Erdöl, Alkane und Verbrennung
Dein Handy ist geladen, das Auto fährt, in der Wohnung ist es warm. In Deutschland stammt noch immer ein großer Teil dieser Energie aus Erdöl, Erdgas und Kohle. Woher kommen diese Stoffe, wie werden sie genutzt und was passiert dabei in der Atmosphäre? Das klärst du auf dieser Seite.
Erdöl und Erdgas: fossile Energierohstoffe
Erdöl und Erdgas sind vor vielen Millionen Jahren entstanden. Abgestorbene Meeresorganismen, vor allem Plankton, sanken auf den Meeresboden und wurden von Schlamm und Sand bedeckt. Ohne Sauerstoff, unter hohem Druck und bei hoher Temperatur wurden sie über Jahrmillionen in Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Das sind Moleküle aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, vor allem Alkane.
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan $\text{CH}_4$. Erdöl ist ein Gemisch aus sehr vielen Alkanen unterschiedlicher Kettenlänge. Man nennt Erdöl, Erdgas und Kohle fossile Energierohstoffe. Sie werden viel schneller verbraucht, als sie neu entstehen. Deshalb gelten sie als nicht erneuerbar. Dem stehen regenerative Energierohstoffe gegenüber, zum Beispiel Wind, Sonne und Biomasse. Sie stehen dauerhaft zur Verfügung oder wachsen nach.
Erdöl und Erdgas sind vor Millionen Jahren aus abgestorbenen Meeresorganismen entstanden. Eine Familie in Dortmund diskutiert, ob sie ihre Gasheizung durch eine…
Erdöl und Erdgas sind vor Millionen Jahren aus abgestorbenen Meeresorganismen entstanden. Eine Familie in Dortmund diskutiert, ob sie ihre Gasheizung durch eine Wärmepumpe ersetzen soll.
- a) Beschreibe die Entstehung von Erdöl und Erdgas und erkläre, warum man sie als nicht erneuerbar bezeichnet.
- b) Nenne je zwei Argumente für und gegen die Gasheizung.
- c) Bewerte begründet, welche Lösung du der Familie empfehlen würdest.
Fraktionierte Destillation von Erdöl
Rohöl ist ein Gemisch aus vielen Alkanen. Du kannst es nicht direkt in den Tank füllen. Man trennt es in einer Raffinerie, zum Beispiel in Gelsenkirchen, mit der fraktionierten Destillation. Das Rohöl wird auf etwa $350\,^\circ\text{C}$ erhitzt und als Dampf-Flüssigkeits-Gemisch in eine hohe Kolonne geleitet. Sie ist unten heiß und wird nach oben kühler.
Das Prinzip: Jedes Alkan hat eine eigene Siedetemperatur. Zwischen den Molekülen wirken Van-der-Waals-Kräfte. Je länger die Kohlenstoffkette ist, desto größer ist die Oberfläche der Moleküle und desto stärker sind diese Kräfte. Lange Moleküle brauchen deshalb mehr Energie, um in den Gaszustand überzugehen. Ihre Siedetemperatur ist höher.
Beim Aufsteigen kühlt der Dampf ab. Jede Stoffgruppe kondensiert dort, wo die Temperatur unter ihre Siedetemperatur fällt. Man erhält Fraktionen, also Gemische mit ähnlicher Kettenlänge und ähnlicher Siedetemperatur. Kurze Ketten (Raffineriegas, Benzin) steigen weit nach oben. Lange Ketten (Heizöl) kondensieren schon weiter unten. Der Rückstand (Bitumen) kondensiert nicht in der Kolonne, sondern fließt unten ab.
| Fraktion | Kettenlänge (ungefähr) | Siedebereich | Verwendung |
|---|---|---|---|
| Raffineriegas | 1–4 C | unter $40\,^\circ\text{C}$ | Heizgas, Flüssiggas |
| Benzin | 5–9 C | $40$ bis $180\,^\circ\text{C}$ | Kraftstoff für Autos |
| Petroleum | 10–14 C | $180$ bis $250\,^\circ\text{C}$ | Flugzeugkraftstoff |
| Heizöl, Diesel | 15–20 C | $250$ bis $350\,^\circ\text{C}$ | Heizung, Dieselmotor |
| Rückstand | über 20 C | über $350\,^\circ\text{C}$ | Bitumen für Straßen, Schmieröl |
Auch die Viskosität (Zähflüssigkeit) hängt von der Kettenlänge ab. Je länger die Moleküle sind, desto stärker haften sie aneinander und desto zähflüssiger ist der Stoff. Benzin fließt leicht, Bitumen kaum.
