Kohlenwasserstoffe

Kugel-Stab-Modell des Methanmoleküls, CH₄. Methan gehört zu einer homologen Reihe, den Alkanen, die nur Einfachbindungen enthalten.

In der organischen Chemie ist ein Kohlenwasserstoff eine organische Verbindung, die ausschließlich aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht. Kohlenwasserstoffe sind Beispiele für Hydride der Gruppe 14. Kohlenwasserstoffe sind im Allgemeinen farblos und hydrophob und haben nur einen schwachen Geruch. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekülstrukturen ist es schwierig, sie weiter zu verallgemeinern. In der Erdöl- und Erdgasindustrie ist Kohlenwasserstoff ein allgemeiner Begriff, der Erdöl und Erdgas als die beiden natürlich vorkommenden Phasen von Kohlenwasserstoffen, die in diesem Sektor als Rohstoffe verwendet werden, zusammenfasst. Die meisten anthropogenen Treibhausgasemissionen stammen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, einschließlich der Kraftstoffherstellung und -verbrennung. Natürliche Quellen von Kohlenwasserstoffen wie Ethylen, Isopren und Monoterpene stammen aus den Emissionen der Vegetation. ⓘ

Kohlenwasserstoffe ⓘ

Methan

Ethan

n-Hexan

Ethen

Propen

Ethin

Benzol

Kalottenmodelle einiger Kohlenwasserstoffe in unterschiedlicher Vergrößerung. Von oben nach unten: Ethan, Toluol, Methan, Ethen, Benzol, Cyclohexan, Decan. ⓘ

Arten

Gemäß der IUPAC-Nomenklatur der organischen Chemie werden die Kohlenwasserstoffe wie folgt klassifiziert:

1. Gesättigte Kohlenwasserstoffe sind die einfachsten unter den Kohlenwasserstoffarten. Sie bestehen ausschließlich aus Einfachbindungen und sind mit Wasserstoff gesättigt. Die Formel für azyklische gesättigte Kohlenwasserstoffe (d. h. Alkane) lautet CnH_2n+2. Die allgemeinste Form der gesättigten Kohlenwasserstoffe ist CnH_2n+2(1-r), wobei r die Anzahl der Ringe ist. Diejenigen mit genau einem Ring sind die Cycloalkane. Gesättigte Kohlenwasserstoffe sind die Grundlage von Erdölkraftstoffen und kommen entweder als lineare oder verzweigte Arten vor. Ihre charakteristische Eigenschaft ist die Substitutionsreaktion (wie die Chlorierungsreaktion zur Bildung von Chloroform). Kohlenwasserstoffe mit der gleichen Summenformel, aber unterschiedlichen Strukturformeln werden als Strukturisomere bezeichnet. Wie am Beispiel von 3-Methylhexan und seinen höheren Homologen gezeigt, können verzweigte Kohlenwasserstoffe chiral sein. Chirale gesättigte Kohlenwasserstoffe bilden die Seitenketten von Biomolekülen wie Chlorophyll und Tocopherol.
2. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe haben eine oder mehrere Doppel- oder Dreifachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Diejenigen mit einer Doppelbindung werden als Alkene bezeichnet. Diejenigen mit einer Doppelbindung haben die Formel CnH_2n (unter der Annahme nicht-zyklischer Strukturen). Diejenigen, die Dreifachbindungen enthalten, werden Alkine genannt. Diejenigen mit einer Dreifachbindung haben die Formel CnH2n-2.
3. Aromatische Kohlenwasserstoffe, auch Arene genannt, sind Kohlenwasserstoffe, die mindestens einen aromatischen Ring enthalten. 10 % der gesamten organischen Nicht-Methan-Kohlenstoffemissionen sind aromatische Kohlenwasserstoffe aus den Abgasen von benzinbetriebenen Fahrzeugen. ⓘ

Kohlenwasserstoffe können Gase (z. B. Methan und Propan), Flüssigkeiten (z. B. Hexan und Benzol), Wachse oder niedrig schmelzende Feststoffe (z. B. Paraffin und Naphthalin) oder Polymere (z. B. Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol) sein. ⓘ

