Radikale

01.9 Reaktion von Alkanen mit Halogenen

Was du auf dieser Seite lernst

Alkane reagieren unter Lichtzufuhr mit Halogenen in einer radikalischen Substitution (S_R): Ein Wasserstoff-Atom wird durch ein Halogen-Atom ersetzt. Du lernst den dreistufigen Reaktionsmechanismus kennen und erfährst, welche Eigenschaften die entstehenden Halogenalkane haben.

Grundlagen – Angriffsfreudige Teilchen

Radikale und die homolytische Bindungsspaltung hast du auf der vorherigen Seite kennengelernt:
→ 1.8 Angriffsfreudige Teilchen · → 1.7 Eigenschaften der Alkane

1.9 Reaktion von Alkanen mit Halogenen

1.9.1 Versuch

Experiment:

Gemisch aus 4 ml Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan) und 1,3 ml Brom werden belichtet.
An das entstehende Gas wird …

… Flasche mit konz. Ammoniak
… feuchtes pH-Papier

… gehalten.

Es entstehen:

a) ein farbloses Gas:

Nebelbildung an feuchter Luft (HBr);
mit Ammoniak bildet sich ein weißer Rauch (Ammoniak und der Stoff reagiert zu einem porösen Salz (NH₄Br));
angefeuchtetes Indikatorpapier färbt sich rot (Säure muss entstanden sein → HBr).

→ Die Beobachtungen sprechen dafür, dass das farblose Gas Bromwasserstoff (HBr) ist.

b) eine Flüssigkeit:

größere Dichte als Wasser;
Beilsteinprobe positiv (Beilsteinprobe: halogenhaltige Verbindungen ergeben mit Kupfer in der Flamme eine Grünfärbung).

→ Die Flüssigkeit ist ein Bromalkan (hauptsächlich).

1.9.2 Reaktionsschema

Alkan + Brom —(Belichtung)→ Bromalkan + Bromwasserstoff

Allgemein:
Alkan + Halogen —(Belichtung)→ Halogenalkan + Halogenwasserstoff

1.9.3 Reaktionsmechanismus

(vereinfacht: statt Isooctan wird Methan verwendet)

Folgende Abbildung zeigt den Reaktionsmechanismus der radikalischen Substitutionsreaktion zu einem Halogenalkan unter Bildung eines Halogenwasserstoffs.

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Reaktionsmechanismus radikalische Substitution – Start, Kettenreaktion, Abbruch (vergrößert)

Merke

Reaktionen, bei denen Atome oder Atomgruppen einer Verbindung durch andere Atome ersetzt werden, bezeichnet man als Substitution.
Die Bromierung von Methan ist eine radikalische Substitution (S_R-Reaktion).

1.9.4 Halogenalkane

a) Halogenalkane sind Derivate (Abkömmlinge) der Alkane.

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Chlormethan, Dichlormethan, Chloroform – Strukturformeln und Eigenschaften (vergrößert)

b) Eigenschaften der Halogenalkane:

Löslichkeit	Halogenalkane sind in Wasser unlöslich. Sie sind sehr gute Lösungsmittel für Alkane und Fette (hydrophobe Stoffe).
Dichte	Halogenalkane haben meistens eine größere Dichte als 1 g/cm³.
Siedetemperatur	Sie liegt bei Halogenalkanen höher als bei vergleichbaren Alkanen (Grund: größere van-der-Waals-Kräfte).
Brennbarkeit	Je mehr H-Atome durch Halogen-Atome ersetzt sind, umso schlechter ist die Brennbarkeit der Halogenalkane.

c) Verwendung:

hervorragende Lösungsmittel (Extraktion pflanzlicher Öle, Entfetten von Metallteilen, chemische Reinigung …)
Treibgase in Sprays
Kältemittel für Kühlanlagen
Feuerlöschmittel (Halon, Bromtrifluormethan)
Desinfektionsmittel (Jodoform, Trijodmethan)
Insektizide (Lindan, Hexachlorcyclohexan)

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

STARTREAKTION

Licht spaltet Br₂ homolytisch → zwei Br-Radikale (Br•). Energiezufuhr notwendig, läuft nur einmal ab.

KETTENREAKTION

Br• + CH₄ → HBr + CH₃• · CH₃• + Br₂ → CH₃Br + Br• · Das Radikal regeneriert sich ständig → Kettenreaktion.

