Block B – Radikalische Substitution

Lernblock · Chemie LK · Jahrgang 12 · 01.09.–ca. 22.09.2026 · 7 Doppelstunden · Klausur 1: Fr, 25.09.2026 (90 Min.)

Lernmaterialien

Leitfrage: Warum reagiert nicht jedes H-Atom eines Moleküls gleich?

In diesem Block untersuchen wir die radikalische Substitution am Beispiel der Bromierung von Heptan: von der Bindungsspaltung über den vollständigen Reaktionsmechanismus bis zur Frage, warum manche H-Atome bevorzugt ausgetauscht werden. Die Seite lässt sich direkt am Bildschirm ausfüllen und am Ende als PDF exportieren.

DS 1 – Experiment: Heptan + Bromwasser

📎 Material von der Lehrkraft: „Versuchsdurchführung_ohne_L.pdf"

Versuch: Reaktion von Heptan mit Bromwasser
Sicherheitshinweise: Schutzbrille Pflicht, gute Belüftung. Bromwasser (verdünnt) ist gesundheitsschädlich (H301/H311/H331/H315/H400 – giftig bei Verschlucken/Hautkontakt/Einatmen, hautreizend, gewässergefährdend). Heptan ist leicht entzündlich (H225/H304/H315/H336/H411) – Erlenmeyerkolben außer bei der Beobachtung verschlossen halten, kein offenes Feuer in der Nähe. Nur unter Aufsicht der Lehrkraft, Reste in den Sammelbehälter für halogenhaltige organische Lösungen, nicht in den Ausguss.

Material: Heptan, Bromwasser, Reagenzglas, Stopfen, Lichtquelle (z. B. Tageslicht/Lampe), lichtundurchlässige Abdeckung, feuchtes Universalindikatorpapier.

Aufgabe: Gebt Heptan zu Bromwasser, verschließt das Reagenzglas und beobachtet den Ansatz einmal im Hellen und einmal lichtgeschützt (Alufolie). Beobachtet die Phasenbildung (Heptan/Wasser mischen sich nicht), vergleicht hell/dunkel und prüft mit feuchtem Universalindikatorpapier über der Reagenzglasöffnung. Notiert eure Beobachtungen.

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Hilfe: Die Braunfärbung des Broms verschwindet nur, wenn tatsächlich eine Reaktion (Substitution) stattfindet – reines Mischen ohne Reaktion würde die Farbe nicht dauerhaft verändern.

Kontrollfrage zum Freischalten: Welche Art von Strahlung/Licht löst die Reaktion vor allem aus? (Abkürzung, 2 Buchstaben)

DS 2 – Homolytische vs. heterolytische Spaltung

📖 Lehrwerk Kap. 6.2.2, S. 332 · 📎 Material von der Lehrkraft: „AB_Radikalische_Substitution.pdf"

Wie kann eine Bindung brechen?
Ein Elektronenpaar-Bindung kann auf zwei Arten gespalten werden. Bei der homolytischen Spaltung erhält jedes Bindungspartner-Atom ein Elektron zurück – es entstehen zwei Radikale (Atome/Moleküle mit ungepaartem Elektron). Bei der heterolytischen Spaltung verbleiben beide Bindungselektronen bei einem Partner – es entstehen ein Kation und ein Anion (bzw. ein Ion-Paar).
SpaltungsartElektronenverteilungEntstehende Teilchen
homolytischje 1 Elektron pro Atom2 Radikale
heterolytischbeide Elektronen bei einem AtomKation + Anion

Aufgabe: Br₂ wird durch UV-Licht gespalten und es entstehen zwei Br-Atome mit je einem ungepaarten Elektron. Um welche Spaltungsart handelt es sich?

Kontrollfrage zum Freischalten: Homolytisch oder heterolytisch?

Reaktive Teilchen im Überblick

Ordnet die drei Teilchenarten ihren Merkmalen zu.

