Erdöl, Erdgas, Biogas: Probeklausur – Chemie Klasse 11

AFB I

Wissen und Reproduzieren

12 Punkte

A1

Vom Rohöl zu den Fraktionen

AFB I 12 Punkte

Rohöl wird in der Raffinerie zunächst durch fraktionierte Destillation aufgetrennt.

M1 Fraktionen der Erdöldestillation und Siedetemperaturen einiger Alkane (1013 hPa)

Fraktion	Siedebereich	C-Atome
Gase	unter 30 °C	1–4
Benzin	30–180 °C	5–10
Kerosin	180–250 °C	10–15
Diesel, leichtes Heizöl	250–350 °C	14–20
Rückstand	über 350 °C	über 20

Siedetemperaturen: Butan −0,5 °C · Heptan 98 °C · Dodecan 216 °C · Hexadecan 287 °C · Triacontan (C₃₀H₆₂) 450 °C

a) Ordne die Alkane mithilfe von M1 den Fraktionen zu. 5 P

Butan

Heptan

Dodecan

Hexadecan

Triacontan

b) Wähle die zutreffenden Aussagen über Erdöl, Erdgas und Biogas. (mehrere Antworten richtig) 3 P

c) Der Rückstand wird bei vermindertem Druck weiter destilliert. Wähle die zutreffende Begründung. 2 P

d) Berechne die molare Masse von Hexadecan \(\ce{C16H34}\). 2 P

M(C₁₆H₃₄) = g/mol

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Erwartungshorizont: a) Butan → Gase, Heptan → Benzin, Dodecan → Kerosin, Hexadecan → Diesel/leichtes Heizöl, Triacontan → Rückstand (je 1 P; Zuordnung über den Siedebereich). b) Richtig: Entstehung aus Plankton, Erdgas überwiegend Methan, Biogas durch Vergärung. Erdöl ist ein Gemisch mit Siedebereich; Biogas ist nachwachsend; Erdöl braucht Jahrmillionen (3 P, je Fehlklick 1 P Abzug). c) Verminderter Druck senkt die Siedetemperaturen; so wird eine Zersetzung (unkontrolliertes Cracken) vermieden (2 P). d) \(M = 16\cdot 12 + 34\cdot 1 = 226\,g/mol\) (2 P).

AFB II

Zusammenhänge herstellen

26 Punkte

A2

Flüssiggas im Campingkocher

AFB II 14 Punkte

Flüssiggas für Campingkocher besteht vor allem aus Propan \(\ce{C3H8}\). Im Labor wird die Verbrennung untersucht (M2).

M2 Verbrennung von Propan — Versuchsaufbau und Beobachtungen

Nr.	Beobachtung
1	Das Kalkwasser in der Waschflasche wird trüb.
2	Im gekühlten U-Rohr sammelt sich eine farblose Flüssigkeit, die Watesmo-Papier blau färbt.
3	Bei gedrosselter Luftzufuhr leuchtet die Flamme gelb; am Trichter bildet sich ein schwarzer Belag.

a) Stelle die Reaktionsgleichung der vollständigen Verbrennung auf: \(\ce{C3H8} + x\,\ce{O2 -> }\ y\,\ce{CO2} + z\,\ce{H2O}\). Gib x, y und z an. 3 P

x =

y =

z =

b) Deute die Beobachtungen 1–3 aus M2, indem du jeder den nachgewiesenen Stoff bzw. Vorgang zuordnest. 3 P

Beobachtung 1

Beobachtung 2

Beobachtung 3

c) Eine Kartusche enthält 440 g Propan. Berechne die Stoffmenge Propan, die Masse des entstehenden Kohlenstoffdioxids und das Volumen des benötigten Sauerstoffs (20 °C, 1013 hPa, \(V_m\) = 24 L/mol). 5 P

n(C₃H₈) = mol

m(CO₂) = g

V(O₂) = L

d) Beurteile, welche Aussagen zu Beobachtung 3 fachlich zutreffen. (mehrere Antworten richtig) 3 P

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Erwartungshorizont: a) \(\ce{C3H8 + 5 O2 -> 3 CO2 + 4 H2O}\): x = 5, y = 3, z = 4 (je 1 P; C, dann H, dann O ausgleichen). b) 1 → Kohlenstoffdioxid (Kalkwasserprobe), 2 → Wasser (Watesmo), 3 → Ruß durch unvollständige Verbrennung (je 1 P). c) \(n = 440\,g : 44\,g/mol = 10\,mol\) (1 P); \(n(\ce{CO2}) = 30\,mol\), \(m = 30\,mol\cdot 44\,g/mol = 1320\,g\) (2 P); \(n(\ce{O2}) = 50\,mol\), \(V = 50\,mol\cdot 24\,L/mol = 1200\,L\) (2 P). d) Zutreffend: Sauerstoffmangel, mögliches CO, glühender Ruß (3 P, je Fehlklick 1 P Abzug). Der Sauerstoff der Produkte stammt aus der Luft; das Kalkwasser steht nicht am Trichter.