ABBRUCH

Zwei Radikale rekombinieren → stabile Verbindung. Kette bricht ab, wenn Radikale aufeinandertreffen.

HALOGENALKANE

Dichte > 1 g/cm³ · in Wasser unlöslich · höherer Sdp. als Alkane · weniger brennbar je mehr Halogenatome.

Häufige Fragen – Radikalische Substitution und Halogenalkane

Was ist eine radikalische Substitution (S_R)?

Bei einer Substitution wird ein Atom oder eine Atomgruppe in einem Molekül durch ein anderes Atom ersetzt. Bei der radikalischen Substitution (S_R) übernehmen Radikale die Angreiferrolle. Bei der Bromierung von Methan wird ein H-Atom durch ein Br-Atom ersetzt: CH₄ + Br₂ → CH₃Br + HBr. Die Reaktion läuft als Kettenreaktion in drei Stufen ab: Startreaktion, Kettenreaktion, Abbruchreaktion.

Warum wird für die Bromierung von Alkanen Licht benötigt?

Die Reaktion beginnt mit der Startreaktion: Licht (hν) liefert die nötige Energie, um die Br–Br-Bindung homolytisch zu spalten – jedes Br-Atom erhält ein Elektron und wird zum Radikal (Br•). Diese Br-Radikale lösen die Kettenreaktion aus. Ohne Lichtzufuhr findet keine Startreaktion statt, und die Gesamtreaktion kommt nicht in Gang.

Welche drei Schritte hat der Reaktionsmechanismus der S_R?

1. Startreaktion: Br₂ →(hν)→ 2 Br• (einmalig, braucht Energie).
2. Kettenreaktion (läuft sehr oft ab):
Br• + CH₄ → HBr + CH₃• (Br-Radikal zieht H ab)
CH₃• + Br₂ → CH₃Br + Br• (Methyl-Radikal greift Br₂ an, neues Br• entsteht)
3. Abbruchreaktion: Zwei Radikale rekombinieren, z. B. CH₃• + Br• → CH₃Br. Die Kette bricht ab.

Warum haben Halogenalkane einen höheren Siedepunkt als vergleichbare Alkane?

Halogenatome sind größer und polarisierbarer als Wasserstoff-Atome. Dadurch sind die van-der-Waals-Kräfte zwischen Halogenalkanmolekülen stärker als zwischen reinen Alkanmolekülen gleicher Kettenlänge. Stärkere ZMK bedeuten mehr Energie zum Verdampfen → höherer Siedepunkt. Zusätzlich besitzen C–X-Bindungen (X = Halogen) einen Dipolcharakter, der weitere Anziehungskräfte beiträgt.

Was ist die Beilsteinprobe und was zeigt sie an?

Die Beilsteinprobe ist ein einfacher Nachweis für halogenhaltige organische Verbindungen. Dazu wird ein Kupferdraht in der Flamme erhitzt und dann kurz in die Probe getaucht. Enthält die Substanz Halogene (Cl, Br, I), färbt sich die Flamme charakteristisch grün (durch Kupferhalogenid-Verbindungen). Beim Versuch in 1.9.1 wurde so bestätigt, dass die entstandene Flüssigkeit ein Bromalkan ist.

Lernkarten – Radikalische Substitution

Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.

Was ist eine Substitution? Was bedeutet „radikalisch"?

Substitution: Ein Atom/Gruppe wird durch ein anderes ersetzt. Radikalisch: Der Angreifer ist ein Radikal (Einzelelektron).

Nenne die drei Stufen der S_R-Reaktion.

1. Startreaktion (Br₂ + hν → 2 Br•)
2. Kettenreaktion (Radikale reagieren, neues Radikal entsteht)
3. Abbruchreaktion (zwei Radikale rekombinieren)

Welche Produkte entstehen bei der Bromierung von Methan?

CH₄ + Br₂ →(hν)→ CH₃Br (Brommethan) + HBr (Bromwasserstoff).

Nenne zwei Unterschiede zwischen Halogenalkanen und Alkanen.

1. Dichte > 1 g/cm³ (Alkane < 1).
2. Höherer Siedepunkt (stärkere vdW-Kräfte).
3. In Wasser unlöslich, aber gutes Lösungsmittel für Fette.

Methan wird zweifach bromiert. Nenne Produkt und systematischen Namen.

CH₄ + 2 Br₂ →(hν)→ CH₂Br₂ + 2 HBr
Name: Dibrommethan (Di- für zwei Br-Atome, Stamm Methan).

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