Margarine aus Rapsöl
AFB I–IIFür eine streichfeste Margarine wird Rapsöl (Iodzahl 110) an einem Nickel-Katalysator bei etwa 180 °C teilweise gehärtet, bis die Iodzahl auf 70 gesunken ist. Seit 2021 dürfen Lebensmittel in der EU höchstens 2 g industrielle trans-Fettsäuren pro 100 g Fett enthalten. Molares Volumen: \(V_m = 24{,}5\,\tfrac{\text{L}}{\text{mol}}\) (25 °C, 1013 hPa).
- Formulieren Sie die allgemeine Reaktionsgleichung für die Bildung eines Triglycerids und nennen Sie den Reaktionstyp.
- Beschreiben Sie die Reaktion bei der Fetthärtung an einer C=C-Doppelbindung.
- Berechnen Sie das Volumen an Wasserstoff, das für die Härtung von 1,00 t Rapsöl von Iodzahl 110 auf 70 verbraucht wird.
- Beurteilen Sie die teilweise Härtung im Hinblick auf die trans-Fettsäuren und den EU-Grenzwert.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{C3H5(OH)3 + 3 R-COOH <=> C3H5(OCOR)3 + 3 H2O}\); Veresterung (Kondensation), säurekatalysiert und umkehrbar.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Katalytische Hydrierung: \(\ce{R-CH=CH-R' + H2 ->[Ni] R-CH2-CH2-R'}\). H₂ und das Alken werden an der Nickeloberfläche adsorbiert, H₂ wird gespalten, die H-Atome addieren nacheinander — aus einer C=C-Bindung wird eine C–C-Einfachbindung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Δ(IZ) = 40 → 40 g I₂ pro 100 g Öl, für 1 t also 400 kg I₂: \(n = \tfrac{400\,000\,\text{g}}{253{,}81\,\text{g/mol}} = 1576\,\text{mol}\). \(V(\ce{H2}) = 1576\,\text{mol} \cdot 24{,}5\,\tfrac{\text{L}}{\text{mol}} = 38\,600\,\text{L} \approx 38{,}6\,\text{m}^3\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Bei teilweiser Härtung werden adsorbierte Zwischenstufen oft nicht vollständig hydriert, sondern lösen sich wieder ab; dabei kann sich die Doppelbindung zur stabileren trans-Form umlagern. trans-Fettsäuren erhöhen das LDL-Cholesterin und das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, daher der Grenzwert. Teilhärtung ist damit problematisch; Hersteller härten heute vollständig (keine Doppelbindungen, keine trans-Fettsäuren) und mischen das Hartfett mit flüssigem Öl oder nutzen Umesterung.
Biodiesel aus Rapsöl
AFB II–IIIRapsöl ist als Kraftstoff zu zähflüssig. Es wird deshalb mit Methanol und etwas Kaliumhydroxid als Katalysator zu Fettsäuremethylestern (Biodiesel, RME) und Glycerin umgeestert. Rapsöl hat eine mittlere molare Masse von etwa 882 g/mol.
| Kraftstoff | Viskosität bei 40 °C in mm²/s | Filtrierbarkeitsgrenze (Winter) in °C |
|---|---|---|
| Rapsöl | ≈ 35 | ≈ 0 |
| Rapsölmethylester (RME) | ≈ 4,5 | ≈ −10 |
| Methylester aus Rindertalg | ≈ 5 | ≈ +10 |
| Dieselkraftstoff | 2–4,5 | −20 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Umesterung mit allgemeinen Resten.
- Berechnen Sie die Masse Methanol, die für 1,00 t Rapsöl mindestens nötig ist, und die Masse an entstehendem Glycerin.
- Erklären Sie den großen Unterschied der Viskosität zwischen Rapsöl und RME auf Teilchenebene.
- Beurteilen Sie, ob Methylester aus Rindertalg als Winter-Biodiesel geeignet sind, und begründen Sie mit dem Aufbau der Fettsäuren.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{C3H5(OCOR)3 + 3 CH3OH ->[KOH] C3H5(OH)3 + 3 R-COOCH3}\). Aus einem Triglycerid entstehen drei Fettsäuremethylester und Glycerin.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n(\text{Öl}) = \tfrac{1{,}00 \cdot 10^6\,\text{g}}{882\,\text{g/mol}} = 1134\,\text{mol}\); \(m(\ce{CH3OH}) = 3 \cdot 1134\,\text{mol} \cdot 32{,}04\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 109\,\text{kg}\); \(m(\text{Glycerin}) = 1134\,\text{mol} \cdot 92{,}09\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 104\,\text{kg}\). (In der Praxis wird Methanol im Überschuss eingesetzt, um das Gleichgewicht zu verschieben.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ein Triglycerid-Molekül (≈ 880 g/mol) hat drei lange Ketten und damit eine große Oberfläche für London-Kräfte; die sperrigen Moleküle verhaken sich. Ein Methylester ist nur etwa ein Drittel so groß (≈ 296 g/mol), die Anziehungskräfte pro Molekül sind kleiner, die Moleküle gleiten leichter aneinander vorbei: niedrigere Viskosität.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ungeeignet: Die Filtrierbarkeitsgrenze liegt bei etwa +10 °C, im Winter kristallisiert der Kraftstoff und verstopft Filter. Grund: Talg enthält überwiegend gesättigte, gestreckte Ketten, die sich dicht packen und starke London-Kräfte ausbilden. Rapsöl enthält vor allem cis-ungesättigte Fettsäuren, deren Knicke die Packung stören — RME bleibt bis etwa −10 °C filtrierbar. Talg-Ester taugen allenfalls als Sommer-Beimischung.