Die Radikalische Substitution

2.

Versuch 1: Bei der Bestrahlung durch den blauen Lichtfilter erfolgt die Entfärbung schneller als bei der Bestrahlung durch den
roten Filter.

Durch die blaue Folie erfolgt eine starke Reflexion von Blau und eine Absorption von Grün und Rot. Absorption von 500 - 560 nm = 239 - 213 kJ: grün Absorption von 605 - 750 nm = 197 - 159 kJ: rot Reflexion von 435 - 480 nm = 274 - 248 kJ: blau
Durch die rote Folie erfolgt eine starke Reflexion von Rot und eine Absorption von Grün und Blau. Absorption von 500 - 560 nm = 239 - 213 kJ: grün Absorption von 435 - 480 nm = 274 - 248 kJ: blau Reflexion von 608 - 750 nm = 197 - 159 kJ: rot

Die meisten Lichtquanten aus dem Bereich des roten Lichts mit einer Energie von 197 - 159 kJ/mol reichen nicht aus, um die Bindung im Br₂-Molekül mit einer Bindungsenergie von 193 kJ/mol zu trennen.

In der Gasphase ist ein Gas enthalten, das beim Test mit konz. Ammoniak-Lösung einen weißen Rauch bildet und einen angefeuchteten Indikatorpapierstreifen rot färbt. Es ist Bromwasserstoff HBr(g), das in Wasser gelöst als Säure reagiert und mit Ammoniak festes Ammoniumbromid bildet.

Bei Versuch 2:  verläuft die Entfärbung der Probe, der ein Jod-Kristall hinzugefügt wurde, viel langsamer als bei der Probe ohne Jod. Iod wirkt bei der Bromierung von Alkanen als Inhibitor, weil im ersten Schritt der Kettenreaktion gebildete Alkylradikale mit Iod-Molekülen reagieren. Die dabei gebildeten Jod-Radikale sind so wenig reaktiv, d.h. so stabil, dass sie die Kettenreaktion nicht fortführen können. Sie reagieren lediglich in Abbruch-Reaktionen mit anderen Radikalen.

siehe Aufgabe 1.

Ohne Licht gibt es keine Reaktion zwischen Brom und dem Alkan. Die Tabelle der Bindungsenergien zeigt, dass die im natürlichen Licht vorkommenden Energiebereiche Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen nicht trennen können. Allein die Bindungsenergien der Halogene Chlor und Brom fallen in die Energiebereich der einzelnen Farben von violett bis rot. Im Fall von Brom (Bindungsenergie 193 kJ/mol) kommen alle Farben für eine Bindungsspaltung in Betracht, aber blau eben wesentlich mehr als rot. Das bedeutet, im blauen Licht sind wesentlich mehr Lichtquanten mit der für die Bindungstrennung notwendigen Energie vorhanden als im roten Licht, deswegen der schnellere Reaktionsverlauf bei Verwendung des blauen Filters.

Die vom blauen Licht gelieferte Lichtenergie führt zu einer homolytischen Bindungsspaltung des Brom-Moleküls. Homolytisch, weil die Energie auf beide ehemaligen Bindungspartner gleich verteilt wird. Die Brom-Radikale greifen nun ihrerseits als energiereiche Teilchen die Alkan-Moleküle an, wo ihnen Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen zur Verfügung stehen. Würde die C-C-Bindung (niedrigere Bindungsenergie !) getrennt, könnte keine Folgereaktion entstehen: jedes Brom-Radikal würde mit einem Alkylradikal zu einem Alkylbromid reagieren, die Reaktion wäre zu Ende. Außerdem könnte so nicht erklärt werden, warum Methan mit Brom reagiert. Also muss eine andere Bindung gespalten werden: die C-H-Bindung. Dabei entsteht ein Brom-Wasserstoff-Molekül und ein Alkyl-Radikal, das sozusagen die Radikal-Eigenschaft weitergibt. Das Alkyl-Radikal spaltet ein weiteres Brom-Molekül und reagiert zum Alkylbromid. Dabei entsteht ein Brom-Radikal und der Kreislauf beginnt von vorne.

In den Abbruch-Reaktionen reagieren verschiedene Radikale miteinander zu Edukten und Produkten.

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siehe 4.