Aufgaben: Verbrennungsreaktionen

Auf dem Gasherd bei Lea reagiert Butan mit dem Sauerstoff der Luft, während das Abendessen warm gemacht wird. Vervollständige das allgemeine Schema einer vollständigen Verbrennung mit den fehlenden Wörtern: „Bei jeder vollständigen Verbrennung reagiert ein $\dots$ mit dem $\dots$ der Luft, und es entstehen $\dots$ und $\dots$.“

Gib an, welche dieser Gleichungen eine vollständige Verbrennung darstellen, und erkläre, warum:

1. a) $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$
2. b) $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$
3. c) $C + O_2 \rightarrow CO_2$
4. d) $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Methan ($CH_4$) ist das Erdgas, das in viele Küchen gelangt. Schreibe die Reaktionsgleichung seiner vollständigen Verbrennung auf (die Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser) und gleiche sie aus.

Propan ($C_3H_8$) ist der Brennstoff vieler tragbarer Heizstrahler und Wohnwagen. Schreibe die Reaktionsgleichung seiner vollständigen Verbrennung auf und gleiche sie aus.

Nach dem Grillen deckt Jörg die Glut mit Sand ab, und das Feuer erlischt. Das Schema der Verbrennung lässt sich so darstellen:

Erkläre anhand des Verbrennungsschemas, welche „Zutat“ der Reaktion fehlt, wenn die Glut abgedeckt wird, und warum das Feuer nicht weiterbrennen kann.

Im Labor ist die Flamme des Bunsenbrenners blau, wenn die Luftzufuhr geöffnet ist, und gelb und leuchtend, wenn sie geschlossen ist, wie die Abbildung zeigt.

Eine dieser beiden Flammen verrußt die Reagenzgläser. Nenne, welche der beiden das tut, und erkläre, welche Art von Verbrennung (vollständig oder unvollständig) jeweils stattfindet.

Wenn ein Gasheizer in einem schlecht belüfteten Raum betrieben wird, wird die Verbrennung des Butans unvollständig. Nenne die beiden Stoffe, die dann anstelle von Kohlenstoffdioxid entstehen können, und erkläre, warum einer von ihnen für die Personen im Raum besonders gefährlich ist.

Ein Mitschüler hat in sein Heft die vollständige Verbrennung von Ethan ($C_2H_6$) so geschrieben: $2\ C_2H_6 + 7\ O_2 \rightarrow 4\ CO_2 + 6\ H_2O$. Zähle die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome auf beiden Seiten des Reaktionspfeils und prüfe, ob die Gleichung richtig ausgeglichen ist. Begründe deine Antwort.

Butan ($C_4H_{10}$) aus den orangefarbenen Gasflaschen verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Schreibe die Gleichung auf und gleiche sie aus; beim Sauerstoff erhältst du einen gebrochenen Koeffizienten, den du beseitigen musst, indem du die ganze Gleichung mit zwei multiplizierst.

Bioethanol-Kamine verbrennen Ethanol ($C_2H_6O$) und erzeugen dabei Kohlenstoffdioxid und Wasser. Schreibe die Gleichung der vollständigen Verbrennung auf und gleiche sie aus. Tipp: Beachte, dass das Ethanol-Molekül selbst bereits ein Sauerstoffatom enthält.

Ein schlecht belüfteter Gasheizer verbrennt Methan ($CH_4$) mit wenig Sauerstoff, und anstelle von Kohlenstoffdioxid entsteht Kohlenstoffmonooxid ($CO$) sowie Wasser. Schreibe die Gleichung dieser unvollständigen Verbrennung von Methan auf und gleiche sie aus.

Die ausgeglichene Reaktionsgleichung der Verbrennung von Propan lautet $C_3H_8 + 5\ O_2 \rightarrow 3\ CO_2 + 4\ H_2O$.

1. a) Wie viele Sauerstoffmoleküle werden benötigt, um ein Propanmolekül zu verbrennen?
2. b) Wie viel Mol Sauerstoff sind nötig, um $0,4\ \text{mol}$ Propan zu verbrennen?
3. c) Wie viel Mol Kohlenstoffdioxid entstehen dabei?