Der Begriff "aliphatisch" bezieht sich auf nicht-aromatische Kohlenwasserstoffe. Gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe werden manchmal auch als "Paraffine" bezeichnet. Aliphatische Kohlenwasserstoffe, die eine Doppelbindung zwischen Kohlenstoffatomen enthalten, werden manchmal als "Olefine" bezeichnet. ⓘ

Variationen von Kohlenwasserstoffen auf der Grundlage der Anzahl der Kohlenstoffatome

Anzahl der Kohlenstoffatome	Alkan (Einfachbindung)	Alkene (Doppelbindung)	Alkin (Dreifachbindung)	Cycloalkan	Alkadien ⓘ
1	Methan	—	—	—	—
2	Ethan	Ethen (Ethylen)	Ethen (Acetylen)	—	—
3	Propan	Propen (Propylen)	Propin (Methylacetylen)	Cyclopropan	Propadien (Alken)
4	Butan	Buten (Butylen)	Butin	Cyclobutan	Butadien
5	Pentan	Penten	Pentyne	Cyclopentan	Pentadien (Piperylen)
6	Hexan	Hexen	Hexyn	Cyclohexan	Hexadien
7	Heptan	Heptene	Heptyne	Cycloheptan	Heptadien
8	Oktan	Octen	Oktin	Cyclooctan	Octadien
9	Nonan	Nonen	Nonyne	Cyclononan	Nonadien
10	Dezan	Decen	Decyne	Cyclodecan	Decadien
11	Undekan	Undecen	Undecen	Cycloundecan	Undecadien
12	Dodekan	Dodecen	Dodekan	Cyclododecan	Dodecadien

Verwendung

Ölraffinerien sind eine Möglichkeit, Kohlenwasserstoffe für die Verwendung zu verarbeiten. Rohöl wird in mehreren Stufen zu den gewünschten Kohlenwasserstoffen verarbeitet, die als Treibstoff und in anderen Produkten verwendet werden. ⓘ

Kesselwagen 33 80 7920 362-0 mit Kohlenwasserstoffgas am Bahnhof Enns (2018). ⓘ

Kohlenwasserstoffe werden vor allem als Brennstoff verwendet. Methan ist der vorherrschende Bestandteil von Erdgas. Die C⁶- bis C¹⁰-Alkane, Alkene und isomeren Cycloalkane sind die wichtigsten Bestandteile von Benzin, Naphtha, Düsentreibstoff und speziellen industriellen Lösungsmittelgemischen. Mit zunehmender Hinzufügung von Kohlenstoffeinheiten weisen die einfachen Kohlenwasserstoffe ohne Ringstruktur höhere Viskositäten, Schmierindizes, Siedepunkte, Erstarrungstemperaturen und eine intensivere Farbe auf. Das andere Extrem im Vergleich zu Methan sind die schweren Teere, die als unterste Fraktion in der Retorte einer Rohölraffinerie zurückbleiben. Sie werden gesammelt und in großem Umfang als Dachbaustoffe, Straßenbeläge (Bitumen), Holzschutzmittel (die Kreosot-Reihe) und als extrem hochviskose, scherfeste Flüssigkeiten verwendet. ⓘ

Einige großtechnische Anwendungen von Kohlenwasserstoffen außerhalb des Kraftstoffbereichs beginnen mit Ethan und Propan, die aus Erdöl und Erdgas gewonnen werden. Diese beiden Gase werden entweder in Synthesegas oder in Ethylen und Propylen umgewandelt. Diese beiden Alkene sind Vorprodukte für Polymere wie Polyethylen, Polystyrol, Acrylate, Polypropylen usw. Eine weitere Klasse spezieller Kohlenwasserstoffe ist BTX, ein Gemisch aus Benzol, Toluol und den drei Xylolisomeren. Der weltweite Verbrauch von Benzol wird für das Jahr 2021 auf über 58 Millionen Tonnen geschätzt und wird bis 2022 auf 60 Millionen Tonnen ansteigen. ⓘ

Kohlenwasserstoffe sind auch in der Natur weit verbreitet. Einige eusoziale Arthropoden, wie die brasilianische stachellose Biene Schwarziana quadripunctata, verwenden einzigartige kutikuläre Kohlenwasserstoff-"Düfte", um Artgenossen von Nicht-Artgenossen zu unterscheiden. Die Zusammensetzung dieser Kohlenwasserstoffe variiert je nach Alter, Geschlecht, Neststandort und hierarchischer Stellung. ⓘ

