Kohlenwasserstoffe

von oben nach unten: Ethan, Toluol, Methan, Ethen, Benzol, Cyclohexan, Decan.

Die Kohlenwasserstoffe (C_mH_n) sind eine Stoffgruppe von Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Die Stoffgruppe ist vielfältig. Es gibt mehrere Untergruppen wie Alkane, Cycloalkane, Alkene, Alkine und Aromaten sowie sehr viele Verbindungen dieser Klasse. Dennoch ist es die einfachste Stoffgruppe der organischen Chemie. Die Kohlenwasserstoffe haben vor allem durch ihre riesigen Vorkommen als fossile Brennstoffe und in der organischen Synthese eine große technische Bedeutung erlangt.

Vorkommen und Entstehung

Erdölprobe aus Wietze

Die Kohlenwasserstoffe sind in der Natur im Erdöl, Erdgas, Kohle bzw. Kohlenteer und weiteren fossilen Stoffen in größeren Mengen enthalten. Es gibt drei Theorien zur Entstehung der Kohlenwasserstoffe: die biogenetische Theorie, die abiogenetische Theorie und eine neuere Theorie, nach der die Kohlenwasserstoffe bei radioaktiven Prozessen im Erdmantel entstehen.

Die Kohlenwasserstoffe kommen nie in reiner Form, sondern immer nur in Gemischen vor und müssen aus diesen durch chemische oder physikalische Methoden gewonnen werden. Sogar im Weltall sind die Kohlenwasserstoffe, meist im Form von Methan und Ethan, auf Kometen, Planetenatmosphären und in interstellarer Materie zu finden. Methan war schon Bestandteil der Ursuppe.

Nach der biogenetischen Theorie entstanden die Kohlenwasserstoffvorkommen aus Meerestieren, die starben, absanken und auf dem Meeresboden von Sedimenten bedeckt wurden. Durch Absinken der Sedimente wurden diese organischen Materialien hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen wandelten sie sich nach Millionen von Jahren in Erdöl oder Steinkohle um. Teilweise entstand unter ähnlichen Bedingungen Erdgas. Erdölhaltige Sedimente, die nicht den Drücken und Temperaturen ausgesetzt waren, werden als Erdölsande bezeichnet. Erdöl ist ortsabhängig unterschiedlich zusammengesetzt.

Systematik

Kohlenwasserstoffe teilt man in gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe ein. Darüber hinaus kann man auch eine Unterscheidung in kettenförmige und ringförmige Kohlenwasserstoffe vornehmen. Gesättigte Kohlenwasserstoffe werden systematisch als Alkane bezeichnet. Bei diesen handelt es sich um chemische Verbindungen, die ausschließlich C-C- Einfachbindungen enthalten. Die einfachsten und bekanntesten Alkane sind Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), und Propan (C₃H₈). Allgemein lautet die Summenformel für die homologe Reihe der kettenförmigen Alkane C_nH_2n+2. Sie werden auch als Aliphate bezeichnet.

Ringförmige Alkane werden als Cycloalkane bezeichnet. Ihre allgemeine Summenformel lautet C_nH_2n.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe kann man in Alkene oder Olefine, Alkine und Aromaten oder Arene einteilen. Bei den Alkenen handelt es sich um Verbindungen, die C=C- Doppelbindungen enthalten. Der einfachste Vertreter dieser Stoffgruppe ist das Ethen (auch Ethylen genannt) C₂H₄. Die einfachsten n- Alkene mit nur einer Doppelbindung haben allgemein die Summenformel C_nH_2n. Die Polyene können sowohl kettenförmig, wie zum Beispiel 1,3-Butadien, als auch cyclisch, wie zum Beispiel Cyclopentadien, sein. Sie sind eine Untergruppe der Alkene, sie besitzen mehr als eine Kohlenstoffdoppelbindung.

Alkine sind Kohlenwasserstoffe, die eine oder mehrere Dreifachbindungen enthalten. Der bekannteste Vertreter ist das Ethin oder Acetylen mit der Summenformel C₂H₂. Dementsprechend haben Alkine mit einer Dreifachbindung allgemein die Summenformel C_nH_2n-2.

Die letzte wichtige Gruppe von reinen Kohlenwasserstoffen sind die Aromaten. Dabei handelt es sich um ungesättigte ringförmige Kohlenwasserstoffe, die meist 6 C-Atome besitzen. Der bekannteste Vertreter ist das Benzol C₆H₆. Eine Untergruppe der Aromaten sind die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Bei ihnen handelt es sich um Verbindungen, die aus mehreren aneinander hängenden Benzolringen bestehen. Ein bekannter Vertreter ist das Naphthalin C₁₀H₈.

