Übung AFB III

Musterlösung: Beim Verbrennen von Biogas entsteht zwar CO₂, sein Kohlenstoff wurde aber erst kurz zuvor von den Pflanzen aus der Luft aufgenommen; über den Kreislauf gesehen bleibt die CO₂-Menge der Atmosphäre daher etwa gleich. Anders als bei Erdgas wird kein seit Jahrmillionen gebundener Kohlenstoff freigesetzt. Vollständig klimaneutral ist Biogas trotzdem nicht: Anbau, Düngerherstellung, Ernte und Transport verbrauchen meist fossile Energie. Außerdem kann Methan aus undichten Anlagen entweichen, und Methan ist ein deutlich stärkeres Treibhausgas als CO₂. Die Aussage ist also zu pauschal — richtig wäre „Biogas ist deutlich klimafreundlicher als Erdgas, aber nicht vollständig klimaneutral“.

Musterlösung: Rohöl wird unten im Turm verdampft; nach oben hin wird es immer kühler. Die Alkanmoleküle werden nur durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, und diese sind umso stärker, je länger die Kette ist, weil die Moleküle eine größere Oberfläche und mehr Elektronen haben. Langkettige Moleküle wie im Dieselöl (etwa C₁₄–C₂₀) haben daher hohe Siedetemperaturen und kondensieren schon auf den unteren, heißen Böden. Kurzkettige Moleküle (C₁–C₄) haben sehr schwache Kräfte und so niedrige Siedetemperaturen, dass sie selbst oben im Turm nicht kondensieren und als Gas abgezogen werden.

Musterlösung: Der Rückstand enthält sehr langkettige Alkane, deren Siedetemperaturen bei Normaldruck oberhalb von etwa 350 °C liegen. Würde man ihn stärker erhitzen, brächen die langen Moleküle teilweise auseinander, bevor sie sieden — sie würden unkontrolliert zersetzt statt getrennt. Bei vermindertem Druck sinken die Siedetemperaturen aller Stoffe deutlich. Deshalb lassen sich Schmieröle und schweres Heizöl im Vakuum bei niedrigeren Temperaturen verdampfen und abtrennen, ohne dass sich die Moleküle zersetzen; übrig bleibt Bitumen.

Musterlösung: Die Kerze brennt unter einem umgedrehten Trichter; eine Pumpe saugt die Verbrennungsgase zuerst durch ein U-Rohr in Eiswasser und dann durch eine Waschflasche mit Kalkwasser. Im gekühlten U-Rohr kondensiert eine Flüssigkeit, die Watesmo-Papier von weiß nach blau färbt (oder weißes Kupfersulfat blau): Es ist Wasser entstanden, also enthält das Wachs Wasserstoff. Das Kalkwasser trübt sich, weil sich Calciumcarbonat bildet: Es ist Kohlenstoffdioxid entstanden, also enthält das Wachs Kohlenstoff. Als Kontrollversuch saugt man dieselbe Zeit Raumluft ohne Kerze hindurch — das Kalkwasser bleibt dann weitgehend klar. Den Sauerstoff in den Produkten liefert die Luft, deshalb ist über Sauerstoff im Wachs nichts gesagt.

Musterlösung: Die Tabelle zeigt, dass Rohöl zu fast der Hälfte aus schweren Fraktionen besteht, die nur zu 21 % nachgefragt werden, während bei Benzin (20 % gegenüber 33 %) und bei den Mitteldestillaten deutlich mehr gebraucht wird, als die Destillation liefert. Ohne Cracken müsste die Raffinerie entweder viel mehr Rohöl verarbeiten und große Mengen Schweröl unverkäuflich lagern oder die Nachfrage nach Benzin und Diesel unerfüllt lassen. Beim Cracken werden die langkettigen Moleküle des Überschusses in kürzere Alkane und Alkene gespalten; so wird aus dem Überschuss die gefragte Ware, und die Alkene (z. B. Ethen, Propen) sind zusätzlich Rohstoffe für Kunststoffe. Eine moderne Raffinerie kann deshalb wirtschaftlich nicht ohne Cracken auskommen.