A3

Crackgas im Chromatogramm

AFB II 12 Punkte

In einer Raffinerie wird Tetradecan \(\ce{C14H30}\) gecrackt. Das gasförmige Nebenprodukt wird gaschromatografisch untersucht (M3).

a) Beim Cracken entsteht unter anderem Nonan: \(\ce{C14H30 -> C9H20 + C_{a}H_{b}}\). Bestimme a und b. 2 P

a (C-Atome) =

b (H-Atome) =

M3 Gaschromatogramm des gasförmigen Crackprodukts (unpolare Trennsäule)

Peak	1	2	3	4
Peakfläche in FE	12	54	36	18

Siedetemperaturen: Methan −162 °C · Ethen −104 °C · Propen −48 °C · But-1-en −6 °C. Auf dieser Säule erscheinen die Stoffe in der Reihenfolge steigender Siedetemperatur.

b) Ordne den Peaks 1–4 mithilfe von M3 die Stoffe zu. 4 P

Peak 1

Peak 2

Peak 3

Peak 4

c) Berechne den Anteil von Ethen am Crackgas (Peakfläche ~ Anteil). 2 P

Anteil Ethen = %

d) Wähle die zutreffenden Aussagen. (mehrere Antworten richtig) 4 P

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Erwartungshorizont: a) H-Bilanz 30 − 20 = 10, C-Bilanz 14 − 9 = 5: \(\ce{C5H10}\), ein Penten (je 1 P). b) Reihenfolge steigender Siedetemperatur: Peak 1 Methan, 2 Ethen, 3 Propen, 4 But-1-en; Ethan ist Ablenker (je 1 P). c) \(54 : (12 + 54 + 36 + 18) = 54 : 120 = 0{,}45 = 45\,\%\) (2 P). d) Richtig: Retentionszeit/Peakfläche, Trägergas als mobile Phase, Alken beim Cracken, chemisch/physikalisch (4 P, je Fehlklick 1 P Abzug). Die Peakhöhe hängt von der Menge ab, nicht von der Masse; gecrackt wird, weil zu viele langkettige Anteile vorliegen.

AFB III

Verallgemeinern und beurteilen

12 Punkte

A4

Treibstoffe im Vergleich

AFB III 12 Punkte

Ein Lieferdienst will seine Fahrzeugflotte umstellen und vergleicht Treibstoffe (M4). Ein Fahrzeug tankt bisher 40 L Diesel.

M4 Kenndaten von Treibstoffen (Richtwerte, 20 °C)

Treibstoff	Heizwert in MJ/kg	Dichte	CO₂ in g/MJ
Methan (CNG)	50	0,67 kg/m³	?
Benzin (Octan)	43	0,75 kg/L	72
Diesel (Hexadecan)	43	0,83 kg/L	72
Bioethanol	26,7	0,79 kg/L	72*
Wasserstoff	120	0,083 kg/m³	0

* Kohlenstoff stammt aus Pflanzen, die ihn kurz zuvor aus der Luft aufgenommen haben.

a) Berechne die Energie, die in 40 L Diesel gespeichert ist. 2 P

E = MJ

b) Bestätige den fehlenden Tabellenwert: Berechne die Masse CO₂ je MJ bei der Verbrennung von Methan. 2 P

CO₂ je MJ = g/MJ

c) Ermittle, wie viel Liter Bioethanol dieselbe Energie liefern wie 40 L Diesel. 2 P

V(Ethanol) = L

d) Beurteile die Treibstoffe: Wähle die fachlich haltbaren Aussagen. (mehrere Antworten richtig) 6 P

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Erwartungshorizont: a) \(m = 40\,L\cdot 0{,}83\,kg/L = 33{,}2\,kg\); \(E = 33{,}2\,kg\cdot 43\,MJ/kg \approx 1428\,MJ\) (2 P). b) \(\ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}\): 1 kg Methan = 62,5 mol → 62,5 mol CO₂ = 2750 g; \(2750\,g : 50\,MJ = 55\,g/MJ\) (2 P). c) 1 L Ethanol: \(0{,}79\,kg\cdot 26{,}7\,MJ/kg \approx 21{,}1\,MJ\); \(1428 : 21{,}1 \approx 67{,}7\,L\) (2 P). d) Haltbar: Methan ≈ 24 % weniger CO₂ je MJ (55 statt 72 g/MJ), Ethanol je MJ wie Benzin mit biogenem Kohlenstoff, Wasserstoff mit hohem Heizwert je kg, aber nur ≈ 10 MJ/m³ (6 P, je richtige Wahl 2 P, je Fehlklick 2 P Abzug). Falsch: Ethanol liefert je Liter deutlich weniger Energie als Diesel; Methan setzt CO₂ frei; Diesel setzt je Liter mehr CO₂ frei (≈ 2,6 kg statt ≈ 2,3 kg).

Punkte	Note	Beurteilung
46 – 50 P	1	sehr gut
40 – 45 P	2	gut
30 – 39 P	3	befriedigend
22 – 29 P	4	ausreichend
12 – 21 P	5	mangelhaft
0 – 11 P	6	ungenügend

Probeklausur

Wissen und Reproduzieren

Zusammenhänge herstellen

Verallgemeinern und beurteilen

Ergebnis

Notenschema