Erdgas und seine Zusammensetzung

Erdgas und seine Zusammensetzung Übung

• Erkläre die Bildung von Erdgas unter der Erdoberfläche.

  Tipps

  Die Bildung von Erdgas beginnt mit kleinen Teilen.

  Die notwendige chemische Reaktion wird durch Mikroorganismen unterstützt.

  Die physikalische Einwirkung setzt erst nach der chemischen Reaktion ein.

  Lösung

  Schritte bei der Bildung von Erdgas

  1. Im Meer entstehen Kleinstlebewesen und mineralische Schwebstoffe. Das Meer muss flach sein, damit die kleinen Teilchen gut auf den Meeresboden sinken und sich dort ablagern.
  2. Mikroorganismen, das sind hier Bakterien, bewirken eine Verwesung dieser Stoffe.
  3. Beim Verwesungsprozess wird Sauerstoff verbraucht.
  4. Dadurch entsteht Faulschlamm. Dieser enthält hauptsächlich Kohlenwasserstoff-Verbindungen.
  5. Sand und Ton decken den Faulschlamm ab. Das ist wichtig, damit die Kohlenwasserstoffe nicht zersetzt werden.
  6. Auf das Reaktionsgemisch wird ein hoher Druck ausgeübt. Es wirken Temperaturen von etwa 200°C. Dabei entsteht Erdgas.
  7. Durch poröses Gestein gelangt das Erdgas wegen der geringen Dichte und dem Druck in gasundurchdringliche Schichten. Dort wird es gespeichert.

• Erkenne Eigenschaften von Methan.

  Tipps

  Methan weist ähnliche Eigenschaften wie alle Alkane auf.

  Methan ist der einfachste und leichteste Kohlenwasserstoff.

  Für die Farbgebung organischer Verbindungen müssen in den Molekülen Mehrfachbindungen auftreten.

  Lösung

  Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff. Es besitzt das kleinste Molekül und ist bei Raumbedingungen ein Gas.

  Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass Methan einen spezifischen Geruch hat. Es riecht nicht unangenehm faulig. Methan ist geruchlos.

  Methan ist wie alle Alkane farblos.

  Es stimmt nicht, dass Methan hat eine höhere Dichte als Luft hat. Seine Dichte ist nur etwa halb so groß wie die Dichte der Luft. Das Gas sammelt sich nicht wie Propan oder Butan in Kellern. Es verfliegt.

  Wie alle Alkane ist Methan brennbar. Da es ein Gas ist, lässt es sich leicht entzünden und verbrennen.

  Wie viele organische Verbindungen ist Methan nicht gut wasserlöslich.

  Es ist natürlich falsch, dass Methan In Alkohol und Ether kaum löslich ist. Methan ist in beiden Flüssigkeiten gut löslich.

  Ein Ethan-Luft-Gemisch mit einem Luftanteil von 9 % ist explosiv. Es ist explosiv mit einem Luftanteil von 4-17 %.

• Nenne Alkane, die im Erdgas enthalten sind.

  Tipps

  Um zu beurteilen, ob ein Alkan Bestandteil von Erdgas ist, muss man Kenntnis über seine Flüchtigkeit besitzen.

  Die Flüchtigkeit innerhalb der homologen Reihe der Alkane ändert sich nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit.

  Lösung

  Mit zunehmender Kettenlänge innerhalb der homologen Reihe der Alkane steigen die Siedetemperaturen und damit die Flüchtigkeit der Verbindungen. Metan, Ethan, Propan und Butan sind unter Raumbedingungen Gase und auch Pentan ist mit einer Siedetemperatur von 36°C noch sehr flüchtig. Somit ist offensichtlich, dass die ersten fünf Vertreter der homologen Reihe im Erdgas enthalten sind:

  • Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan

  Hexan siedet bei 69°C. Da man unterstellen kann, dass eventuell kleine Mengen dieses Alkans im Erdgas enthalten sein könnten, wurde es von der Betrachtung ausgeschlossen. Diese Überlegung bezieht sich nur auf die unverzweigte Verbindung. Eines der verzweigten Isomere hat eine Siedetemperatur von nur 50°C, sodass ein Alkan mit sechs Kohlenstoff-Atomen durchaus im Erdgas vermutet werden kann.

  Heptan siedet bei 98°C, die folgenden Alkane entsprechend der Kettenlänge ihrer Moleküle höher. Damit sind im Erdgas nicht enthalten:

  • Heptan, Octan, Nonan, Decan, Undecan

  Das letztgenannte Alkan enthält 11 Kohlenstoff-Atome und besitzt die Summenformel $C_{11}H_{24}$.

• Beschreibe Verfahren der Erdgasreinigung.

  Tipps

  Es gibt Feststoffe, die begierig Flüssigkeiten und Gase an sich binden.

  Kohlenstoffdioxid bildet mit Wasser Kohlensäure. Es ist ein saures Gas.

  Gasgemische werden häufig physikalisch getrennt.

