17 Chemische Eigenschaften
17.1 Alkane
17.1.1 Alkane sind reaktionsträge Verbindungen
Alkane werden auch Paraffine genannt. Im Gegensatz zu Alkenen oder Halogenalkanen reagieren sie nicht mit Säuren oder Hydroxiden. Sogar die reaktiven Alkalimetalle reagieren nicht mit Alkanen. Lithium, Natrium und Kalium werden in Alkangemischen wie Petrolether oder Paraffinöl aufbewahrt um sie vor Feuchtigkeit und Luft zu schützen.
Diese Reaktionsträgheit ist relativ, denn Alkane sind brennbar und können mit Sauerstoff explosible Gemische bilden.

17.1.2 Homolytische und heterolytische Spaltung
Die hauptsächlichen Reaktionen der Alkane beruhen auf der homolytischen Spaltung von C-H-Bindungen. Alkene, Alkohole, Halogenalkane usw. gehen Reaktionen mit heterolytischen Spaltungen ein.

a) Heterolytische Spaltung
Wird eine kovalente Bindung so gelöst, dass das Bindungselektronenpaar bei einem der beiden Atome verbleibt, ist es eine Heterolyse oder heterolytische Spaltung. Es entstehen Ionen.
Beispiel: das Bindungselektronenpaar verbleibt bei Atom A    A−B → |A− + B+

b) Homolytische Spaltung
Wird eine kovalente Bindung so gelöst, dass je ein Elektron bei den beiden Atomen verbleibt, ist es einer Homolyse oder homolytische Spaltung Es entstehen Teilchen mit ungepaarten Elektronen, sogenannte Radikale. Die Homolyse kann sowohl in der Gasphase als auch in Lösung stattfinden. Beispiel: homolytischen Spaltung des Chlormolekül mit Licht    Cl−Cl → Cl· + Cl·

17.1.3 Die Photohalogenierung
a) Photohalogenierung von Alkanen: Substitutionsreaktion
Versuch 17.1: Photobromierung von Cyclohexan  Seite 230 sorgfältig lesen
C6H12(l) + Br2(solv) → C6H11Br(solv) + HBr(g)

Aufgabe 17.1
(a) Erklären Sie das Aufhellen der Lösung. 






(b) Erklären Sie wieso Chlorwasserstoff als Produkt ausscheidet.






(c) Formulieren Sie die saure Reaktion des Bromwasserstoffs im angefeuchteten Lackmuspapier.




(d) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Rauchbildung mit gasförmigem Ammoniak.
Aufgabe 17.2
(a) Formulieren Sie die Neutralisationsreaktion. 




(b) Bestimmen Sie welche die wässrige Phase und welche die organische Phase ist. Begründen Sie Ihre Antwort.







Beilsteinprobe
Ein, in die obere Phase getauchter ausgeglühter Kupferdraht, wird in die rauschende Flamme eines Bunsenbrenners gehalten (Beilsteinprobe). Die Grünfärbung der Flamme ist ein Nachweis für Halogenalkane.

Eine Reaktion, bei der Atome oder Atomgruppen durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt werden, ist eine Substitution oder Substitutionsreaktion.



Die einfache Halogenierung von Alkanen durch Chlor oder Brom ist eine Substitution. Ein H-Atom wird durch ein Chlor- oder Bromatom ersetzt. Weil sie unter Lichteinfluss stattfindet, wird sie Photohalogenierung genannt. Fluor und Iod sind für diese Reaktion ungeeignet.

Aufgabe 17.3
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der einfachen Photochlorierung von Ethan in der Gasphase mit den Summenformeln und noch einmal mit den Konstitutionsformeln. Benennen Sie die Produkte. 









Aufgabe 17.4
Erstellen Sie die Reaktionsgleichung der einfachen Photobromierung von Cyclopentan in flüssiger Phase mit den Summenformeln und noch einmal mit den Konstitutionsformeln. Benennen Sie die Produkte. 
Aufgabe 17.5
Bei der einfachen Photobromierung von Propan mit Bromdampf entstehen zwei verschiedene flüssige organische Produkte. 
(a) Erstellen Sie eine Reaktionsgleichung mit den Summenformeln.