Erdöl wird in einer Raffinerie, zum Beispiel in Gelsenkirchen, in einer Destillationskolonne in Fraktionen getrennt. a) Nenne die Stoffeigenschaft der Alkane, nach der…
Erdöl wird in einer Raffinerie, zum Beispiel in Gelsenkirchen, in einer Destillationskolonne in Fraktionen getrennt.
- a) Nenne die Stoffeigenschaft der Alkane, nach der die Stoffgemische bei der Fraktionierung getrennt werden.
- b) Nenne drei Produkte, die aus Erdöl gewonnen werden.
In einer Raffinerie wird Rohöl erhitzt und in eine Kolonne geleitet, die unten heiß und oben kühler ist. Die Fraktionen sind: Heizöl (Siedebereich ca. $250$ bis…
In einer Raffinerie wird Rohöl erhitzt und in eine Kolonne geleitet, die unten heiß und oben kühler ist. Die Fraktionen sind: Heizöl (Siedebereich ca. $250$ bis $350\,^\circ\text{C}$), Benzin (ca. $40$ bis $180\,^\circ\text{C}$), Petroleum (ca. $180$ bis $250\,^\circ\text{C}$) und Raffineriegas (unter $40\,^\circ\text{C}$).
- a) Ordne die Fraktionen von oben nach unten in der Kolonne an.
- b) Erkläre, warum die Moleküle des Heizöls weiter unten kondensieren als die des Benzins.
- c) Erkläre, wie die Kettenlänge der Alkane mit der Viskosität und der Siedetemperatur zusammenhängt.
Verbrennung von Alkanen
Alkane sind gute Brennstoffe. Bei der vollständigen Verbrennung reagieren sie mit genügend Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Dabei wird Energie als Wärme frei, die Reaktion ist exotherm.
Wortgleichung: Alkan + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser
Für Methan, den Hauptbestandteil von Erdgas, lautet die Reaktionsgleichung:
$$\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$$Du findest die Koeffizienten durch Zählen der Atome. In der Verbrennungsgleichung eines Alkans hilft diese Reihenfolge: erst Kohlenstoff, dann Wasserstoff, zuletzt Sauerstoff.
Probiere das Ausgleichen mit dem Werkzeug aus:
Bei Sauerstoffmangel verbrennt der Brennstoff unvollständig. Es entsteht dann neben Wasser auch das giftige Gas Kohlenstoffmonooxid $\text{CO}$, bei noch weniger Sauerstoff sogar Ruß (Kohlenstoff). Für Butan gilt zum Beispiel:
$$2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 9\,\text{O}_2 \longrightarrow 8\,\text{CO} + 10\,\text{H}_2\text{O}$$Kohlenstoffmonooxid ist farb- und geruchlos. Es verdrängt in unserem Blut den Sauerstoff und kann bereits in geringen Mengen tödlich sein. Deshalb darf ein Campingkocher oder Grill niemals in einem geschlossenen Zelt oder Raum betrieben werden.
Propan ($\text{C}3\text{H}8$) wird in Deutschland als Flüssiggas zum Heizen und Kochen genutzt. a) Formuliere die Wortgleichung für die vollständige Verbrennung von…
Propan ($\text{C}_3\text{H}_8$) wird in Deutschland als Flüssiggas zum Heizen und Kochen genutzt.
- a) Formuliere die Wortgleichung für die vollständige Verbrennung von Propan.
- b) Nenne die beiden Produkte der vollständigen Verbrennung und gib ihre chemischen Formeln an.
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan ($\text{CH}4$). a) Stelle die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Methan auf. b) Überprüfe, ob auf beiden…
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan ($\text{CH}_4$).
- a) Stelle die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Methan auf.
- b) Überprüfe, ob auf beiden Seiten der Gleichung für jedes Element gleich viele Atome stehen.
Butan ($\text{C}4\text{H}{10}$) wird in Campingkochern verbrannt. a) Stelle die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Butan mit den kleinstmöglichen…
Butan ($\text{C}_4\text{H}_{10}$) wird in Campingkochern verbrannt.
- a) Stelle die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Butan mit den kleinstmöglichen ganzzahligen Koeffizienten auf.