Die Grillkohle ist fast reiner Kohlenstoff, und ihre vollständige Verbrennung verläuft nach $C + O_2 \rightarrow CO_2$.

1. a) Wie viel Mol Kohlenstoffdioxid entstehen beim Verbrennen von $3\ \text{mol}$ Kohlenstoff?
2. b) Die molaren Massen von Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid betragen $12\ \text{g/mol}$ bzw. $44\ \text{g/mol}$. Berechne, wie viel Gramm $CO_2$ beim Verbrennen von $36\ \text{g}$ Kohle ausgestoßen werden.

Ein Benzinauto stößt im Durchschnitt $120\ \text{g}$ $CO_2$ pro Kilometer aus, ein Dieselauto $105\ \text{g}$ pro Kilometer.

1. a) Berechne die Emissionen beider Autos auf einer Fahrt von $250\ \text{km}$.
2. b) Das Benzinauto fährt diese Strecke mit $4$ Fahrgästen, das Dieselauto an einem anderen Tag nur mit dem Fahrer. Berechne in beiden Fällen die Emissionen pro Fahrgast und kommentiere das Ergebnis.

Der Ruß, der sich in Schornsteinen ansammelt, ist Kohlenstoff, der nicht vollständig verbrannt ist.

1. a) Schreibe die ausgeglichene Reaktionsgleichung der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff auf, bei der Kohlenstoffdioxid entsteht.
2. b) Schreibe die ausgeglichene Reaktionsgleichung seiner unvollständigen Verbrennung auf, bei der Kohlenstoffmonooxid entsteht.
3. c) Vergleiche den Sauerstoff, den jede der beiden Reaktionen pro $2$ Kohlenstoffatome verbraucht, und erkläre, warum Ruß und $CO$ auftreten, wenn die Luft knapp ist.

Wenn du rennst, „verbrennen“ deine Muskeln Glucose ($C_6H_{12}O_6$) mit dem Sauerstoff, den du einatmest, und es entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Das ist die Zellatmung, eine langsame Verbrennung in deinen Zellen. Schreibe die Reaktionsgleichung dieser Reaktion auf und gleiche sie aus.

Eine Campinggas-Flasche enthält $5,8\ \text{kg}$ Butan ($C_4H_{10}$, molare Masse $58\ \text{g/mol}$), und ihre vollständige Verbrennung verläuft nach $2\ C_4H_{10} + 13\ O_2 \rightarrow 8\ CO_2 + 10\ H_2O$.

1. a) Berechne die Stoffmenge an Butan, die die Flasche enthält.
2. b) Berechne die Stoffmenge an $CO_2$, die beim Verbrennen der gesamten Füllung ausgestoßen wird.
3. c) Berechne mit der molaren Masse von $CO_2$, $44\ \text{g/mol}$, die ausgestoßenen Kilogramm $CO_2$ und kommentiere, warum diese Emissionen Anlass zur Sorge sind, obwohl die Verbrennung vollständig ist.

Methan kann je nach verfügbarem Sauerstoff auf zwei Arten verbrennen.

1. a) Schreibe die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen seiner vollständigen Verbrennung (Produkte $CO_2$ und $H_2O$) und seiner unvollständigen Verbrennung auf, bei der Kohlenstoffmonooxid ($CO$) und Wasser entstehen.
2. b) Berechne, wie viel Mol $O_2$ jede Reaktion pro $2\ \text{mol}$ Methan verbraucht.
3. c) Erkläre anhand dieser Zahlen, warum ein Gasherd, der lange in einem kleinen, unbelüfteten Raum brennt, am Ende Kohlenstoffmonooxid erzeugen kann.

Der Katalysator eines Autos wandelt einen Teil der giftigen Gase aus dem Auspuff in weniger schädliche um, bevor sie in die Luft gelangen, wie das Schema zeigt.

Eine dieser Reaktionen ist $2\ CO + O_2 \rightarrow 2\ CO_2$.