(b) Erstellen Sie beide Reaktionsgleichungen mit den Konstitutionsformeln.
(c) Geben Sie die Namen der Reaktionsprodukte an.








(d) Bestimmen Sie, ob die organischen Reaktionsprodukte Konstitutions- oder Konfigurationsisomere sind.




(e) Bestimmen Sie die Art der Konstitutions- bzw. Konfigurationsisomerie.





Aufgabe 17.6
Durch die einfache Photochlorierung von Butan entstehen drei flüssige Isomere. 
(a) Erstellen Sie die Reaktionsgleichung mit den Summenformeln.




(b) Erstellen Sie die Konfigurationsformeln der drei verschiedenen organischen Produkte und benennen Sie diese unter Berücksichtigung der Konfiguration.






(c) Bestimmen Sie für alle Paarungen der organischen Reaktionsprodukte, ob es sich um Konstitutions- oder Konfigurationsisomere handelt und bestimmen Sie jeweils die Art der Konstitutions- bzw. Konfigurationsisomerie.






(d) Zeigen Sie welche Isomere theoretisch durch Destillation getrennt werden können und welche nicht.
b) Mehrfache Substitutionen
Bei der Photohalogenierung sind mehrfache Substitutionen kaum zu vermeiden. Sie können aber auch durch einen Überschuss an Halogen herbeigeführt werden.

Beispiel: Chlorierung von Methan in der Gasphase
Ein Überschuss an Chlor führt zur stufenweisen Bildung von polysubstituierten Reaktionsprodukten.
CH4(g) + Cl2(g) → CH3Cl(g) + HCl(g) Monosubstitution
CH3Cl(g) + Cl2(g) → CH2Cl2(g) + HCl(g) Disubstitution
CH2Cl2(g) + Cl2(g) → CHCl3(g) + HCl(g) Trisubstitution
CHCl3(g) + Cl2(g) → CCl4(g) + HCl(g) Tetrasubstitution

Aufgabe 17.7
Benennen Sie alle Reaktionsprodukte der Photochlorierung von Methan. 





Aufgabe 17.8
Photochlorierung von Ethan 
(a) Erstellen Sie die Reaktionsgleichungen mit Summenformeln für die stufenweise Photochlorierung von Ethan in der Gasphase bis zur dreifachen Substitution.






(b) Erstellen Sie für jede Substitutionsstufe die Konstitutionsformeln aller möglichen Konstitutionisomere und benennen Sie diese.









Aufgabe 17.9
Zweifache Bromierung von Propan 
(a) Erstellen Sie die Reaktionsgleichung mit Summenformeln für die zweifache Bromierung von Propan.




(b) Erstellen Sie alle möglichen Konstitutionsformeln für die Disubstitutionsprodukte.
(c) Bestimmen Sie welche Konstitution ein asymmetrisches Kohlenstoffatom aufweist und geben Sie die möglichen Konfigurationen an.
(d) Benennen Sie alle Disubstitutionsprodukte.








c) Reaktion, Reaktionsgleichung und Mechanismus

Der Reaktionsmechanismus einer Reaktion zeigt wie, in welcher Reihenfolge und mit welchen Zwischenprodukten das Spalten und Bilden von Bindungen stattfindet (Elementarschritte).

d) Photohalogenierung: radikalische Substitution

Beispiel Einfache Chlorierung von Methan
Radikalische Reaktionen oder Mechanismen verlaufen in drei Phasen.
(1) Kettenstart: Aus Molekülen werden Radikale gebildet.
UV-Licht spaltet die Einfachbindung der Chlormoleküle. Als Zwischenprodukt entstehen reaktive Chlorradikale.