Es besteht auch die Möglichkeit, Kohlenwasserstoffe aus Pflanzen wie Euphorbia lathyris und Euphorbia tirucalli als alternative und erneuerbare Energiequelle für Fahrzeuge zu gewinnen, die Diesel verwenden. Darüber hinaus wurden endophytische Bakterien aus Pflanzen, die von Natur aus Kohlenwasserstoffe produzieren, zum Abbau von Kohlenwasserstoffen eingesetzt, um die Kohlenwasserstoffkonzentration in verschmutzten Böden zu verringern. ⓘ

In einer Raffinerie wird Erdöl – ein komplexes Stoffgemisch, das einen hohen Anteil an sehr vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffen enthält – zu einfacheren Stoffgemischen von Kohlenwasserstoffen getrennt, die u. a. zur Herstellung von Ottokraftstoff und Dieselkraftstoff verwendet werden. ⓘ

Alkane werden häufig als fossiler Energieträger in Gemischen wie Biogas, Flüssiggas, Benzin, Dieselkraftstoff, Heizöl, Kerosin, Petroleum verwendet. Die bedeutendsten Alkane sind die niedermolekularen Alkane Methan, Ethan und Propan. Alkane wie Butan, Isopentan, verschiedene Hexane und das Cycloalkan Cyclohexan sind Bestandteile in Motorenbenzin. ⓘ

Die Kohlenwasserstoffe dienen als Ausgangsstoff für eine Vielzahl von industriell bedeutenden chemischen Synthesevorgängen. Von technischer Bedeutung sind Alkene wie Ethen und Cyclohexen, Alkine wie Ethin und Polyene wie 1,3-Butadien, Isopren und Cyclopentadien. Viele Arene besitzen technische Bedeutung, darunter Benzol, Toluol, Xylol und Styrol. ⓘ

Wichtig sind die Polymerisationsprodukte der Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polyethin, viele Copolymere sowie die halogenierten Kohlenwasserstoffpolymere wie Polyvinylchlorid und Polytetrafluorethylen. Darüber hinaus dienen Kohlenwasserstoffe als lipophile Lösemittel. ⓘ

Reaktionen

Das bemerkenswerte Merkmal der Kohlenwasserstoffe ist ihre Trägheit, insbesondere bei gesättigten Bestandteilen. Ansonsten können drei Haupttypen von Reaktionen unterschieden werden:

• Substitutionsreaktion
• Additionsreaktion
• Verbrennung ⓘ

Radikalische Reaktionen

Substitutionsreaktionen treten nur bei gesättigten Kohlenwasserstoffen (einfache Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen) auf. Für solche Reaktionen werden hochreaktive Reagenzien wie Chlor und Fluor benötigt. Im Falle der Chlorierung ersetzt eines der Chloratome ein Wasserstoffatom. Die Reaktionen verlaufen auf dem Weg der freien Radikale.

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

bis hin zu CCl₄ (Tetrachlorkohlenstoff) ⓘ

C₂H₆ + Cl₂ → C₂H₅Cl + HCl

C₂H₄Cl₂ + Cl₂ → C₂H₃Cl₃ + HCl

bis hin zu C₂Cl₆ (Hexachlorethan) ⓘ

Substitution

Unter den Kohlenwasserstoffklassen sind die aromatischen Verbindungen die einzigen (oder fast die einzigen), die Substitutionsreaktionen eingehen. Der in großem Maßstab praktizierte chemische Prozess ist ein Beispiel dafür: die Reaktion von Benzol und Ethen zu Ethylbenzol. ⓘ

Additionsreaktionen

Additionsreaktionen werden bei Alkenen und Alkinen durchgeführt. Bei dieser Reaktion addieren verschiedene Reagenzien "über" die pi-Bindung(en). Chlor, Chlorwasserstoff, Wasser und Wasserstoff sind beispielhafte Reagenzien. Alkene und einige Alkine unterliegen auch der Polymerisation, der Alkenmetathese und der Alkinmetathese. ⓘ

