Energieträger und ihre Herkunft
Erdöl, Erdgas und Biogas liefern Kohlenwasserstoffe — entscheidend ist, woher ihr Kohlenstoff stammt und wie man das Rohöl in brauchbare Fraktionen trennt.
Erdöl
Gemisch vieler Kohlenwasserstoffe, entstanden über Jahrmillionen aus Plankton unter Luftabschluss, Druck und Wärme. Fossil und endlich.
Erdgas
Fossiles Gas, Hauptbestandteil Methan, dazu Ethan, Propan, Butan, N₂ und CO₂.
Biogas
Entsteht durch Vergärung von Gülle, Mais oder Bioabfall durch Mikroorganismen unter Luftabschluss. Nachwachsend.
Fraktionierte Destillation
Rohöl wird verdampft; im Turm wird es nach oben kühler. Jede Fraktion kondensiert auf ihrem Boden.
Gleicher Stoff, andere Herkunft
Erdgas und Biogas bestehen hauptsächlich aus Methan. Der Unterschied ist das Alter des Kohlenstoffs: Biogas setzt nur Kohlenstoff frei, den Pflanzen kurz zuvor aus der Luft gebunden haben; Erdgas bringt seit Jahrmillionen gespeicherten Kohlenstoff zusätzlich in die Atmosphäre.
Moleküle spalten und analysieren
Die Destillation liefert zu wenig Benzin und zu viel Schweröl — das Cracken gleicht das aus. Die Gaschromatografie zeigt, was in einem Gemisch steckt.
Cracken
Lange Alkane werden gespalten: Es entstehen immer ein kürzeres Alkan und ein Alken.
Thermisch oder katalytisch
Thermisch bei hoher Temperatur; mit Katalysator (Zeolith) bei niedrigerer Temperatur und gezielteren Produkten.
Gaschromatografie
Trägergas (mobile Phase) führt die Probe durch die Säule; die stationäre Phase hält die Stoffe unterschiedlich lange fest.
Chromatogramm lesen
Retentionszeit → welcher Stoff (Vergleich mit Referenz). Peakfläche → wie viel davon.
Destillation trennt, Cracken spaltet
Bei der Destillation bleiben die Moleküle unverändert — ein physikalischer Vorgang. Beim Cracken brechen C–C-Bindungen, es entstehen neue Stoffe — eine chemische Reaktion.
Verbrennung und Stöchiometrie
Mit der ausgeglichenen Reaktionsgleichung und drei Formeln lässt sich berechnen, wie viel Sauerstoff eine Verbrennung braucht, wie viel CO₂ entsteht und wie viel Energie frei wird.
Vollständige Verbrennung
Aus C wird Kohlenstoffdioxid, aus H wird Wasser; der Sauerstoff kommt aus der Luft.
Nachweise
Kalkwasser trübt sich durch CO₂; Watesmo-Papier oder weißes Kupfersulfat wird durch Wasser blau.
Unvollständige Verbrennung
Bei Sauerstoffmangel entstehen giftiges CO und Ruß; die Flamme leuchtet gelb.
CO₂ aus Treibstoff
Jedes C-Atom wird zu CO₂. Weil O₂ eingebaut wird, ist das CO₂ schwerer als der Treibstoff.
Heizwert
Energie je kg bei vollständiger Verbrennung. Für den Tank zählt die Energie je Liter.
CO₂ je MJ
Je mehr H je C-Atom, desto weniger CO₂ pro Energie. Biogene Brennstoffe setzen nur kurz gebundenen Kohlenstoff frei.
Warum das CO₂ schwerer ist als der Treibstoff
Aus 1 kg Octan entstehen rund 3,1 kg CO₂. Das widerspricht nicht der Massenerhaltung: Jedes C-Atom verbindet sich mit zwei O-Atomen aus der Luft, und deren Masse steckt mit im Produkt.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
In der Klausur kosten selten die großen Ideen Punkte, sondern diese drei Stellen.
Nur Koeffizienten ändern
Beim Ausgleichen bleiben die Formeln unangetastet. Erst C, dann H, zuletzt O ausgleichen; ergibt sich für O₂ eine halbe Zahl, die ganze Gleichung verdoppeln.
Immer über die Stoffmenge rechnen
Die Koeffizienten sind ein Teilchen- bzw. Stoffmengenverhältnis, kein Massenverhältnis. Masse in mol umrechnen, Verhältnis anwenden, zurückrechnen — und Einheiten mitschreiben (kg → g, m³ → L).
Beobachtung und Deutung trennen
„Kalkwasser wird trüb“ ist die Beobachtung, „es ist CO₂ entstanden, also enthielt der Stoff Kohlenstoff“ die Deutung. Im Chromatogramm gilt entsprechend: Retentionszeit → welcher Stoff, Peakfläche → wie viel.