Die Extrawurst unter den Alkanen

News: Die Extrawurst unter den Alkanen

Obwohl Propan aus einer längeren Kohlenstoffkette besteht als seine kürzeren Verwandten - Ethan und Methan -, besitzt es den niedrigsten Schmelzpunkt. Das Phänomen ist seit mehr als hundert Jahren bekannt, doch erst jetzt gelang es Chemikern, die Anomalie aufzuklären. Des Rätsels Lösung: Da das Molekül fünfeckig ist, können sich die Moleküle des Propans im festen Zustand nicht so eng aneinander schmiegen wie bei seinen kürzeren Verwandten. Dadurch entstehen große Lücken, sodass die Moleküle sich beim Erhitzen leichter voneinander lösen können - und so schmilzt das feste Propan schon bei niedrigeren Temperaturen.

Propan gehört zur Familie der Alkane, an deren Anfang das Methan mit nur einem Kohlenstoffatom steht. Es folgt das Ethan mit zwei Kohlenstoffatomen und an dritter Stelle das Propan mit drei Kohlenstoffatomen. Das Butan, das in jedem Gasfeuerzeug zu finden ist, besteht aus vier Kohlenstoffatomen. Die Siedetemperatur steigt mit der Anzahl der Kohlenstoffatome an. Eine ähnliche Abfolge lässt sich zunächst auch für die Schmelzpunkte vermuten, doch erstaunlicherweise hat Propan nicht einen Schmelzpunkt, der höher liegt als der seiner leichteren Verwandten, sondern den niedrigsten aller Alkane.

Warum Propan so unerwartet aus der Reihe tanzt, entdeckten nun Roland Boese und seine Mitarbeiter von der Universität Essen. Um das Gas zu untersuchen, verfestigten die Forscher es zunächst bei einer Temperatur von weniger als minus 200 Grad Celsius. Anschließend züchteten sie aus der festen Masse einen Kristall, indem sie mit einem Infrarot-Laser auf die winzigen Kapillare zielten, in denen sich das verfestigte Propan befand. An der getroffenen Stelle entstand so eine Heizzone, in der das verfestigte Propan zu schmelzen begann. Aus der Schmelze wuchs dann ein klarer Kristall nach, an dem die Forscher die Eigenschaften des Propans genauer untersuchen konnten. Hierzu bestrahlten sie den neuen Kristall mit Röntgen-Licht. Die Strahlen werden in charakteristischer Weise von dessen Atomen abgelenkt, und es entsteht ein komplexes Strahlenmuster. Nach aufwendigen Berechnungen lassen sich dann aus den Mustern detaillierte Einblicke in die atomare Struktur des Propan-Kristalls gewinnen. Mit Hilfe dieser sogenannten Einkristall-Röntgenstrukturanalyse stellten die Forscher fest, dass beim Propan besonders viele Lücken zwischen den Molekülen bestehen, weshalb sich die einzelnen Moleküle nicht so fest aneinanderschmiegen können, wie bei den übrigen Alkanen. Damit hatten sie den Grund dafür entdeckt, warum Propan bereits bei niedrigeren Temperaturen als erwartet flüssig wird.

Die Forscher stellten sich nun die Frage, weshalb Propan solch zahlreiche große Lücken mit Vakuum zwischen den Molekülen aufweist und sie sich daher nicht näher aneinander lagern können. Die Antwort fanden die Chemiker in der Molekülgestalt des Propans: Sie ähnelt – in der Ebene angeordnet – einem Fünfeck, und Fünfecke lassen sich nicht eng packen. Ethan beispielsweise erinnert in seiner äußeren Form an ein Rechteck, und diese lassen sich natürlich viel leichter aneinanderschichten als Fünfecke, bei denen die Ecken immer wieder auf Flächen stoßen, was dieVerbindung viel instabiler macht. Die feste Struktur des Propans löst sich folglich leichter auf, der Schmelzpunkt liegt niedriger als bei den kompakter schichtbaren Alkanen.

Die Wissenschaftler wollen nun die noch unklare Struktur des farblosen Festkörpers aufklären, den Propan unter Druck bildet. Diese so genannte Gashydrate werden als mögliche Energiequellen des neuen Jahrtausends angesehen – vorausgesetzt, dass dann noch auf fossile Energieträger zurückgegriffen werden muss.

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