Wassergas aus Koks
AFB I–IILeitet man Wasserdampf über glühenden Koks, entsteht „Wassergas“, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff: \(\ce{C(s) + H2O(g) -> CO(g) + H2(g)}\). Die Reaktion kühlt den Koks ab; deshalb bläst man im Wechsel Luft ein, damit ein Teil des Kokses verbrennt und die Temperatur wieder steigt.
| Nr. | Gleichung | \(\Delta_r H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) |
|---|---|---|
| (1) | \(\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}\) | −393,5 |
| (2) | \(\ce{CO(g) + 1/2 O2(g) -> CO2(g)}\) | −283,0 |
| (3) | \(\ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(g)}\) | −241,8 |
| Stoff | \(\ce{CO(g)}\) | \(\ce{H2O(g)}\) |
|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | −110,5 | −241,8 |
- Nennen Sie den Satz von Hess.
- Leiten Sie aus den Gleichungen (1) bis (3) die Reaktionsenthalpie der Wassergasreaktion her.
- Bestätigen Sie Ihr Ergebnis mithilfe der Standard-Bildungsenthalpien aus M2.
- Erläutern Sie, warum im Wassergas-Generator abwechselnd Wasserdampf und Luft eingeblasen werden.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Reaktionsenthalpie einer Reaktion hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab, nicht vom Weg bzw. von möglichen Zwischenschritten. Sie ist gleich der Summe der Reaktionsenthalpien der Teilschritte.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
(1): \(\ce{C + O2 -> CO2}\), −393,5
(2) umgekehrt: \(\ce{CO2 -> CO + 1/2 O2}\), +283,0
(3) umgekehrt: \(\ce{H2O(g) -> H2 + 1/2 O2}\), +241,8
Summe (\(\ce{CO2}\) und \(\ce{O2}\) kürzen sich): \(\ce{C + H2O(g) -> CO + H2}\), \(\Delta_r H^\circ = -393{,}5 + 283{,}0 + 241{,}8 = +131{,}3\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta_r H^\circ = \Delta_f H^\circ(\ce{CO}) - \Delta_f H^\circ(\ce{H2O,g}) = -110{,}5 - (-241{,}8) = +131{,}3\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Beide Wege liefern denselben Wert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Wassergasreaktion ist endotherm (+131,3 kJ/mol): Sie entzieht dem Koks Wärme, bis er zu kalt ist und die Reaktion zum Erliegen kommt. Beim Einblasen von Luft verbrennt ein Teil des Kokses stark exotherm (−393,5 kJ/mol bzw. zu CO), der Koks glüht wieder. Die exotherme Verbrennung liefert die Energie für die endotherme Wassergasbildung.
Eisen ohne Koks
AFB II–IIIIm Hochofen wird Eisenerz mit Kohlenstoffmonooxid reduziert, das aus Koks entsteht. Neue Anlagen sollen Eisenerz stattdessen mit Wasserstoff aus Elektrolyse reduzieren („Direktreduktion“), wobei Wasser statt Kohlenstoffdioxid entsteht. Das Erz wird vereinfacht als \(\ce{Fe2O3}\) betrachtet; Wasser entweicht als Dampf.
| Stoff | \(\ce{Fe2O3(s)}\) | \(\ce{CO(g)}\) | \(\ce{CO2(g)}\) | \(\ce{H2O(g)}\) |
|---|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | −824,2 | −110,5 | −393,5 | −241,8 |
| Angabe | Wert |
|---|---|
| molare Masse Eisen | \(55{,}85\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| molare Masse \(\ce{CO2}\) | \(44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| Energiebedarf der Wasserelektrolyse (Praxis) | etwa 55 kWh je kg Wasserstoff |
| Jahresproduktion eines großen Stahlwerks | etwa 4 Mio. t Eisen |
- Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Reduktion von \(\ce{Fe2O3}\) mit Wasserstoff auf.
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpien der Reduktion mit Kohlenstoffmonooxid und mit Wasserstoff.
- Ermitteln Sie für beide Verfahren je Tonne Eisen die umgesetzte Wärme sowie beim CO-Verfahren die Masse an entstehendem \(\ce{CO2}\).
- Diskutieren Sie die Aussage: „Die Direktreduktion mit Wasserstoff ist energetisch ungünstiger und deshalb keine sinnvolle Klimaschutzmaßnahme.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{Fe2O3(s) + 3 H2(g) -> 2 Fe(s) + 3 H2O(g)}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
CO: \(\Delta_r H^\circ = 3(-393{,}5) - [-824{,}2 + 3(-110{,}5)] = -1180{,}5 + 1155{,}7 = -24{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (schwach exotherm).
\(\ce{H2}\): \(\Delta_r H^\circ = 3(-241{,}8) - (-824{,}2) = -725{,}4 + 824{,}2 = +98{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (endotherm).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{Fe}) = 10^6/55{,}85 = 1{,}79\cdot10^4\,\mathrm{mol}\), also \(8{,}95\cdot10^3\) Formelumsätze.
CO-Verfahren: \(8{,}95\cdot10^3\cdot(-24{,}8\,\mathrm{kJ}) \approx -222\,\mathrm{MJ}\) (frei). \(\ce{CO2}\): \(3\cdot8{,}95\cdot10^3\,\mathrm{mol}\cdot44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 1{,}18\,\mathrm{t}\).
\(\ce{H2}\)-Verfahren: \(8{,}95\cdot10^3\cdot98{,}8\,\mathrm{kJ} \approx +884\,\mathrm{MJ}\) (zuzuführen).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pro: Die Reduktion mit Wasserstoff ist tatsächlich endotherm; zusätzlich kostet die Herstellung des Wasserstoffs viel Energie (je t Eisen rund 54 kg \(\ce{H2}\), also etwa 3 MWh Strom). Wird dieser Strom aus fossilen Kraftwerken gewonnen, entsteht indirekt ebenfalls viel \(\ce{CO2}\).
Contra: Beim CO-Verfahren entstehen schon in diesem Schritt rund 1,2 t \(\ce{CO2}\) je t Eisen (real mehr, weil Koks auch als Brennstoff dient); beim Wasserstoffverfahren entsteht nur Wasser. Mit Strom aus erneuerbaren Quellen sinkt der \(\ce{CO2}\)-Ausstoß drastisch.
Ergebnis: Der höhere Energiebedarf ist unbestritten, entscheidend für den Klimaschutz ist aber der \(\ce{CO2}\)-Ausstoß. Die Aussage ist daher in ihrer Folgerung abzulehnen — sofern ausreichend erneuerbarer Strom verfügbar ist.