Essener Chemiker klären ungewöhnliche Eigenschaften von Propan auf

Das Phänomen ist seit mehr als hundert Jahren bekannt, doch aufklären konnten es Essener Chemiker erst jetzt. Das Gas Propan – vor allem Campern als Flüssigkeit in Druckbehältern wohlbekannt – hat eine ungewöhnliche Eigenschaft: Sein Schmelzpunkt fällt völlig aus der Reihe.

10. August 2000

Propan gehört zur Familie der Alkane, an deren Anfang das Erdgas 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, folgt mit vier Kohlenstoffatomen. Die Siedepunkte nehmen mit der Anzahl der Kohlenstoffatome stetig zu. 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.

Die Arbeitsgruppe für Strukturchemie an der Universität Essen unter der Leitung von Professor Dr. Roland Boese ist spezialisiert darauf, die Strukturen von niedrig schmelzenden Verbindungen aufzuklären, und hat hierfür entsprechende Apparaturen entwickelt: Um das Propan zu untersuchen, wird es bei unter – 200°C verfestigt. Anschließend wird aus der festen Masse ein Kristall gezüchtet, indem man mit einem Infrarot- Laser auf die winzigen Kapillare zielt, in denen sich das verfestigte Propan befindet. An der getroffenen Stelle entsteht eine Heizzone, in der das verfestigte Propan zu schmelzen beginnt. Hier kann jetzt ein klarer Kristall nachwachsen, der für die Untersuchungen geeignet ist.

Um etwas über dessen Struktur und damit die Eigenschaften von Propan herauszufinden, werden nun Röntgen-Strahlen auf diesen Kristall gerichtet. Die Strahlen werden in charakteristischer Weise von dessen Atomen abgelenkt, und es entsteht ein komplexes Strahlenmuster. Nach aufwändigen 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, dass sich die einzelnen Moleküle sich nicht so fest aneinander schmiegen können, wie bei den übrigen Alkanen. Der Grund dafür, dass Propan bereits bei niedrigeren Temperaturen als erwartet flüssig wird, war damit gefunden.

Blieb nur noch die Frage zu klären, weshalb Propan solch zahlreiche große Lücken mit Vakuum zwischen den Molekülen aufweist, weshalb sie sich nicht näher aneinander schmiegen. 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 aneinander schichten als Fünfecke, bei denen die Ecken immer wieder auf Flächen stoßen, was die Verbindung viel instabiler macht. Die feste Struktur des Propans löst sich folglich leichter auf, der Schmelzpunkt liegt niedriger als bei den kompakter schichtbaren Alkanen.

Derlei Untersuchungen der Strukturchemiker der Universität Essen lassen sich auch auf Gebiete ausweiten, die in Zukunft von hoher praktischer Relevanz in der Gesellschaft sind: So forscht die Arbeitsgruppe beispielsweise fieberhaft zum Thema "brennendes Eis“, das aus Wasser und Methan besteht und in riesigen Mengen unter dem Meeresboden in großen Tiefen und hohen Drücken existiert. Ebenso unklar ist auch noch die Struktur des farblosen Festkörpers, den Propan unter Druck bildet. Beide sogenannte Gashydrate werden als mögliche Energiequellen des neuen Jahrtausends angesehen, vorausgesetzt, dass noch auf fossile Energieträger zurückgegriffen werden muss.

Redaktion: Maren Beuscher, Telefon (02 01) 1 83-20 87
Weitere Informationen: Professor Dr. Roland Boese, Institut für Anorganische Chemie, Telefon (0201) 183-2416