Die Stoffgruppe der Terpene ist im Gegensatz zu den anderen Gruppen keine reine Kohlenwasserstoffgruppe, ihr gehören zwar Kohlenwasserstoffe an, aber auch viele Verbindungen, die neben den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff andere Elemente, besonders Sauerstoff, enthalten.^[1]

Kohlenwasserstoffe, die vom Aufbau her Platonischen Körpern entsprechen, bezeichnet man als Platonische Kohlenwasserstoffe. Hierzu gehören Tetrahedran, Cuban und Dodecahedran.

Verbindungen

Die bedeutendsten Alkane sind die niedermolekularen Alkane Methan, Ethan und Propan; die ersteren finden sich auch im Weltraum. Höhere Alkane wie n-Butan, Isopentan verschiedene Hexane und das Cycloalkan Cyclohexan sind Bestandteile in Motorenbenzin. Von technischer Bedeutung sind auch ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie das einfachste Alken Ethen, Cyclohexen, das einfachste Alkin Ethin sowie Polyene wie 1,3-Butadien, Isopren und Cyclopentadien. Viele Arene besitzen technische Bedeutung, darunter Benzol, Toluol, Xylol und Styrol. Die einfachsten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) sind Biphenyl, Naphthalin und Anthracen. Fast alle niederen und auch einige komplexere Kohlenwasserstoffe finden sich in Erdgas und Erdöl.

Eigenschaften

Bei der optimalen (vollständigen) Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht Wasser und Kohlenstoffdioxid, bei unzureichender (unvollständiger) Verbrennung können auch Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoff (Ruß) und Wasser entstehen. Bei der unvollständigen Verbrennung wird weniger Energie frei, deswegen ist für eine optimale Energieausbeute eine gute Verbrennungsführung wichtig. Eine gute Verbrennungsführung zeichnet sich durch die auf die Beschaffenheit der Kohlenwasserstoffketten abgestimmte Sauerstoffdosierung aus. Verbrennt Kohlenwasserstoff mit rußender Flamme, kann dies auch ein Anzeichen für einen höheren Kohlenstoffanteil in der Verbindung (höhere Kettenlänge, ungesättigte Kohlenwasserstoffe) sein.

Kohlenwasserstoffe mit gleicher Summenformel können verschiedene Strukturformeln (Verknüpfungen der C-Atome) aufweisen. Es handelt sich dann um Konstitutionsisomere. Es gibt sie bei den Alkanen ab den Butanen und bei den meisten anderen Kohlenwasserstoffen. Die klassische cis-trans-Isomerie tritt mitunter an C=C-Doppelbindungen auf. Einfache verzweigte Kohlenwasserstoffe können, wie das Beispiel des 3-Methylhexans und seiner Homologe zeigt, chiral sein. Das Kohlenstoffatom in Position Nummer 3 wird hier zum Stereozentrum, die Verbindung ist asymmetrisch und man unterscheidet zwischen den R- und S-Enantiomeren. Derart verzweigte Kohlenwasserstoffe lassen sich mittels enantioselektiver Gaschromatographie in ihre Enantiomere trennen.^[2]

In Wasser sind Kohlenwasserstoffe unlöslich, in den meisten organischen Lösungsmitteln jedoch gut löslich. Das heißt, Kohlenwasserstoffe sind hydrophob, also auch lipophil.

Die Reaktivität der Alkane ist abhängig von ihrer Kettenlänge. Langkettige Alkane sind relativ inert (wenig reaktiv). Sie gehen aber - neben Redoxreaktionen bei ihrer Verbrennung - gerne Substitutionsreaktionen ein, wobei Wasserstoffatome gegen andere Atome und Atomgruppen, aber hauptsächlich Halogenen ausgetauscht werden können. Alkene und Alkine hingegen sind recht reaktionsfreudig und reagieren mit vielen Substanzen unter Anlagerung an die C-C-Mehrfachbindung (Additionsreaktion).

Verwendung

Alkane werden häufig als fossiler Energieträger in Gemischen wie Biogas, Flüssiggas, Benzin, Dieselkraftstoff, Heizöl, Kerosin, Petroleum und vielen weiterem verwendet.

Die Kohlenwasserstoffe dienen weiterhin als Ausgangsstoff für eine Vielzahl von industriell bedeutenden chemischen Synthesevorgängen, zum Beispiel für die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Darüber hinaus dienen Kohlenwasserstoffe als lipophile Lösemittel (Tetrachlorkohlenstoff → „Fleckenwasser“). Wichtig sind auch die Polymerisationsprodukte der Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polyethin, viele Copolymere so wie die halogenierten Kohlenwasserstoffpolymere wie Polyvinylchlorid und Polytetrafluorethylen. Weiterhin sind die Halogenalkane wichtig in der Medizin als Vereisungs (Chlorethan)- und Narkosemittel (Halothan).

