Aufgaben: Radikalische Substitution von Alkanen

Methan reagiert mit Chlor unter Belichtung mit UV-Licht zu Chlormethan und Chlorwasserstoff.

1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung mit Strukturformeln für die Bildung von Chlormethan.
2. b) Erklären Sie, warum diese Reaktion als Substitution bezeichnet wird.

Die radikalische Substitution verläuft als Kettenreaktion in den Schritten Kettenstart, Kettenfortpflanzung und Kettenabbruch.

1. a) Formulieren Sie den Kettenstart für die Reaktion von Methan mit Brom ($\mathrm{Br_2}$) und kennzeichnen Sie die Radikale durch einen Punkt.
2. b) Erklären Sie, warum für den Kettenstart Licht oder Wärme erforderlich ist.

Bei der Chlorierung von Methan entsteht neben Chlormethan auch Ethan in geringer Menge.

1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung, die zur Bildung von Ethan führt.
2. b) Ordnen Sie diese Reaktion einem Schritt der Kettenreaktion zu und begründen Sie Ihre Zuordnung.

Ethan wird in einem Reaktionsgefäß mit Chlor gemischt und mit einer UV-Lampe bestrahlt.

1. a) Formulieren Sie den vollständigen Mechanismus der Bildung von Chlorethan (Kettenstart, zwei Kettenfortpflanzungsschritte, zwei mögliche Kettenabbruchreaktionen).
2. b) Erklären Sie, weshalb bereits wenige Photonen eine große Stoffmenge an Produkt liefern können.

Bei der Chlorierung von Methan im Chlorüberschuss entsteht ein Gemisch aus Chlormethan, Dichlormethan, Trichlormethan und Tetrachlormethan.

1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Bildung von Dichlormethan und Trichlormethan aus dem jeweils vorherigen Produkt.
2. b) Nennen Sie eine Maßnahme, mit der man überwiegend Chlormethan erhält, und begründen Sie diese.
3. c) Berechnen Sie die Masse an Chlor, die für die vollständige Umsetzung von $8{,}0\,\text{g}$ Methan zu Tetrachlormethan benötigt wird. ($M(\mathrm{CH_4}) = 16\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{Cl_2}) = 71\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$)

Propan wird unter Lichteinwirkung mit Brom umgesetzt. Man erhält zwei konstitutionsisomere Monobrompropane.

1. a) Geben Sie die Strukturformeln und die Namen beider Produkte an.
2. b) Erläutern Sie, weshalb bei Brom das Produkt 2-Brompropan überwiegt, obwohl sechs Wasserstoffatome an den endständigen und nur zwei am mittleren Kohlenstoffatom gebunden sind. Berücksichtigen Sie die Stabilität der intermediären Alkylradikale.

Ein Reagenzglas mit Hexan und Brom (rotbraune Lösung) wird in zwei Hälften geteilt. Eine Probe wird im Dunkeln aufbewahrt, die andere im Sonnenlicht. Nur die belichtete Probe entfärbt sich, dabei lässt sich über der Lösung mit feuchtem Indikatorpapier eine saure Reaktion nachweisen.

1. a) Erklären Sie die Beobachtungen und formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung von 1-Bromhexan.
2. b) Vergleichen Sie diese Beobachtung mit der von Hex-1-en und Brom im Dunkeln und erklären Sie den Unterschied im Reaktionstyp.
3. c) Begründen Sie, warum man bei der radikalischen Substitution ein Produktgemisch erhält und die Reaktion für gezielte Synthesen wenig geeignet ist.

Die Bindungsenthalpien betragen: $\mathrm{C-H}$ (Methan) $435\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, $\mathrm{Cl-Cl}$ $243\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, $\mathrm{H-Cl}$ $431\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, $\mathrm{C-Cl}$ $339\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.

1. a) Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie der beiden Kettenfortpflanzungsschritte

$\mathrm{Cl\cdot + CH_4 \rightarrow HCl + \cdot CH_3}$ und $\mathrm{\cdot CH_3 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl\cdot}$ sowie der Gesamtreaktion.

1. b) Beurteilen Sie anhand der Ergebnisse, ob die Gesamtreaktion exotherm ist und warum sie dennoch einen Energieeintrag zum Start benötigt.

Halogenalkane wie Chlormethan wurden früher als Kältemittel eingesetzt. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) wie $\mathrm{CF_2Cl_2}$ wurden als Ozonkiller bekannt. In der Stratosphäre spaltet UV-Strahlung ein Chloratom ab, das mit Ozon reagiert.

1. a) Formulieren Sie die Gleichungen für die Bildung des Chlorradikals aus $\mathrm{CF_2Cl_2}$ und die Reaktionen, in denen ein Chlorradikal katalytisch Ozon ($\mathrm{O_3}$) zu Sauerstoff ($\mathrm{O_2}$) abbaut (über $\mathrm{ClO\cdot}$ und Sauerstoffatome).
2. b) Erklären Sie, warum ein einzelnes Chlorradikal viele Ozonmoleküle zerstören kann.
3. c) Beurteilen Sie, warum ein Ersatz durch Stoffe ohne Chloratome sinnvoll ist.