Oxidation

Kohlenwasserstoffe sind aufgrund der bei ihrer Verbrennung entstehenden Energie derzeit weltweit die Hauptquelle für elektrische Energie und Wärmequellen (z. B. für die Heizung von Wohnungen). Oft wird diese Energie direkt als Wärme genutzt, z. B. in Hausheizungen, die entweder Erdöl oder Erdgas verwenden. Der Kohlenwasserstoff wird verbrannt und die Wärme wird zur Erwärmung von Wasser genutzt, das dann im Kreislauf geführt wird. Ein ähnliches Prinzip wird zur Erzeugung von elektrischer Energie in Kraftwerken verwendet. ⓘ

Gemeinsame Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen sind die Tatsache, dass sie bei der Verbrennung Dampf, Kohlendioxid und Wärme erzeugen und dass für die Verbrennung Sauerstoff erforderlich ist. Der einfachste Kohlenwasserstoff, Methan, verbrennt wie folgt:

CH₄ + 2 O₂ → 2 H₂O + CO₂ + Energie ⓘ

Bei unzureichender Luftzufuhr bilden sich Kohlenmonoxidgas und Wasserdampf:

2 CH₄ + 3 O₂ → 2 CO + 4 H₂O ⓘ

Ein weiteres Beispiel ist die Verbrennung von Propan:

C₃H₈ + 5 O₂ → 4 H₂O + 3 CO₂ + Energie ⓘ

Und schließlich, für jedes lineare Alkan mit n Kohlenstoffatomen,

CnH_2n+2 + 3n + 1/2 O₂ → (n + 1) H₂O + n CO₂ + Energie. ⓘ

Die partielle Oxidation ist charakteristisch für die Reaktionen von Alkenen mit Sauerstoff. Dieser Prozess ist die Grundlage der Ranzigwerdung und der Lacktrocknung. ⓘ

Herkunft

Natürliche Ölquelle in Korňa, Slowakei. ⓘ

Die meisten Kohlenwasserstoffe auf der Erde kommen in Form von Erdöl, Petroleum, Kohle und Erdgas vor. Erdöl (wörtlich "Steinöl" - kurz Benzin) und Kohle werden im Allgemeinen als Produkte der Zersetzung organischer Stoffe angesehen. Kohle ist im Gegensatz zu Erdöl reicher an Kohlenstoff und ärmer an Wasserstoff. Erdgas ist das Produkt der Methanogenese. ⓘ

Erdöl besteht aus einer scheinbar unbegrenzten Vielfalt von Verbindungen, weshalb Raffinerien notwendig sind. Diese Kohlenwasserstoffe bestehen aus gesättigten Kohlenwasserstoffen, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Kombinationen aus beiden. Was im Erdöl fehlt, sind Alkene und Alkine. Für ihre Herstellung sind Raffinerien erforderlich. Aus Erdöl gewonnene Kohlenwasserstoffe werden hauptsächlich als Kraftstoff verbraucht, sind aber auch die Quelle für praktisch alle synthetischen organischen Verbindungen, einschließlich Kunststoffen und Arzneimitteln. Erdgas wird fast ausschließlich als Brennstoff verbraucht. Kohle wird als Brennstoff und als Reduktionsmittel in der Metallurgie verwendet. ⓘ

Ein kleiner Teil der auf der Erde gefundenen Kohlenwasserstoffe und alle derzeit bekannten Kohlenwasserstoffe auf anderen Planeten und Monden sind vermutlich abiologisch. ⓘ

Einige Kohlenwasserstoffe sind auch im Sonnensystem weit verbreitet und reichlich vorhanden. Auf Titan, dem größten Saturnmond, wurden Seen mit flüssigem Methan und Ethan gefunden, was von der Cassini-Huygens-Mission bestätigt wurde. Kohlenwasserstoffe sind auch in Nebeln reichlich vorhanden und bilden polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen (PAK). ⓘ

