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Textaufgaben: Bindungen spalten und bilden

Zwei Sachaufgaben vom Gasgrill bis zu den Abgasen im Motor.

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Der Gasgrill

AFB I–II

Gasgrills werden mit Propan \(\mathrm{C_3H_8}\) betrieben: \(\mathrm{C_3H_8+5\,O_2\longrightarrow 3\,CO_2+4\,H_2O}\). Mittlere Bindungsenergien in kJ/mol: C–H 413, C–C 348, O=O 498, C=O 799, O–H 463. Zum Vergleich: Für Methan gilt \(\Delta E\approx-802\ \mathrm{kJ}\) pro Mol.

  1. Zeichne die Lewis-Formel von Propan.
  2. Berechne die Reaktionsenergie für die Verbrennung von 1 mol Propan.
  3. Vergleiche Propan und Methan hinsichtlich der Energie, die pro Mol entstehendem \(\mathrm{CO_2}\) frei wird.
  4. Interpretiere das Ergebnis aus c) im Hinblick auf den Klimaschutz.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Drei Kohlenstoff-Atome in einer Kette; jedes C bildet vier Bindungen.Zeichnen: hinreichend exakt, alle Bindungen sichtbar.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zähle: C–H- und C–C-Bindungen im Propan, O=O in 5 O₂, C=O in 3 CO₂, O–H in 4 H₂O.
Hinweis zu Aufgabe c)
Teile jeweils \(\Delta E\) durch die Zahl der entstehenden \(\mathrm{CO_2}\)-Moleküle.
Hinweis zu Aufgabe d)
CO₂ ist ein Treibhausgas. Was bedeutet „mehr Energie pro CO₂“?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\mathrm{H_3C{-}CH_2{-}CH_3}\) ausgeschrieben: drei C-Atome in einer Kette, zwei C–C-Bindungen, acht C–H-Bindungen; jedes C-Atom mit vier Bindungsstrichen, jedes H-Atom mit einem.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Spalten: \(8\cdot 413+2\cdot 348+5\cdot 498=3304+696+2490=6490\ \mathrm{kJ}\)

Bilden: \(6\cdot 799+8\cdot 463=4794+3704=8498\ \mathrm{kJ}\)

\(\Delta E=6490-8498=-2008\ \mathrm{kJ}\) pro Mol Propan (exotherm).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Propan: \(2008:3\approx 669\ \mathrm{kJ}\) pro Mol \(\mathrm{CO_2}\). Methan: \(802:1=802\ \mathrm{kJ}\) pro Mol \(\mathrm{CO_2}\).

Pro Mol Brennstoff liefert Propan deutlich mehr Energie, pro Mol \(\mathrm{CO_2}\) aber rund 17 % weniger als Methan.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Für dieselbe Menge Wärme entsteht beim Methan weniger \(\mathrm{CO_2}\) als beim Propan. Grund: Methan enthält im Verhältnis mehr Wasserstoff; ein Teil der Energie stammt aus der Bildung von Wasser statt von \(\mathrm{CO_2}\).

Bezogen auf das Treibhausgas ist Methan (Erdgas) also der etwas „sauberere“ Brennstoff — beide bleiben fossil und setzen \(\mathrm{CO_2}\) frei.

2

Stickoxide im Automotor

AFB II–III

Luft besteht vor allem aus Stickstoff und Sauerstoff. Bei gewöhnlichen Temperaturen reagieren sie nicht miteinander. In heißen Motoren und in Blitzen entsteht aber Stickstoffmonoxid, ein Luftschadstoff: \(\mathrm{N_2+O_2\longrightarrow 2\,NO}\). Bindungsenergien in kJ/mol: \(\mathrm{N\equiv N}\) 945, O=O 498, N=O (im NO) 631.

  1. Gib an, welche Bindungen gespalten und welche gebildet werden.
  2. Bestimme die Reaktionsenergie und ordne die Reaktion als exotherm oder endotherm ein.
  3. Erkläre, warum Stickstoffmonoxid nur bei sehr hohen Temperaturen entsteht.
  4. Jemand behauptet: „Weil die Bildung von NO Energie verbraucht, kühlt sie den Motor und ist deshalb sogar nützlich.“ Beurteile diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Ein \(\mathrm{N_2}\) und ein \(\mathrm{O_2}\) werden gespalten; es entstehen zwei NO.Angeben: ohne Erläuterung nennen.
Hinweis zu Aufgabe b)
\(\Delta E=E_{\text{Spalten}}-E_{\text{Bilden}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Bindung ist besonders stark? Was liefert die nötige Energie?
Hinweis zu Aufgabe d)
Wie groß ist der Energiebetrag im Vergleich zur Verbrennung des Treibstoffs? Was ist mit der Schadstoffwirkung?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Gespalten: eine \(\mathrm{N\equiv N}\)-Dreifachbindung und eine O=O-Doppelbindung. Gebildet: zwei N=O-Bindungen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Spalten: \(945+498=1443\ \mathrm{kJ}\); Bilden: \(2\cdot 631=1262\ \mathrm{kJ}\).

\(\Delta E=1443-1262=+181\ \mathrm{kJ}\) — die Reaktion ist endotherm.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Dreifachbindung im \(\mathrm{N_2}\) ist sehr stark (945 kJ/mol), deshalb ist die Aktivierungsenergie hoch, und die Reaktion benötigt insgesamt Energie. Nur bei sehr hohen Temperaturen (im Brennraum über 2000 °C, im Blitz) haben genügend Teilchen so viel Energie, dass Bindungen gespalten werden und NO entsteht.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist nicht haltbar. Zwar wird bei der NO-Bildung Energie aufgenommen, doch es bildet sich nur sehr wenig NO — der Kühleffekt ist gegenüber der Verbrennungswärme des Treibstoffs vernachlässigbar.

Vor allem ist NO ein giftiger Luftschadstoff, der zu \(\mathrm{NO_2}\) weiterreagiert und zu Smog und saurem Regen beiträgt. Deshalb werden Stickoxide im Katalysator wieder abgebaut. Der „Nutzen“ steht in keinem Verhältnis zum Schaden.