Eine Kette aus Radikalen
In 5.2.1 war die Substitution nur eine Stoffbilanz. Jetzt geht es um den Weg: Alkane reagieren mit Chlor oder Brom erst im Licht — über Radikale.
- Radikal:Teilchen mit einem ungepaarten Elektron (Cl•, •CH₃) — sehr reaktionsfreudig, kurzlebig.
- Homolyse:Eine Bindung wird so gespalten, dass jedes Atom ein Elektron behält: Cl–Cl → 2 Cl• (Licht hν).
- Kettenstart:Licht liefert die Energie zur Spaltung des Halogen-Moleküls (Cl–Cl: 242 kJ/mol).
- Kettenfortpflanzung:Radikal + Molekül → Molekül + neues Radikal — die Zahl der Radikale bleibt gleich.
- Kettenabbruch:Zwei Radikale vereinigen sich; die Kette endet.
Fortpflanzungsschritte der Chlorierung: Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃
•CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•
- Bilanz:\(\ce{CH4 + Cl2 ->[h\nu] CH3Cl + HCl}\) — ein H-Atom wird gegen ein Cl-Atom ausgetauscht.
Die Kette verfolgen
Im Reaktionsraum liegen Methan und Chlor. Drücke „Schritt ▶“ — im Dunkeln passiert nichts. Belichte, dann verfolge Schritt für Schritt (oder mit „Auto ▶“), wie die Kette läuft und wie sie abbricht. Tastatur: Tab zum Reaktionsraum, Enter oder → = nächster Schritt, L = Licht.
Halte fest: Ein einziges Lichtquant startet viele Fortpflanzungsschritte — die Radikale werden dabei immer wieder neu gebildet, erst ein Abbruch (zwei Radikale treffen sich) beendet die Kette.
- Kettenlänge:Ein Startschritt löst oft Tausende Fortpflanzungsschritte aus — Radikale sind in sehr kleiner Konzentration vorhanden, Abbrüche daher selten.
- Licht aus:Die Reaktion endet nach Sekundenbruchteilen, weil keine neuen Radikale gebildet werden.
- Mehrfachsubstitution:Auch CH₃Cl kann angegriffen werden → CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄. Alkan im Überschuss begünstigt das Monosubstitutionsprodukt.
- Nachweis:Das Nebenprodukt HCl bzw. HBr färbt feuchtes Indikatorpapier rot — so unterscheidet man Substitution von Addition (5.1.5).
- Radikalfänger:Spuren von O₂ oder NO fangen Radikale ab und bremsen die Kette.
Kettenreaktion: Start: Radikale entstehen · Fortpflanzung: Radikale werden weitergegeben · Abbruch: Radikale verschwinden
Allgemeine Hinweise
Kein H•, sondern HCl
Im ersten Fortpflanzungsschritt entsteht HCl und das Alkyl-Radikal — nicht CH₃Cl und ein H-Radikal. Die H–Cl-Bindung ist stark, die Bildung von H• wäre energetisch sehr ungünstig.
Radikale ≠ Ionen
Cl• ist ein neutrales Atom mit ungepaartem Elektron. Cl⁻ hat ein Elektron mehr und ein vollständiges Oktett — Ionen treten bei der radikalischen Substitution nicht auf.
Punkte zählen
Kontrollieren Sie jeden Teilschritt: Start 0 → 2 Radikale, Fortpflanzung 1 → 1, Abbruch 2 → 0. Stimmt die Bilanz der Punkte nicht, stimmt der Schritt nicht.