- b) Bei unvollständiger Verbrennung sollen nur Kohlenstoffmonooxid und Wasser entstehen. Stelle auch hierfür die Reaktionsgleichung mit den kleinstmöglichen ganzzahligen Koeffizienten auf.
- c) Erkläre, warum ein Campingkocher nicht in einem geschlossenen Zelt betrieben werden darf.
Kohlenstoffdioxid und Treibhauseffekt
Bei jeder vollständigen Verbrennung eines fossilen Brennstoffs entsteht $\text{CO}_2$. Warum ist das ein Problem?
Die Sonne strahlt Licht auf die Erde. Die Erdoberfläche erwärmt sich und gibt Wärmestrahlung ab. Treibhausgase in der Atmosphäre, vor allem Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan, nehmen einen Teil dieser Wärmestrahlung auf und strahlen sie auch zur Erde zurück. Das ist der natürliche Treibhauseffekt. Ohne ihn läge die mittlere Temperatur bei etwa $-18\,^\circ\text{C}$ statt bei etwa $+15\,^\circ\text{C}$.
Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe steigt der $\text{CO}_2$-Anteil der Luft. Es wird mehr Wärmestrahlung zurückgehalten, die Erde erwärmt sich stärker. Man spricht vom verstärkten (anthropogenen) Treibhauseffekt. Folgen sind zum Beispiel steigende Meeresspiegel und häufigere Extremwetter.
Wie viel $\text{CO}_2$ entsteht, kannst du für ein Auto abschätzen. Ein Pkw verbrauche $6\,\text{l}$ Benzin auf $100\,\text{km}$ und erzeuge etwa $2{,}3\,\text{kg}$ $\text{CO}_2$ pro Liter.
Dass mehr $\text{CO}_2$ entsteht, als du Benzin getankt hast, ist kein Fehler. Die Kohlenstoffatome des Benzins verbinden sich mit Sauerstoff aus der Luft. Dessen Masse kommt zur Masse des Kohlenstoffs hinzu. Es gilt die Massenerhaltung: Masse der Edukte = Masse der Produkte, und zu den Edukten gehört auch der Sauerstoff.
Der Treibhauseffekt ist ein natürlicher Vorgang, der durch menschliche Aktivitäten verstärkt wird. a) Erkläre in eigenen Worten, wie der natürliche Treibhauseffekt…
Der Treibhauseffekt ist ein natürlicher Vorgang, der durch menschliche Aktivitäten verstärkt wird.
- a) Erkläre in eigenen Worten, wie der natürliche Treibhauseffekt entsteht, und nenne zwei Treibhausgase.
- b) Ein Pkw verbrennt auf $100\,\text{km}$ etwa $6\,\text{L}$ Benzin. Vereinfacht entstehen dabei etwa $2,3\,\text{kg}$ Kohlenstoffdioxid pro Liter. Berechne die Masse an $\text{CO}_2$, die bei einer Fahrt von Köln nach Münster ($160\,\text{km}$) entsteht.
- c) Erkläre, warum bei der Verbrennung von Benzin mehr Masse an $\text{CO}_2$ entsteht, als Benzin eingesetzt wurde.
Energiebilanzen vergleichen und bewerten
Welcher Brennstoff ist besser: Methan, Octan (Hauptbestandteil von Benzin) oder Kohle? Das hängt davon ab, was du vergleichst. Zwei Größen sind besonders nützlich: die Energie pro Gramm und das entstehende $\text{CO}_2$ pro freigesetzter Energie.
Du brauchst dafür zwei Angaben. Die Stoffmenge $n$ wird in mol angegeben. Ein Mol enthält immer gleich viele Teilchen. Die molare Masse $M$ in g/mol sagt, wie viel Gramm ein Mol wiegt. Die Koeffizienten in der Reaktionsgleichung geben das Verhältnis der Stoffmengen an: $\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \to \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ bedeutet, dass aus 1 mol Methan 1 mol $\text{CO}_2$ entsteht.
Das Ergebnis: Erdgas liefert pro Energieeinheit weniger $\text{CO}_2$ als Benzin. Kohle ist noch ungünstiger: Bei reinem Kohlenstoff ($394\,\text{kJ}$ pro mol, 1 mol $\text{CO}_2$) entstehen pro $1.000\,\text{kJ}$ etwa $2{,}54\,\text{mol}$ $\text{CO}_2$, bei Methan nur etwa $1{,}12\,\text{mol}$. Der Grund: Im Methan wird ein Teil der Energie durch die Verbrennung des Wasserstoffs zu Wasser geliefert, und dabei entsteht kein $\text{CO}_2$.
