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Butan

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Einleitung

Butan ist ein brennbarer Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C4H10. Du begegnest ihm etwa in Feuerzeugen und Kartuschen für Campingkocher. In diesem vollständigen Kurs für Lernende der Klassen 9–11 erkundest du Molekülbau, Isomerie, Eigenschaften, Verbrennung, Sicherheit und Klimabezüge. Du benötigst Grundkenntnisse über Atome und chemische Bindungen. Arbeite bei Aufgaben mit Brenngasen ausschließlich theoretisch oder unter fachkundiger Aufsicht; keine Versuche mit Gaskartuschen oder Flammen zu Hause.

Molekülbau und homologe Reihe

Vier Kohlenstoffatome und zehn Wasserstoffatome

Butan gehört zu den Alkanen, den gesättigten, offenkettigen Kohlenwasserstoffen. Jedes Kohlenstoffatom bildet vier Bindungen; die Kohlenstoffatome sind durch Einfachbindungen verknüpft. Die unverzweigte Struktur lautet CH3–CH2–CH2–CH3. Die allgemeine Summenformel offenkettiger Alkane ist CnH(2n+2). Setzt du n = 4 ein, erhältst du C4H10. Im Kugel-Stab-Modell stehen die dunklen Kugeln für Kohlenstoff und die hellen für Wasserstoff.

Von Methan zu Pentan

Methan hat ein C-Atom, Ethan zwei, Propan drei, Butan vier und Pentan fünf. Benachbarte Glieder unterscheiden sich jeweils um eine CH2-Gruppe. Mit wachsender Molekülgröße steigen im Allgemeinen die Siedetemperaturen der unverzweigten Alkane, weil die London-Dispersionskräfte zwischen ihren Molekülen stärker werden.

Isomerie und räumliche Gestalt

Zwei Konstitutionsisomere

Die Formel C4H10 beschreibt zwei unterschiedliche Verknüpfungen: n-Butan mit gerader Kette und 2-Methylpropan (Isobutan) mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst. Beide enthalten gleich viele Atome, besitzen aber unterschiedliche Strukturformeln. Das nennt man Konstitutionsisomerie. Ein bloßes Drehen des Molekülmodells erzeugt kein neues Konstitutionsisomer.

Drehung um Einfachbindungen

Die mittlere C–C-Einfachbindung von n-Butan ist drehbar. Dabei entstehen verschiedene Konformationen. Die anti-Anordnung mit weit voneinander entfernten Methylgruppen ist energetisch besonders günstig; bei der gauche-Anordnung liegen diese Gruppen näher beieinander. Die dargestellten Energieunterschiede sind relativ, nicht die gesamte Molekülenergie.

Videohinweis: „Newman Projections“ von The Organic Chemistry Tutor (Englisch) erklärt unter anderem anti-, gauche- und ekliptische Konformationen von Butan. Achte darauf, wie sich die Blickrichtung entlang einer C–C-Bindung verändert.

Physikalische Eigenschaften und Anwendungen

Gas und Flüssigkeit

Bei gewöhnlicher Raumtemperatur und Atmosphärendruck ist n-Butan gasförmig. Sein Siedepunkt liegt ungefähr bei −0,5 °C. Unter erhöhtem Druck lässt es sich verflüssigen und in geeigneten Behältern transportieren. Beim Entspannen verdampft ein Teil der Flüssigkeit und entzieht der Umgebung Wärme. Flüssiges Butan kann deshalb Kälteverletzungen verursachen. Butan ist kaum wasserlöslich und seine Dämpfe sind schwerer als Luft.

Alltag und Technik

Butan dient als Brennstoff in Feuerzeugen und in Flüssiggasgemischen. In der Industrie ist es außerdem Ausgangsstoff chemischer Prozesse. Beachte: Handelsübliches Flüssiggas kann mehrere Kohlenwasserstoffe enthalten; eine Kartusche ist nicht zwangsläufig mit reinem n-Butan gefüllt. Die genaue Zusammensetzung und sichere Verwendung ergeben sich aus Kennzeichnung und Herstellerangaben.

Verbrennung, Sicherheit und Umwelt

Reaktionsgleichung

Bei vollständiger Verbrennung reagiert Butan mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die ausgeglichene Gleichung lautet 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O. Prüfe die Bilanz: links und rechts stehen je acht Kohlenstoff-, zwanzig Wasserstoff- und 26 Sauerstoffatome. Die Reaktion setzt Energie frei. Bei unvollständiger Verbrennung können unter anderem giftiges Kohlenstoffmonoxid und Ruß entstehen.

Risiken verantwortungsvoll beurteilen

Butan bildet mit Luft entzündliche Gemische. Weil das Gas sich in tief gelegenen Bereichen sammeln kann, sind Lecks besonders gefährlich. Vermeide Zündquellen, beachte Herstellerhinweise und lasse bei Verdacht auf einen Gasaustritt geschulte Personen handeln. Geschlossene Räume ohne ausreichende Lüftung sind für Brennstoffgeräte ungeeignet. Bei der Verbrennung entsteht das Treibhausgas CO2; deshalb gehören Brennstoffverbrauch, Energieeffizienz und Alternativen zur Umweltbewertung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Wissen

Welche Summenformel hat Butan? (C4H10) (!C4H8) (!C3H8) (!C5H12)

Zu welcher Stoffklasse gehört Butan? (Alkane) (!Alkene) (!Alkohole) (!Carbonsäuren)

Wie viele Kohlenstoffatome enthält n-Butan? (Vier) (!Zwei) (!Drei) (!Sechs)

Wie heißt das verzweigte Isomer von Butan? (2-Methylpropan) (!Propan) (!Buten) (!Pentan)

