieht bei Alkanen nur unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder UV-Strahlung. Es ist die Grundlage der radikalischen Substitution. Im Gegensatz dazu werden bei der heterolytischen Spaltung beide Elektronen von einem Partner behalten.