Bei einer Bewertung (zum Beispiel Gasheizung oder Wärmepumpe für ein Haus in Dortmund) argumentierst du mit mehreren Aspekten:
| Aspekt | Fossile Brennstoffe | Regenerative Quellen |
|---|---|---|
| Ökologisch | $\text{CO}_2$-Ausstoß, Treibhauseffekt | wenig oder kein $\text{CO}_2$ im Betrieb |
| Ökonomisch | günstig verfügbar, Preise schwanken | höhere Anschaffungskosten, geringe Betriebskosten |
| Ethisch/politisch | endliche Vorräte, Abhängigkeit von Importen | Chancen für künftige Generationen, Flächen- und Rohstoffbedarf |
Bei der Verbrennung von $1\,\text{mol}$ Methan werden etwa $890\,\text{kJ}$ frei, bei $1\,\text{mol}$ Octan ($\text{C}8\text{H}{18}$) etwa $5.470\,\text{kJ}$. Molare…
Bei der Verbrennung von $1\,\text{mol}$ Methan werden etwa $890\,\text{kJ}$ frei, bei $1\,\text{mol}$ Octan ($\text{C}_8\text{H}_{18}$) etwa $5.470\,\text{kJ}$. Molare Massen: $M(\text{CH}_4) = 16\,\text{g/mol}$, $M(\text{C}_8\text{H}_{18}) = 114\,\text{g/mol}$, $M(\text{CO}_2) = 44\,\text{g/mol}$.
- a) Stelle für beide Alkane die Reaktionsgleichung der vollständigen Verbrennung auf.
- b) Berechne für beide Stoffe die freigesetzte Energie pro Gramm.
- c) Berechne für beide Stoffe die Masse an $\text{CO}_2$, die pro $1.000\,\text{kJ}$ freigesetzter Energie entsteht, und vergleiche die Werte.
Ein Kohlekraftwerk im Rheinland und ein Erdgaskraftwerk liefern jeweils elektrische Energie. Kohle wird hier vereinfacht als reiner Kohlenstoff betrachtet. a) Stelle die…
Ein Kohlekraftwerk im Rheinland und ein Erdgaskraftwerk liefern jeweils elektrische Energie. Kohle wird hier vereinfacht als reiner Kohlenstoff betrachtet.
- a) Stelle die Reaktionsgleichungen für die Verbrennung von Kohlenstoff und von Methan auf.
- b) Bei der Verbrennung von $1\,\text{mol}$ Kohlenstoff werden $394\,\text{kJ}$ frei, bei $1\,\text{mol}$ Methan $890\,\text{kJ}$. Berechne für beide Brennstoffe die Stoffmenge $\text{CO}_2$ pro $1.000\,\text{kJ}$.
- c) Beurteile, welcher Brennstoff unter dem Gesichtspunkt des Klimaschutzes günstiger ist, und nenne eine Grenze deiner Betrachtung.
Auf einen Blick
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Erdöl und Erdgas sind vor Jahrmillionen aus Meeresorganismen entstanden. Sie sind fossil und nicht erneuerbar.
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Bei der fraktionierten Destillation wird Erdöl nach den Siedetemperaturen in Fraktionen getrennt. Längere Alkanketten haben stärkere Van-der-Waals-Kräfte, eine höhere Siedetemperatur und eine höhere Viskosität.
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Vollständige Verbrennung eines Alkans: Alkan + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser. Gleichungen gleichst du durch Zählen der Atome aus (erst C, dann H, dann O).
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Bei Sauerstoffmangel entstehen giftiges Kohlenstoffmonooxid und Ruß.
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$\text{CO}_2$ verstärkt den Treibhauseffekt. Es entsteht mehr Masse $\text{CO}_2$ als Brennstoff, weil Sauerstoff aus der Luft mitreagiert.
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Bei Energiebilanzen vergleichst du Energie pro Gramm und $\text{CO}_2$ pro Energie. Bei der Bewertung gehören ökologische, ökonomische und ethische Aspekte dazu.
Zurück zum Anfang: Die Energie für Heizung und Auto stammt noch oft aus Alkanen. Sie verbrennen zu $\text{CO}_2$ und Wasser, das $\text{CO}_2$ verstärkt den Treibhauseffekt, und die Vorräte sind begrenzt.