Frage von zulangesein, 33

Hilfe beim verstehen einer Fragestellung(verzweigte Alkane/Chemie)?

Die Aufgabe: Fertige einen Fachtext an, der die unterschiedlichen Siedepunkte von n-Butan (-0,5°C) und iso-Propan (-11,7°C) erläutert.

Ich verstehe bei der Aufgabe nur Bahnhof. Ich verstehe so wenig dass ich noch nicht mal weiß WAS genau ich nicht verstehe.

Kann mir einer auf die Sprünge helfen ich check gar nichts und es ist wichtig.

Expertenantwort
von DedeM, Community-Experte für Chemie, 13

Moin,

steht in deiner Aufgabe wirklich iso-Propan?? Das gibt's nämlich nicht. Wahrscheinlich meinst du iso-Butan (oder nach IUPAC besser 2-Methylpropan)!?

Aber nun zu deiner Frage: Die Siedetemperatur eines Stoffes hängt zunächst einmal von der Masse seiner Teilchen ab. Dabei gilt der einfache Zusammenhang: je größer die Masse, desto höher die Siedetemperatur. Das ist auch relativ leicht einzusehen, weil du eben mehr Energie aufbringen musst, um ein schweres Teilchen so stark in Bewegung zu bekommen, dass es aus seiner flüssigen Phase in die gasförmige Phase übergeht.

Aber das ist nicht der einzige Aspekt, wovon die Siedetemperatur abhängt. Es gibt da auch noch so etwas wie den Zusammenhalt der Teilchen untereinander. Das sind (verglichen mit den Bindungskräften, die zwischen den Atomrümpfen bei Atombindungen oder bei den Anziehungskräften elektrostatisch unterschiedlich geladener Ionen in Ionenverbindungen herrschen) eher kleine Bindungskräfte. Zu ihnen zählen zum Beispiel die Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen oder die van-der-Waals-Kräfte. Diese Bindungen unter Molekülen mögen für sich gesehen klein sein, aber zum Beispiel bei Wasser sorgen die Zigmilliarden Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Wassermolekülen dafür, dass Wasser bei einer Molmasse von nur 18 g/mol eine Siedetemperatur von 100°C hat, während zum Beispiel die massenmäßig vergleichbaren Stoffe Methan (CH4; Molmasse: 16 g/mol, aber Siedetemperatur: –162°C!) oder Chlorwasserstoff (HCl; Molmasse: 18,5 g/mol, aber Siedetemperatur: –85°C!) deutlich niedrigere Siedetemperaturen haben, weil bei ihnen eben keine Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen vorliegen.

Die von dir genannten Stoffe gehören zu den sogenannten Alkanen. Zwischen den Alkanmolekülen gibt es weder Wasserstoffbrückenbindungen noch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, weil die Atombindungen zwischen den Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen nahezu unpolar sind. Aber van-der-Waals-Kräfte gibt es auch hier. Und nun kommt der letzte Clou:

n-Butan und iso-Butan (2-Methylpropan) haben die gleiche Summenformel, nämlich C4H10. Folglich haben ihre Moleküle auch die gleiche Masse. Daher müssten sie - allein von diesem Aspekt aus betrachtet - auch die gleiche Siedetemperatur haben. Haben sie aber nicht!
Da es beide Alkane sind und bei Alkanen nur die van-der-Waals-Kräfte einen zwischenmolekularen Zusammenhalt ergeben, müsste man also auch hier annehmen dürfen, dass die Siedetemperatur gleich sein müsste. Ist sie aber nicht! Das iso-Butan siedet rund 11°C früher... Wie kommt das?

Hier kommt der letzte Aspekt ins Spiel, der die Siedetemperatur beeinflusst, nämlich die räumliche Struktur der Moleküle. Das n-Butan besitzt kettenförmige Moleküle, während das iso-Butan ein verzweigtes Molekül ist. Das hat folgende Auswirkung: Die Berührungsfläche bei einem kettenförmigen Molekül ist größer als die bei einem verzweigten (das eher kugelförmig ist). Darum sind auch die van-der-Waals-Kräfte zwischen Ketten größer als zwischen kugeligen Gebilden. Größere van-der-Waals-Kräfte bedeuten aber einen größeren Zusammenhalt zwischen den Molekülen und somit auch eine höhere Siedetemperatur. Alles klar?

Lieber Gruß von der Waterkant.

Antwort
von muckel3302, 8

Zunächst mal meinst du sicherlich iso-Butan, denn iso-Propan gibt es nicht.

Der Unterschied in der Siedetemp. ergibt sich aus zwei Tatsachen. Das iso-Butan hat eine eher kugelige Struktur durch seine gwinkelten Verzweigungen, während n-Butan eine kettenförmige Struktur hat. Die kettenförmige Struktur hat quasi eine größere Oberfläche und damit sind auch die van-der Waals Kräfte zwischen den den n-Butanmolekülen stärker. Das bewirkt eine höhere Siedetemp. bei n-Butan. Durch die kleinere Oberfläche beim iso-Butan (kugelförmige statt Kettenstruktur) sind die van-der Waals Kräfte geringer und damit ist auch die Siedetemp. bei iso-Butan geringer. Die van-der-Waals Kräfte sind also die Hauptursache, es wirken aber noch weitere Kräfte, denn ein langgestrecktes kettenförmiges Molekül kann sich mit anderen des gleichen Typs quasi besser verhaken als kugelförmige Moleküle untereinander. Daher hat schon n-Butan einen höheren Siedepunkt als das iso-Butan. Du solltest dich aber eher an den Van-der Waals Kräften orientieren, die sind wohl in der Fragestellung gemeint.


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