TeilchenartMerkmalBeispiel
radikalischungepaartes Elektron, sehr reaktionsfreudigBr•, Cl•
elektrophil„elektronenliebend", sucht ElektronenpaareBr⁺, H⁺
nucleophil„kernliebend", stellt Elektronenpaare zur VerfügungOH⁻, Br⁻

DS 3 – Vollständiger Mechanismus: Methan + Brom

📖 Lehrwerk Kap. 6.2.2, S. 332 · Beilstein-Probe S. 331

Der Mechanismus der radikalischen Substitution
Die radikalische Substitution von Methan durch Brom läuft über einen Radikalkettenmechanismus in drei Phasen ab:

1. Startreaktion (Initiierung): Br₂ → 2 Br• (homolytische Spaltung durch Licht/UV)
2. Kettenreaktion (Propagation): Br• + CH₄ → HBr + •CH₃, dann •CH₃ + Br₂ → CH₃Br + Br• (das neu gebildete Br•-Radikal startet den nächsten Zyklus)
3. Abbruchreaktion (Termination): zwei Radikale treffen aufeinander und bilden ein stabiles Molekül, z. B. •CH₃ + Br• → CH₃Br oder Br• + Br• → Br₂

Aufgabe: Wie viele Hauptphasen umfasst der Radikalkettenmechanismus?

Kontrollfrage zum Freischalten: Wie viele Phasen hat der Mechanismus? (Zahl)

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Arbeitsblatt: Methan + Brom – Mechanismus anwenden
Hilfe – allgemeines Muster einer homolytischen Spaltung:
X—Y  →  X• + •Y Pfeile mit ganzer Spitze zeigen die Bewegung von zwei Elektronen, Pfeile mit halber Spitze die Bewegung von einem einzelnen Elektron. Nutzt beide Pfeilarten korrekt, wenn ihr Bindungen homolytisch spaltet oder neu bildet.
Aufgabe 1 – Basis: Stellt die Startreaktion und eine vollständige Runde der Kettenreaktion der radikalischen Substitution von Methan mit Brom mithilfe von Strukturformeln dar. Kennzeichnet die Elektronenbewegung mit den passenden Pfeilen (s. Hilfe) und benennt die entstehenden Teilchen.

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Aufgabe 2 – Erweiterung: Nennt alle drei möglichen Abbruchreaktionen und stellt diese in Strukturformeln dar. Formuliert anschließend die Gesamtreaktionsgleichung für die Bildung von Brommethan aus Methan und Brom.

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Aufgabe 3 – Transfer: Neben Brommethan (CH₃Br) entstehen bei diesem Versuch in kleineren Mengen auch Dibrommethan, Tribrommethan und Tetrabrommethan. Erklärt diese Beobachtung mithilfe des Mechanismus und schlagt eine Möglichkeit vor, wie sich der Anteil von Brommethan am Produktgemisch erhöhen ließe.

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Lösung siehe Besprechung im Plenum bzw. Rückmeldung durch die Lehrkraft.

Selbstkontrolle
Ich habe …✓
… bei jeder Bindungsspaltung/-bildung den korrekten Pfeiltyp verwendet
… alle Teilchen (Radikale, Moleküle) korrekt benannt
… alle drei Abbruchmöglichkeiten gefunden
… die Mehrfachsubstitution schlüssig erklärt

DS 4 – Nachweisreaktionen

📖 Lehrwerk Kap. 6.5.7, S. 359 · 📎 Material von der Lehrkraft: „Nachweis_Halogene.pdf"

Nachweis von Halogenid-Ionen mit Silbernitrat
Sicherheitshinweis: AgNO₃-Lösung ist ätzend und färbt Haut/Kleidung – Hautkontakt vermeiden.
Alle drei wichtigen Halogene (Chlorid, Bromid, Iodid) lassen sich mit derselben Reaktion nachweisen – Silbernitrat-Lösung (AgNO₃). Bromid-Ionen (aus dem entstandenen HBr) lassen sich so nachweisen: Ag⁺(aq) + Br⁻(aq) → AgBr(s)↓ – es bildet sich ein blassgelber, lichtempfindlicher Niederschlag.

Aufgabe: Welcher Niederschlag entsteht beim Nachweis mit Silbernitrat-Lösung (Formel)?

Kontrollfrage zum Freischalten: Formel des Niederschlags (ohne Ladung/Zustand)?

Zweiter Nachweis aus dem Experiment (DS 1)

Aufgabe: Erinnert euch an euer Experiment aus DS 1: Was zeigte das feuchte Universalindikatorpapier über dem Reagenzglas an, und welches zweite Nachweisverfahren habt ihr damit – neben dem Silbernitrat-Nachweis der Halogenid-Ionen – schon angewendet?

Hilfe: Das bei der Reaktion entstehende HBr löst sich in der feuchten Luft/im Kondenswasser und bildet Oxonium-Ionen (H₃O⁺) – der Farbumschlag des Indikatorpapiers ist also ein Nachweis von Oxonium-Ionen (Säure-Nachweis), zusätzlich zum Silbernitrat-Nachweis der Bromid-Ionen.

