Physikalische Eigenschaften - Alkane

Die Anfangsglieder der homologen Reihe der Alkane mit ihren wichtigsten physikalischen Eigenschaften zeigt die Tabelle.

Von den normalen Alkanen sind bei Zimmertemperatur die Verbindungen CH₄ bis C₄H₁₀ Gase, C₅H₁₂ bis C₁₇H₃₆ Flüssigkeiten und ab C₁₈H₃₈ feste Stoffe. Butan C₄H₁₀ und Propan C₃H₈ lassen sich aber leicht unter Druck verflüssigen und haben in dieser Form als Flüssiggas technische Bedeutung.

Die Dichten der normalen Alkane steigen regelmäßig an, bleiben aber unter der Dichte des Wassers. Da die Alkane keine Löslichkeit in Wasser besitzen, bilden sich beim Mischen mit Wasser zwei Schichten; die spezifisch leichteren Alkane schwimmen auf dem Wasser.

Die Siedepunkte der geradkettigen, normalen Verbindungen steigen mit zunehmender C-Zahl im Molekül regelmäßig an. Trägt man die Zahl der Kohlenstoffatome in Abhängigkeit vom Siedepunkt in ein Diagramm ein, lässt sich durch die Punkte eine regelmäßig steigende Kurve legen. Die Unterschiede zwischen den Siedepunkten benachbarter Glieder der homologen Reihe werden nach den höheren Verbindungen hin geringer. Das hat Bedeutung für die Praxis, wenn die Verbindungen durch Destillation getrennt werden sollen. Die niederen Alkane haben größere Siedepunktdifferenzen und lassen sich deswegen leichter destillativ trennen als die höheren Verbindungen.

Auch die Schmelzpunkte der normalen Alkane steigen nach den langkettigen Verbindungen hin an. Trägt man, wie bei den Siedepunkten, dieses Mal die Schmelzpunkte in Abhängigkeit von der C-Zahl der Verbindungen auf, stellt man Unregelmäßigkeiten im Anstieg der Schmelzpunkte fest. Zwischen den einzelnen Gliedern wechselt ein starker und ein schwächerer Anstieg der Schmelzpunkte ab. Wesentlich höhere Schmelzpunkte gegenüber dem vorhergehenden Glied der Reihe haben Verbindungen, die eine gerade Zahl von C-Atomen aufweisen.

Begründung: In einem festen Stoff liegen die kettenförmigen Moleküle geordnet nebeneinander und ziehen sich gegenseitig an. Die Anziehungskräfte sind um so größer, je näher die Ketten nebeneinander liegen. Beim Schmelzen des festen Stoffes werden durch Wärmezufuhr die Ketten voneinander gelöst, d. h. die Anziehungskräfte überwunden und aufgehoben, so daß Flüssigkeit entsteht. Wenn bei den Verbindungen mit gerader C-Zahl ein größerer Sprung im Schmelzpunkt gegenüber dem vorhergehenden Nachbarn beobachtet wird, dann bedeutet das, dass bei diesem Übergang eine größere Wärmezufuhr (deshalb der höhere Schmelzpunkt) notwendig ist, um die Anziehungskräfte zwischen den Ketten zu überwinden. Offenbar liegen die Ketten der Alkane mit gerader C-Zahl wesentlich näher zusammen und ziehen sich deswegen stärker an als die benachbarten Verbindungen mit ungerader C-Zahl.

Die Aufzählung der physikalischen Eigenschaften der Alkane zeigt den Wert der Einordnung der Verbindungen in eine homologe Reihe. Der regelmäßigen Zunahme der Glieder um jeweils eine CH₂-Gruppe stehen entsprechende gesetzmäßige Änderungen im physikalischen Verhalten gegenüber. Sind die Eigenschaften einiger Glieder einer homologen Reihe bekannt, können die der anderen Glieder mit einiger Sicherheit vorausgesagt werden.

Physikalische Eigenschaften der Isomere

Die zu den normalen Alkanen isomeren Verbindungen vom C₄H₁₀ an zeigen ebenfalls einige Gesetzmäßigkeiten in ihren physikalischen Eigenschaften.

Von den möglichen Isomeren einer Verbindung hat die normale Verbindung mit gerader, unverzweigter Kette stets den höchsten Siedepunkt (siehe Tabelle). Der Siedepunkt sinkt, je  stärker die Verzweigung wird. Man kann allgemein sagen, daß der Siedepunkt von isomeren Verbindungen ums so höher liegt, je größer die Symmetrie des Moleküls ist; unter den Isomeren hat die normale Verbindung die höchste Symmetrie und daher auch den höchsten Siedepunkt.

Im Gegensatz zu den Siedepunkten besteht bei den Schmelzpunkten keine Abhängigkeit vom Verzweigungsgrad der Isomeren.

Zur Unterscheidung der Isomere durch ihre physikalischen Eigenschaften können besonders der Schmelzpunkt und der Siedepunkt herangezogen werden, weil diese Eigenschaften, wie die Tabellen gezeigt haben, besonders stark von der Struktur der Moleküle beeinflußt werden. In anderen Eigenschaften, z. B. Dichte, Brechungsindex, Dampfdruck usw., sind wesentlich geringere Unterschiede zwischen den Isomeren vorhanden.