Stickoxide aus dem Motor
AFB I–IIIn Verbrennungsmotoren reagiert bei hohen Temperaturen ein kleiner Teil des Luftstickstoffs mit Sauerstoff zu Stickstoffmonooxid. Im Abgas und in der Atmosphäre wird es weiter zu Stickstoffdioxid oxidiert, das zum Sommersmog beiträgt.
| Stoff | \(\ce{N2(g)}\) | \(\ce{O2(g)}\) | \(\ce{NO(g)}\) | \(\ce{NO2(g)}\) |
|---|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | 0 | 0 | +91,3 | +33,2 |
- Geben Sie die Bildungsgleichungen für \(\ce{NO(g)}\) und \(\ce{NO2(g)}\) an.
- Erläutern Sie die Bedeutung des Vorzeichens von \(\Delta_f H^\circ(\ce{NO})\).
- Zeichnen Sie ein Enthalpiediagramm mit den drei Niveaus \(\ce{1/2 N2 + O2}\), \(\ce{NO + 1/2 O2}\) und \(\ce{NO2}\).
- Bestimmen Sie mithilfe des Diagramms die Reaktionsenthalpie für \(\ce{NO(g) + 1/2 O2(g) -> NO2(g)}\).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{1/2 N2(g) + 1/2 O2(g) -> NO(g)}\), \(\Delta_f H^\circ = +91{,}3\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
\(\ce{1/2 N2(g) + O2(g) -> NO2(g)}\), \(\Delta_f H^\circ = +33{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das positive Vorzeichen zeigt: Die Bildung von NO ist endotherm, NO liegt energetisch 91,3 kJ/mol über den Elementen. Es muss Energie zugeführt werden — deshalb entsteht NO nur bei den hohen Temperaturen im Motor.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Achse „Enthalpie \(H\)“. Nullniveau: \(\ce{1/2 N2 + O2}\). Darüber bei +91,3 kJ/mol: \(\ce{NO + 1/2 O2}\). Dazwischen bei +33,2 kJ/mol: \(\ce{NO2}\). Pfeile: aufwärts von den Elementen zu NO (+91,3), abwärts von NO zu \(\ce{NO2}\), außerdem aufwärts von den Elementen zu \(\ce{NO2}\) (+33,2).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(\Delta_r H = 33{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}} - 91{,}3\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}} = -58{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Oxidation von NO zu \(\ce{NO2}\) ist exotherm.
Hydrazin als Raketentreibstoff
AFB II–IIIHydrazin (\(\ce{N2H4}\)) ist eine bei Raumtemperatur flüssige Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung. Es wird als Raketentreibstoff genutzt — mit Sauerstoff, in Satelliten aber auch allein: An einem Katalysator zerfällt es zu Stickstoff und Wasserstoff und liefert dabei Schub. Ammoniak wird dagegen als möglicher Brennstoff für Schiffsmotoren diskutiert. Wasser entsteht jeweils gasförmig.
| Stoff | \(\ce{N2H4(l)}\) | \(\ce{NH3(g)}\) | \(\ce{H2O(g)}\) |
|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | +50,6 | −46,1 | −241,8 |
| \(M\) in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 32,05 | 17,03 | 18,02 |
- Vergleichen Sie Hydrazin und Ammoniak hinsichtlich ihrer Standard-Bildungsenthalpien.
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für \(\ce{N2H4(l) + O2(g) -> N2(g) + 2 H2O(g)}\) über den Weg „Zerlegen in die Elemente, dann Bildung der Produkte“.
- Ermitteln Sie für beide Brennstoffe die Wärme je Kilogramm; für Ammoniak gilt \(\ce{NH3(g) + 3/4 O2(g) -> 1/2 N2(g) + 3/2 H2O(g)}\), \(\Delta_r H = -316{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- Nehmen Sie Stellung zur Aussage: „Hydrazin ist wegen seiner positiven Bildungsenthalpie der energiereichere Treibstoff.“ Beziehen Sie den Zerfall \(\ce{N2H4(l) -> N2(g) + 2 H2(g)}\) ein.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Hydrazin: \(\Delta_f H^\circ = +50{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) — es liegt über den Elementen, seine Bildung ist endotherm. Ammoniak: \(-46{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) — es liegt unter den Elementen. Hydrazin enthält also „zusätzliche“ Energie gegenüber den Elementen, Ammoniak nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zerlegen: \(\ce{N2H4 -> N2 + 2 H2}\), \(\Delta H_1 = -50{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Bilden: \(\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O(g)}\), \(\Delta H_2 = 2\cdot(-241{,}8) = -483{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
\(\Delta_r H = \Delta H_1 + \Delta H_2 = -534{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Hydrazin: \(n = 1000/32{,}05 = 31{,}2\,\mathrm{mol}\); \(31{,}2\cdot534{,}2\,\mathrm{kJ} \approx 16{,}7\,\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\).
Ammoniak: \(n = 1000/17{,}03 = 58{,}7\,\mathrm{mol}\); \(58{,}7\cdot316{,}6\,\mathrm{kJ} \approx 18{,}6\,\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pro Mol liefert Hydrazin deutlich mehr (534 statt 317 kJ), pro Kilogramm aber Ammoniak (18,6 statt 16,7 MJ) — Ammoniak ist leichter und enthält relativ mehr Wasserstoff. Die Aussage stimmt also nur bezogen auf die Stoffmenge.
Die positive Bildungsenthalpie hat trotzdem einen entscheidenden Vorteil: Der Zerfall in die Elemente ist exotherm, \(\Delta_r H = -50{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Hydrazin liefert daher auch ohne Sauerstoff Energie und heiße Gase — für Steuerdüsen von Satelliten ideal. Ammoniak (negatives \(\Delta_f H^\circ\)) kann das nicht. Eine differenzierte Stellungnahme berücksichtigt beide Bezugsgrößen und den Einsatzzweck.