Musterlösung: In der Gaschromatografie wird das Gemisch vom Trägergas (mobile Phase) durch die Trennsäule getragen. Die Stoffe halten sich unterschiedlich lange in der stationären Phase auf, je nachdem, wie stark ihre Wechselwirkungen mit ihr sind; bei unpolaren Alkanen läuft das auf die Reihenfolge der Siedetemperaturen hinaus. n-Butan und Isobutan haben dieselbe Summenformel \(\ce{C4H10}\) und damit dieselbe Molekülmasse, aber das verzweigte Isobutan hat eine kleinere Kontaktfläche, schwächere Van-der-Waals-Kräfte und die niedrigere Siedetemperatur. Es erscheint deshalb früher als n-Butan. Die Aussage ist also falsch: Die Masse spielt nur indirekt eine Rolle, entscheidend sind die Wechselwirkungen mit der stationären Phase.

Musterlösung: Je Kilogramm liefert Wasserstoff mit 120 MJ rund 2,4-mal so viel Energie wie Methan. Je Kubikmeter Gas dreht sich das Bild um: Methan liefert \(0{,}67\,kg\cdot 50\,MJ/kg \approx 33\,MJ\), Wasserstoff nur \(0{,}083\,kg\cdot 120\,MJ/kg \approx 10\,MJ\) — für dieselbe Energie braucht man also gut dreimal so viel Volumen, weshalb Wasserstoff stark verdichtet oder verflüssigt werden muss. Bei der Verbrennung entsteht aus Wasserstoff nur Wasser, aus Methan zusätzlich Kohlenstoffdioxid. Ob der Vorteil beim Klima tatsächlich eintritt, hängt bei beiden von der Herkunft ab: fossiles Erdgas gegenüber Biogas bzw. Wasserstoff aus Ökostrom gegenüber Wasserstoff aus Erdgas.

Musterlösung: Der erste Teil stimmt im Kern: Ein Liter E10 enthält etwa \(0{,}9\cdot 32 + 0{,}1\cdot 21 \approx 30{,}9\,MJ\), also rund 3 % weniger Energie als Benzin; der Verbrauch steigt deshalb leicht. „Etikettenschwindel“ ist das aber nicht, denn der Kohlenstoff des Bioethanols wurde kurz vorher von Pflanzen aus der Luft aufgenommen, sodass der fossile CO₂-Ausstoß sinkt. Dieser Vorteil ist allerdings kleiner, als der Ethanolanteil vermuten lässt, weil Anbau, Dünger und Verarbeitung Energie kosten und Ackerflächen mit Nahrungsmitteln konkurrieren. Mein Urteil: E10 schadet der Umwelt nicht „genauso“, sondern etwas weniger — eine echte Lösung des CO₂-Problems ist es aber nicht.

Musterlösung: Bei geschlossener Luftzufuhr steht zu wenig Sauerstoff zur Verfügung, das Methan verbrennt unvollständig. Dabei entsteht unter anderem fein verteilter Kohlenstoff (Ruß), z. B. nach \(\ce{CH4 + O2 -> C + 2 H2O}\); die glühenden Rußteilchen lassen die Flamme gelb leuchten und schlagen sich an der kalten Schale als schwarzer Belag nieder. Bei geöffneter Luftzufuhr reicht der Sauerstoff für die vollständige Verbrennung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser; die Flamme ist blau, heißer und rußfrei. Bei Sauerstoffmangel kann außerdem das giftige, geruchlose Kohlenstoffmonooxid entstehen. Daraus folgt: Gasheizungen brauchen eine gesicherte Luftzufuhr und regelmäßige Wartung, und im Aufstellraum sollte ein CO-Melder hängen.

Musterlösung: Zuerst wird reines Ethanol unter genau denselben Bedingungen (gleiche Trennsäule, Temperatur und Trägergasstrom) eingespritzt; seine Retentionszeit dient als Vergleich. Dann misst man die Benzinprobe: Tritt ein Peak mit derselben Retentionszeit auf, enthält die Probe sehr wahrscheinlich Ethanol (zur Absicherung kann man der Probe etwas Ethanol zusetzen — der Peak muss wachsen, darf sich aber nicht aufspalten). Für die Menge nutzt man, dass die Peakfläche mit dem Anteil wächst: Man misst Kalibriergemische mit bekannten Ethanolanteilen, z. B. 5 % und 10 %, trägt Peakfläche gegen Anteil auf und liest den Anteil der Probe aus dieser Geraden ab.