(2) Kettenfortpflanzung: Radikale reagieren mit Molekülen zu Radikalen (und Molekülen).
(a) ein Chlorradikal reagiert mit einem Methanmolekül






(b) Das Methylradikal, ein unstabiles Zwischenprodukt, reagiert mit einem Chlormolekül







(3) Kettenabbruch: Radikale verbinden sich zu Molekülen.









Da im Gemisch wenig Radikale enthalten sind, ist die Wahrscheinlichkeit eines Stoßes zwischen zwei Radikalen gering. Elementarschritte, die zum Abbruch führen finden weniger häufig statt als Elementarschritte der Kettenfortpflanzung.
Die Reaktion bildet nur eine geringe Menge an Ethan. Ethan ist ein Nebenprodukt.
Die Summe der Elementarschritte der Kettenfortpflanzung einer Kettenreaktion ergibt die Reaktionsgleichung. Die elementaren Schritte des Kettenstarts und Abbruchs werden nicht einbezogen, weil sie im Verhältnis einen sehr geringen Anteil der Reaktion darstellen.







Aufgabe 17.10
Die durch UV-Licht hervorgerufene, explosive Reaktion von Wasserstoff mit Chlorgas in der Gasphase, folgt einem radikalischen Mechanismus. Das Reaktionsprodukt ist gasförmiger Chlorwasserstoff. 
(a) Erstellen Sie die Reaktionsgleichung mit den Summenformeln.




(b) Erstellen Sie die Elementarschritte der drei Phasen des Reaktionsmechanismus. Benennen Sie die Zwischenprodukte.










(c) Zeigen Sie, dass die Summe der Elementarschritte der Kettenfortpflanzung die Reaktionsgleichung ergibt.







Aufgabe 17.11
In einem gasförmigen Brom-Ethan-Gemisch kommt es unter Lichteinfluss zur allmählichen Entfärbung. Es entsteht ein flüssiges Reaktionsprodukt. 
(a) Erklären Sie warum das Gemisch die Farbe ändert. Geben Sie die Farbe des ursprünglichen Gemisches an.






(b) Erstellen Sie die Reaktionsgleichung der einfachen Substitution mit Summenformeln und benennen Sie das gasförmige und das flüssige Reaktionsprodukt.
(c) Erstellen Sie den Reaktionsmechanismus. Benennen Sie alle Zwischenprodukte.












(d) Bei dieser Reaktion entsteht mindestens ein Nebenprodukt. Identifizieren und benennen Sie es.




(e) Zeigen Sie, dass die Summe der Elementarschritte der Kettenfortpflanzung die Reaktionsgleichung ergibt.











Aufgabe 17.12
Ein gasförmiges Chlor-Chlormethan-Gemisch wird unter Lichteinfluss zur Reaktion gebracht. Es entsteht ein flüssiges Reaktionsprodukt. 
(a) Erstellen Sie die Reaktionsgleichung für eine einmalige Substitution mit Summenformeln und benennen Sie das gasförmige und das flüssige Reaktionsprodukt.





(b) Erstellen Sie den Reaktionsmechanismus. Benennen Sie alle Zwischenprodukte.












(c) Bei dieser Reaktion entsteht mindestens ein Nebenprodukt. Identifizieren und benennen Sie es.
(d) Zeigen Sie, dass die Summe der Elementarschritte der Kettenfortpflanzung die Reaktionsgleichung ergibt.











Aufgabe 17.13
Erstellen Sie den Reaktionsmechanismus der einfachen Photobromierung von Cyclohexan. 
















Aufgabe 17.14
Halone (Feuerlöschmittel) und FCKW's (Kühlmittel) bilden in der Atmosphäre reaktive Gase wie Chlor- und Bromradikale, Chlor- und Brommonoxid-Radikale. Diese bauen zusammen mit den aus Ozon entstehenden O-Atomen das Ozon in der Troposphäre ab. Formulieren Sie aus dem dargestellten Kreisprozess die beiden Schritte der Kettenreaktion. 








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