DS 5 – Braucht die Reaktion eine bestimmte Lichtfarbe?

📎 Material von der Lehrkraft: „AB2_Licht_als_Auslöser.pdf"

Licht als Auslöser der Startreaktion
Die Bindungsspaltung von Br₂ (Startreaktion) benötigt eine Mindestenergie. Diese Energie hängt von der Wellenlänge des Lichts ab (E = h·c/λ): Je kurzwelliger (energiereicher) das Licht, desto eher reicht die Energie zur Spaltung der Br–Br-Bindung aus. Rotes Licht ist meist zu energiearm, blaues/violettes bzw. UV-Licht dagegen ausreichend.

Aufgabe: Ist rotes Licht ausreichend energiereich, um die Br–Br-Bindung zu spalten?

Kontrollfrage zum Freischalten: Reicht rotes Licht aus? (ja/nein)

DS 6 – Steuerbarkeit, Selektivität, Reaktivität

📖 Lehrwerk: induktive Effekte, S. 334 · 📎 Material von der Lehrkraft: „AB_Steuerbarkeit.pdf" + „Übung_Chlorierung_von_Propan.pdf" (Basis), „AB_Selektivität_vs_Reaktivität.pdf" (Erweiterung), „Hilfen.pdf" (induktive Effekte, für beide)

Warum reagiert nicht jedes H-Atom gleich?
Basis: Bei größeren Molekülen (z. B. Heptan) sind nicht alle H-Atome chemisch gleichwertig – je nachdem, an welchem C-Atom sie sitzen (endständig oder in der Kette), unterscheidet sich die Stabilität des bei der Substitution entstehenden Zwischenradikals. Stabilere Radikale entstehen bevorzugt, daher ist die Reaktion nicht vollständig zufällig verteilt (Selektivität). Bearbeitet dazu „AB_Steuerbarkeit.pdf" und „Übung_Chlorierung_von_Propan.pdf": Warum entstehen bei der Bromierung von Propan überwiegend 2-Brompropan-Moleküle?
Erweiterung: Die Reaktivität eines H-Atoms hängt von der Anzahl benachbarter C-Atome ab, die das entstehende Radikal stabilisieren können (Hyperkonjugation). Deshalb entstehen bei der radikalischen Substitution i. d. R. Produktgemische mit einem Hauptprodukt. Bearbeitet zusätzlich „AB_Selektivität_vs_Reaktivität.pdf": Wie hängen Reaktivität (F > Cl > Br > I) und Selektivität der Halogene zusammen?

Aufgabe: Entsteht bei der radikalischen Substitution größerer Alkane typischerweise ein einziges, sortenreines Produkt oder ein Produktgemisch? Begründe außerdem, warum bei der Bromierung von Propan überwiegend 2-Brompropan entsteht.

DS 7 – Bewertungsaufgabe & Reflexion

Bewertungsaufgabe: Sicherheit im Umgang mit Brom

Aufgabe: Begründe, warum im Experiment mit Bromwasser besondere Sicherheitsvorkehrungen (Abzug, Handschuhe, Schutzbrille) notwendig sind, und wie diese Vorsichtsmaßnahmen mit den Eigenschaften von Brom zusammenhängen.

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Reflexion: Mechanistisches Denken

Aufgabe: Reflektiere, wie sich dein Verständnis von chemischen Reaktionen durch das Kennenlernen des Radikalkettenmechanismus verändert hat. Was war neu oder überraschend an der Denkweise „Reaktion in Teilschritten mit reaktiven Zwischenprodukten"?

Kompetenzraster Block B

Schätzt vor und nach Block B ehrlich ein, wo ihr steht:

🟢 Kann ich sicher 🟡 Kann ich mit Hilfe 🔴 Muss ich noch üben
Ich kann …vorhernachher
… homolytische und heterolytische Bindungsspaltung unterscheiden.
… den vollständigen Mechanismus der radikalischen Substitution (Start, Kette, Abbruch) formulieren.
… Halogenid-Nachweise (AgNO₃) deuten.
… erklären, warum Licht die Reaktion auslöst und wovon die Wirksamkeit abhängt.
… begründen, warum radikalische Substitution meist zu Produktgemischen führt.
… Sicherheitsmaßnahmen im Umgang mit Brom begründet erklären.

Bei mehreren 🔴 in der Spalte „nachher": Sprich mit deiner Lehrkraft vor der Klausur am 25.09.2026.

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