Bioremediation

Die Bioremediation von Kohlenwasserstoffen aus kontaminierten Böden oder Gewässern ist aufgrund der chemischen Trägheit der Kohlenwasserstoffe (sie haben Millionen von Jahren im Ausgangsgestein überlebt) eine große Herausforderung. Nichtsdestotrotz wurden viele Strategien entwickelt, wobei die Bioremediation eine herausragende Rolle spielt. Das Hauptproblem bei der Bioremediation ist der Mangel an Enzymen, die auf diese Stoffe einwirken. Nichtsdestotrotz wird diesem Bereich regelmäßig Aufmerksamkeit geschenkt. Bakterien in der Gabbro-Schicht der Meereskruste können Kohlenwasserstoffe abbauen, aber die extreme Umgebung erschwert die Forschung. Andere Bakterien wie Lutibacterium anuloederans können ebenfalls Kohlenwasserstoffe abbauen. Mykoremediation oder der Abbau von Kohlenwasserstoffen durch Myzelien und Pilze ist möglich. ⓘ

Sicherheit

Kohlenwasserstoffe sind im Allgemeinen von geringer Toxizität, daher die weite Verbreitung von Benzin und ähnlichen flüchtigen Produkten. Aromatische Verbindungen wie Benzol sind narkotisch, chronisch giftig und krebserregend. Bestimmte seltene polyzyklische aromatische Verbindungen sind krebserregend. Kohlenwasserstoffe sind leicht entzündlich. ⓘ

Auswirkungen auf die Umwelt

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen als Brennstoff, bei der Kohlendioxid und Wasser entstehen, trägt wesentlich zur anthropogenen globalen Erwärmung bei. Kohlenwasserstoffe gelangen durch ihre umfangreiche Verwendung als Brennstoffe und Chemikalien sowie durch Leckagen oder unbeabsichtigte Freisetzungen bei der Exploration, Produktion, Raffination oder dem Transport fossiler Brennstoffe in die Umwelt. Die anthropogene Verunreinigung des Bodens mit Kohlenwasserstoffen ist aufgrund der Persistenz der Schadstoffe und der negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit ein ernstes globales Problem. ⓘ

Wenn der Boden durch Kohlenwasserstoffe verunreinigt ist, kann dies seine mikrobiologischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigen. Dies kann dazu führen, dass das Wachstum der Vegetation verhindert, verlangsamt oder sogar beschleunigt wird, je nachdem, welche Veränderungen genau auftreten. Erdöl und Erdgas sind die beiden größten Quellen für die Verunreinigung des Bodens mit Kohlenwasserstoffen. ⓘ

Eigenschaften

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

Gasförmige Kohlenwasserstoffe brennen sehr schnell und mit heißer Flamme; die dabei frei werdende Energie ist groß. Flüssige Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt verdampfen leicht; infolge ihres auch niedrigen Flammpunktes sind Brände leicht zu entfachen. Bei der optimalen (vollständigen) Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht Wasser und Kohlenstoffdioxid, bei unzureichender (unvollständiger) Verbrennung können auch Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoff (Ruß) entstehen. Die Reaktivität der Alkane ist abhängig von ihrer Kettenlänge. Langkettige Alkane sind relativ inert (wenig reaktiv). Verbrennt Kohlenwasserstoff mit rußender Flamme, kann dies auch ein Anzeichen für einen höheren Kohlenstoffanteil in der Verbindung (größere Kettenlänge) sein. ⓘ

Alkane gehen aber – neben Redoxreaktionen bei ihrer Verbrennung – 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). ⓘ

Die vergleichsweise hohe Neigung der Kohlenstoffatome zur Ausbildung von Ketten C-C-C-… (Verkettung oder Katenisierung, englisch catenation, von lateinisch catena ‚Kette‘) ist für die Vielfalt der Kohlenwasserstoffe entscheidend und beruht auf der höheren Bindungsenergie der kovalenten C–C Bindungen (356 kJ/mol) im Vergleich zu höheren Homologen der 14. Gruppe (z. B. Si–Si (226 kJ/mol), Ge–Ge (186 kJ/mol)). Weiterhin ist die C–H-Bindung ebenfalls thermodynamisch stabiler als die Si–H-, Ge–H- oder Sn–H-Bindung. So kann erklärt werden, warum es eine höhere Vielfalt an Kohlen-, als an Silicium- oder Germaniumwasserstoffen gibt. ⓘ

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 Emissionsreduktion wird z. B. in der Schweiz auf diese Emissionen eine Lenkungsabgabe erhoben. Weiter besitzt Methangas einen erheblichen Treibhauseffekt. ⓘ