1. a) Erkläre, was in dieser Reaktion mit dem Kohlenstoffmonooxid geschieht und warum dadurch die Luftqualität in der Stadt besser wird.
2. b) Trotzdem bleibt das $CO_2$, das aus dem Auspuff kommt, ein Problem: Erkläre, welches.
3. c) Eine weitere Reaktion im Katalysator ist $2\ NO \rightarrow N_2 + O_2$. Prüfe, dass sie ausgeglichen ist, und begründe, warum sie für die Luft, die wir atmen, vorteilhaft ist.

Um herauszufinden, welche Produkte die Flamme einer Kerze bildet, leitet man ihre Gase durch ein Rohr mit wasserfreiem Kupfersulfat, das weiß ist, und anschließend durch Kalkwasser (gelöstes Calciumhydroxid), wie die Abbildung zeigt.

Man beobachtet, dass das Kupfersulfat blau wird und das Kalkwasser sich trübt.

1. a) Welches Verbrennungsprodukt weist jede der beiden beobachteten Veränderungen nach?
2. b) Die Trübung beruht auf der Reaktion $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$, bei der ein weißer Niederschlag von Calciumcarbonat entsteht. Prüfe, dass die Gleichung ausgeglichen ist.
3. c) Was kannst du daraus über die Elemente schließen, die das Kerzenwachs enthält? Begründe deine Antwort.

Die Kohle einiger Wärmekraftwerke enthält Schwefel als Verunreinigung.

1. a) Schreibe die Reaktionsgleichung der Verbrennung von Schwefel auf und gleiche sie aus; dabei entsteht Schwefeldioxid ($SO_2$).
2. b) In der Atmosphäre reagiert $SO_2$ mit dem Wasser der Wolken und bildet schweflige Säure ($H_2SO_3$): Schreibe diese Reaktion auf und gleiche sie aus.
3. c) Stelle einen Zusammenhang zwischen diesen Tatsachen und dem Phänomen des sauren Regens her und erkläre, warum viele Kraftwerke „Entschwefelungsanlagen“ in ihren Schornsteinen einbauen.

Raketen wie die Ariane verwenden flüssigen Wasserstoff als Brennstoff, der so verbrennt: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) Warum sagt man, Wasserstoff sei im Moment der Verbrennung ein „sauberer“ Brennstoff?
2. b) Berechne, wie viel Mol Wasser beim Verbrennen von $5\ \text{mol}$ Wasserstoff entstehen.
3. c) Heute wird der größte Teil des Wasserstoffs aus Erdgas hergestellt, in einem Prozess, der $CO_2$ ausstößt („grauer“ Wasserstoff), er kann aber auch durch Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarem Strom hergestellt werden („grüner“ Wasserstoff). Erkläre, nach welchem Kriterium man den einen Wasserstoff vom anderen unterscheidet und warum nur einer von ihnen wirklich gegen den Klimawandel hilft.

Zwei sehr häufig genutzte Brennstoffe sind Kohle (fast reiner Kohlenstoff) und Erdgas (fast reines Methan).

1. a) Schreibe die ausgeglichenen Gleichungen der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff und von Methan auf.
2. b) Vergleiche, wie viel Mol $CO_2$ jeder Brennstoff pro Mol verbranntem Brennstoff ausstößt.
3. c) Es ist außerdem bekannt, dass beim Verbrennen von $1\ \text{mol}$ Methan deutlich mehr Energie frei wird als beim Verbrennen von $1\ \text{mol}$ Kohlenstoff. Begründe, warum das Ersetzen von Kohle durch Erdgas in einem Kraftwerk die $CO_2$-Emissionen pro erzeugter Kilowattstunde verringert.

Ein Bioethanol-Kamin verbrennt an einem Abend $92\ \text{g}$ Ethanol ($C_2H_6O$, molare Masse $46\ \text{g/mol}$).

1. a) Schreibe die Reaktionsgleichung seiner vollständigen Verbrennung auf und gleiche sie aus.
2. b) Berechne die Stoffmenge an verbranntem Ethanol und die Stoffmenge an verbrauchtem Sauerstoff.
3. c) Berechne mit der molaren Masse von $O_2$, $32\ \text{g/mol}$, die Masse an Sauerstoff, die im Raum verbraucht wurde, und kommentiere, warum der Hersteller empfiehlt, den Raum zu lüften.