Brandgefahr und Brandminderung

Kohlenwasserstoffe, ob flüssig oder gasförmig, brennen sehr schnell und mit heißer Flamme; die dabei frei werdende Energie ist groß. Flüssige Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt (Benzin) verdampfen auch leicht und schnell; infolge ihres auch niedrigen Flammpunktes sind Brände leicht zu entfachen. Aus diesen Gründen dienen Kohlenwasserstoffe als Motorentreibstoffe und werden deshalb in großen Mengen gefördert, hergestellt, transportiert und gelagert.

Bei Unfällen mit Feuerausbruch z. B. in einer Raffinerie kann die Menge der freiwerdenden Energie zu Katastrophen führen, welche besondere Vorkehrungen nötig machen, um eventuelle Schäden zu mindern. Hier werden Werkstoffe mit höheren Anforderungen an die Brandraten eingesetzt, als sie im normalen, baulichen Brandschutz üblich sind. Das gilt auch für den Tunnelbau in den meisten industrialisierten Ländern, weil bei Unfällen mit Treibstofftransportern in Tunneln auslaufender Treibstoff in Brand geraten kann, was selbst den härtesten Beton abplatzen lässt. Zum Beispiel hat ein Feuer im Eurotunnel die Betondecke im Unterseetunnel auf eine Stärke von ca. 50 mm reduziert.

Wo auch immer Kohlenwasserstoffe eingesetzt, gelagert oder transportiert werden, gelten entsprechende Gesetze und Vorschriften, um die Unfallgefahren weitgehend zu mindern. So gibt es spezielle Behälter, welche nur für den Transport von Kohlenwasserstoffen zugelassen sind. Auch für Tankstellen gelten international besondere Reglements, wie Rauchverbot im gesamten Tankstellenbereich.

In der Regel folgten solche Vorschriften auf spektakuläre Unfälle, die historisch gesehen sehr viel Schaden verursacht haben. So hat es auch einige Tunnelfeuer gegeben, die erst zu Vorschriften für Materialien mit erhöhten Brandraten in diesem Bereich führten.

Umweltbelastung

Kohlenwasserstoffe machen - nach Definition der Weltgesundheitsorganisation WHO - den Hauptteil der flüchtigen organischen Verbindungen (abgekürzt auch VOC) aus; diese gelten bei Emission als umweltschädigend. Zwecks Emissions-Reduktion wird z.B. in der Schweiz auf diese Emissionen eine Lenkungsabgabe erhoben. Weiter besitzt Methangas einen erheblichen Treibhauseffekt.^[3]

Siehe auch

• HC-Emissionen
• Brandrate
• Brandschutz
• Kraftstoff
• Öl
• Erdöl
• Gas
• Erdgas
• Kerogen
• Ölschiefer

Literatur

• HANDBUCH DER EXPERIMENTELLEN CHEMIE SEKUNDARBEREICH II, Band 9, Kohlenwasserstoff, Aulis Verlag Deubner & Co. KG
• Reinhart Schweisfurth:Angewandte Mikrobiologie der Kohlenwasserstoffe in Industrie und Umwelt. ISBN 3-8169-0034-8
• Silke Wolff:Untersuchung reaktiver Zwischenstufen der Ozonolyse ungesättigter Kohlenwasserstoffe in der Gasphase. Shaker Verlag (1998), ISBN 3-8265-3839-0
• Andreas Raichle:Herstellung von synthetischem Steamcracker-Einsatz durch hydrierende Umsetzung cyclischer Kohlenwasserstoffe an Zeolithkatalysatoren. Shaker Verlag GmbH, ISBN 3-8322-1109-8
• Karl Hölemann:Totaloxidation flüchtiger Kohlenwasserstoffe an katalytisch beschichteten Mikrofasergestricken. Shaker Verlag GmbH (2000), ISBN 3-8265-7255-6
• J. C. Jones: Hydrocarbons. Physical Properties and their Relevance to Utilisation. J. C. Jones & Ventus Publishing ApS, 2010. ISBN 978-87-7681-513-4 (PDF bei bookboon.com)

Weblinks

 Commons: Hydrocarbons – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Kohlenwasserstoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Ausgewählte Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff-Derivate visuell und experimentell aufgearbeitet (mit 3-D-Modellen)

Einzelnachweise

1. ↑ Hans Beyer und Wolfgang Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 22. Auflage, 1991, S. 663 682, ISBN 3-7776-0485-2.
2. ↑ Uwe Meierhenrich:Amino Acids and the Asymmetry of Life. Springer-Verlag (2008), ISBN 978-3-540-76885-2.
3. ↑ BUWAL: Die Luftreinhaltung in den Kantonen, 1997.