Kohlenwasserstoffe sind Stoffe, deren Moleküle nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen. Ein Kohlenstoffatom geht vier Atombindungen ein, ein Wasserstoffatom eine. Kohlenstoffatome können sich zu Ketten verbinden. Daher kommt die große Vielfalt.

Alkane sind Kohlenwasserstoffe mit nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Sie sind gesättigt: Jedes Kohlenstoffatom trägt so viele Wasserstoffatome, wie es nur kann. Bei den einfachsten Alkanen kommt von einem Glied zum nächsten eine CH₂-Gruppe dazu. Eine solche Reihe heißt homologe Reihe. Ihre Glieder haben ähnliche Eigenschaften, die sich Schritt für Schritt ändern. Der Name besteht aus einem Zahlwort für die Zahl der Kohlenstoffatome und der Endung -an.

Die Zahlwörter heißen meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept-, oct-, non-, dec- für 1 bis 10 Kohlenstoffatome. Aus der Tabelle liest du ab: Ein Alkan mit $n$ Kohlenstoffatomen hat $2n + 2$ Wasserstoffatome.

Die Summenformel nennt nur die Zahl der Atome, zum Beispiel $\mathrm{C_4H_{10}}$. Die Strukturformel zeigt, wie die Atome verbunden sind. In der verkürzten Schreibweise steht jede CH₃-, CH₂- oder CH-Gruppe einzeln. Butan: $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_3}$.

Zu $\mathrm{C_4H_{10}}$ passt noch eine zweite Anordnung: eine Kette aus drei Kohlenstoffatomen, an deren mittlerem eine CH₃-Gruppe hängt, $\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_3}$. Stoffe mit gleicher Summenformel, aber verschiedener Strukturformel heißen Isomere.

Regeln für den Namen (Nomenklatur):

• Such die längste Kette. Ihr Name ist der Stamm, bei drei Kohlenstoffatomen also Propan.
• Seitenketten heißen Reste: -CH₃ ist Methyl, -C₂H₅ ist Ethyl.
• Nummeriere die Kette von dem Ende her, das dem Rest die kleinere Nummer gibt. Die Nummer steht vor dem Rest: 2-Methylpropan. Bei zwei gleichen Resten schreibst du di-: 2,2-Dimethylpropan.

Alkane sind unpolar. Zwischen den Molekülen wirken nur die schwächsten Kräfte, die Van-der-Waals-Kräfte: Die Elektronen bewegen sich ständig, ein Molekül ist für einen Augenblick auf einer Seite etwas negativer, und der kurzlebige Dipol erzeugt im Nachbarn einen weiteren. Die beiden ziehen sich an.

Je größer ein Molekül, desto mehr Fläche berührt seine Nachbarn und desto stärker ist die Anziehung. Darum steigt die Siedetemperatur in der homologen Reihe. Ein verzweigtes Isomer ist kompakter, hat weniger Berührungsfläche und siedet tiefer als die gestreckte Kette.

Zur Löslichkeit: Wasser zieht seine eigenen Moleküle durch Wasserstoffbrücken stärker an als Alkanmoleküle, darum mischen sie sich nicht. Alkane sind hydrophob (wasserabweisend), flüssige Alkane schwimmen auf Wasser. Mit unpolaren Stoffen wie Fett und Wachs mischen sie sich.

Alkane verbrennen mit genug Sauerstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Reaktion ist stark exotherm, darum sind Alkane Brennstoffe: $\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$. Bei Sauerstoffmangel entstehen Ruß und giftiges Kohlenstoffmonooxid.

Sonst reagieren Alkane kaum, denn ihre Bindungen sind fest und unpolar. Mit Chlor reagiert Methan erst unter Licht. Dabei wird ein Wasserstoffatom durch ein Chloratom ersetzt: $\mathrm{CH_4 + Cl_2 \longrightarrow CH_3Cl + HCl}$. Eine Reaktion, in der ein Atom durch ein anderes ersetzt wird, heißt Substitution.

Alkene haben zwischen zwei Kohlenstoffatomen eine Doppelbindung (C=C), Alkine eine Dreifachbindung. Sie sind ungesättigt, denn sie tragen weniger Wasserstoffatome als das Alkan mit gleich vielen Kohlenstoffatomen. Die Namen enden auf -en und -in.

Die Formeln gelten für offene Ketten mit einer einzigen Mehrfachbindung. Ethen ist ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie.

Eine Mehrfachbindung ist reaktionsfreudig. Bei der Addition öffnet sich eine der Bindungen, und an die beiden Kohlenstoffatome lagern sich Atome an. Nichts wird abgespalten: $\mathrm{C_2H_4 + Br_2 \longrightarrow C_2H_4Br_2}$. Das gelbbraune Bromwasser wird dabei farblos. Das ist der Nachweis einer Mehrfachbindung: Alkane entfärben es im Dunkeln nicht.

Erdgas besteht zum größten Teil aus Methan. Erdöl ist ein Gemisch aus sehr vielen Kohlenwasserstoffen, vor allem Alkanen. Beide sind in Millionen Jahren aus abgestorbenen Meeresorganismen entstanden. Rohöl trennt man durch fraktionierte Destillation in einem hohen Turm, der Kolonne. Es wird auf etwa 350 °C erhitzt, und die Dämpfe steigen auf. Unten ist der Turm heiß, oben kühl. Moleküle mit hoher Siedetemperatur kondensieren schon unten, kurze steigen weit hinauf. So entstehen Fraktionen, Gemische mit ähnlichem Siedebereich:

Autos brauchen mehr Benzin, als im Rohöl steckt. Beim Cracken spaltet man lange Moleküle bei hoher Temperatur mit einem Katalysator in kürzere, zum Beispiel $\mathrm{C_{16}H_{34} \longrightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}}$. Dabei entsteht ein Alkan und ein Alken. Das Alken, zum Beispiel Ethen, ist ein wertvoller Rohstoff.