Welche Bindungen verbinden die C-Atome in Butan? (Einfachbindungen) (!Doppelbindungen) (!Dreifachbindungen) (!Ionenbindungen)

Welcher Aggregatzustand liegt bei Raumtemperatur und Normaldruck vor? (Gasförmig) (!Fest) (!Plasma) (!Immer flüssig)

Was entsteht bei vollständiger Verbrennung? (Kohlenstoffdioxid und Wasser) (!Nur Kohlenstoff) (!Wasserstoff und Stickstoff) (!Nur Sauerstoff)

Welche Aussage über Butandämpfe trifft zu? (Sie sind schwerer als Luft) (!Sie sind immer leichter als Luft) (!Sie sind nicht brennbar) (!Sie sind Sauerstoff)

Was beschreibt eine Konformation? (Eine räumliche Anordnung durch Bindungsdrehung) (!Eine andere Summenformel) (!Ein neues chemisches Element) (!Eine Kernreaktion)

Warum ist Butan als Brennstoff klimaschädlich? (Bei der Verbrennung entsteht CO2) (!Es enthält Chlor) (!Es enthält Uran) (!Es erzeugt keinen Wasserdampf)

Memory

Summenformel	C4H10
Isobutan	2-Methylpropan
Alkane	Gesättigte Kohlenwasserstoffe
Kondensation	Übergang von Gas zu Flüssigkeit
Kohlenstoffdioxid	Produkt vollständiger Verbrennung
London-Kräfte	Anziehung zwischen unpolaren Molekülen

Drag and Drop

Ordne den Begriff zu	Beschreibung
n-Butan	Unverzweigte Kohlenstoffkette
Isobutan	Verzweigtes Strukturisomer
Verdampfung	Übergang von Flüssigkeit zu Gas
Vollständige Verbrennung	Reaktion zu Kohlendioxid und Wasser
Anti-Konformation	Energetisch günstige räumliche Anordnung

Kreuzworträtsel

Butan	Welches Alkan besitzt vier Kohlenstoffatome?
Propan	Welches Alkan steht in der homologen Reihe vor Butan?
Isomer	Wie nennt man eine Verbindung mit gleicher Summenformel und anderer Struktur?
Alkane	Wie heißt die Stoffklasse gesättigter offenkettiger Kohlenwasserstoffe?
Sauerstoff	Welcher Stoff wird für vollständige Verbrennung benötigt?
Methan	Wie heißt das einfachste Alkan?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Molekülmodell: Zeichne die Strukturformel von n-Butan und markiere alle C- und H-Atome.
Homologe Reihe: Erstelle eine Tabelle von Methan bis Pentan mit Namen und Summenformeln.
Alltagschemie: Suche drei Alltagsanwendungen von Flüssiggas und notiere Sicherheitsregeln ohne Geräte zu bedienen.
Fachbegriffe: Erkläre Alkan, Summenformel und Strukturformel in eigenen Worten.

Standard

Isomerie: Zeichne n-Butan und 2-Methylpropan und begründe den Unterschied.
Stoffeigenschaften: Vergleiche Siedepunkte von Propan, Butan und Pentan anhand verlässlicher Daten.
Reaktionsgleichung: Kontrolliere die Atombilanz der vollständigen Butanverbrennung.
Medienanalyse: Erkläre anhand der Newman-Projektion, warum anti und gauche nicht gleich stabil sind.

Schwer

Energieträger: Vergleiche die CO2-Emissionen verschiedener Brennstoffe pro nutzbarer Energiemenge mit Quellen.
Sicherheitskonzept: Entwirf eine Infografik zur sicheren Lagerung von Gaskartuschen auf Basis offizieller Hinweise.
Chemische Modellbildung: Baue ein digitales Modell beider Konstitutionsisomere und erläutere Modellgrenzen.
Wissenschaftskommunikation: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo über Butan ohne reale Verbrennungsexperimente.

Lernkontrolle

Struktur und Eigenschaft: Erkläre, weshalb Butan bei Raumtemperatur gasförmig ist, während längere Alkane höhere Siedepunkte besitzen.
Isomerievergleich: Begründe, weshalb n-Butan und Isobutan nicht durch bloßes Drehen ineinander übergehen.
Stöchiometrie: Berechne aus der ausgeglichenen Reaktionsgleichung das Stoffmengenverhältnis von Butan zu Sauerstoff.
Gefährdungsbeurteilung: Analysiere, warum ein Gasleck in einem schlecht belüfteten Keller besonders riskant ist.
Nachhaltigkeit: Diskutiere Nutzen und Grenzen von Butan als Energieträger unter Einbeziehung der CO2-Bilanz.

Lernnachweis

Dein Lernportfolio enthält zwei korrekt gezeichnete Strukturisomere, eine erläuterte Verbrennungsgleichung, einen Vergleich von Stoffeigenschaften, eine begründete Sicherheitsbewertung und eine quellenbasierte Einschätzung der Umweltwirkungen. Bewertet werden fachliche Richtigkeit, nachvollziehbare Argumentation, sichere Arbeitsweise und Quellenkritik.

OER und Wikipedia

Fachquellen: PubChem: Butane und NIST Chemistry WebBook: Butane. Bildquellen und Rechte:

Butane-3D-balls.png, Ben Mills und Jynto, gemeinfrei.
Butane 3D ball.png, Jynto, CC0 1.0.
Butane conformations and relative energies.svg, Keministi, CC0 1.0.

Video: Newman Projections, The Organic Chemistry Tutor; Einbettung über YouTube, Urheberrecht verbleibt beim Rechteinhaber. Keine freie Nachnutzung des Videos behauptet.