  Lösung

  Folgende Paare von Aussagen gehören logisch zusammen:

  • Erdgas enthält Wasser. und Die Entfernung erfolgt durch ein Molekularsieb.

  Bei Molekularsieben handelt es sich um Feststoffe mit einer sehr großen Oberfläche. Sie sind in der Lage, Stoffe auf dieser Oberfläche zu adsorbieren. Das bedeutet, sie werden fein verteilt. Besonders Wasser wird begierig aufgesaugt und so aus dem Stoffgemisch entfernt.

  • Erdgas enthält höhere Alkane. und Die Beseitigung geschieht durch Destillation.

  Die Abtrennung der Alkane durch Destillation ist nicht sehr leicht, da die Verbindungen recht flüchtig sind. Eine Möglichkeit. das Problem zu beheben, ist das Anlegen eines erhöhten Druckes.

  • Schwefelwasserstoff ist störend. und Es wird Sauerstoff bei großer Hitze zugeführt.

  Es findet dabei eine Oxidation statt:

  $2\:H_2S$ + $O_2$ $\longrightarrow$ $2\:H_2O$ + $2\:S$

  Die technische Gestaltung dieser Reaktion nennt man Claus-Verfahren.

  • Kohlenstoffdioxid ist schädlich, da es Rohrleitungen zerstört.* und Die Verunreinigung kann durch eine organische Base chemisch gebunden werden.

  Kohlenstoffdioxid bildet mit Wasser Kohlensäure. Es handelt sich somit um ein saures Gas. Daher ist es sinnvoll, es mit einer Base zu befreien.

  • Manchmal enthält Erdgas Stickstoff und Helium. und Die Abtrennung erfolgt durch Tieftemperaturtrennung in einer Hochdrucktrennapparatur.

  Da es sich um sehr niedrig siedende Gase handelt, sind niedrige Temperaturen und Druck für die Abtrennung notwendig.

  • Manchmal enthält Erdgas etwas Quecksilber. und Das Erdgas wird über ein Zeolith geleitet, das mit bestimmten Schwermetallen beschichtet ist.

  Ein Zeolith ist ein bestimmtes Molekularsieb. Damit besitzt es eine große Oberfläche. Darauf lassen sich gut niedrig siedende Schwermetalle aufbringen. Das Quecksiber bildet mit diesen Metallen Amalgame. Das sind stabile feste Lösungen. Dadurch wird das Quecksilber aus dem Erdgas entfernt.

• Nenne wichtige Bestandteile von Erdgas.

  Tipps

  Erdgas enthält leicht flüchtige, brennbare Verbindungen.

  Das im Erdgas enthaltene Edelgas entsteht beim radioaktiven Zerfall.

  Reaktive Oxide sind keine Erdgasbestandteile.

  Lösung

  Erdgasbestandteile

  • Methan: Das ist der Hauptbestandteil.
  • Kohlenwasserstoffe: Die enthaltenen Kohlenwasserstoffe sind relativ flüchtig.
  • Schwefelwasserstoff: Die sehr giftige, nach faulen Eiern riechende Verbindung findet man häufig im Erdgas.
  • Kohlenstoffdioxid: Das ist eines der Verbrennungsprodukte von Kohlenwasserstoffen.
  • Helium: Das Edelgas ist mitunter ergiebig im Erdgas enthalten. Es entsteht durch den radioaktiven $\alpha$-Zerfall.

  nicht im Erdgas enthalten

  • Steinkohle: Kohle lagert an anderer Stelle und wird dort speziell abgebaut.
  • Ethanol: Dieser Stoff entsteht durch alkoholische Gärung und ist kein Erdgasbestandteil.
  • Schwefeltrioxid: Aus diesem Oxid entsteht mit Wasser Schwefelsäure. Im Erdgas ist es nicht enthalten.
  • Phosphorpentoxid: Diese Verbindung ist stark hygroskopisch und liefert bei Kontakt mit Wasser Phosphorsäre. Im Erdgas findet man sie nicht.
  • Xenon: Dieses Edelgas findet man leider nicht im Erdgas.

• Schätze die relative Dichte von Methan ab.

  Tipps

  Die molaren Massen der Verbindungen erhält man durch Addition der molaren Massen der Elemente unter Berücksichtigung der Summenformel.

  Bei der Bestimmung relativer Werte hat man es immer mit Zahlenverhältnissen zu tun.

  Lösung

  1. Molare Massen von Methan, Stickstoff und Sauerstoff

  • Methan: 16 g/mol (12 + 4$\cdot$1)
  • Stickstoff: 28 g/mol (2$\cdot$14)
  • Sauerstoff: 32 g/mol (2$\cdot$16)

  2. Molare Masse von Luft

  Die atmosphärische Luft enthält an Volumenanteilen 79 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff. In kleinen ganzen Zahlen ergibt das folgendes Verhältnis:

  M(Stickstoff) : M(Sauerstoff) = 4:1

  Die Berücksichtigung der Anteile beider Gase liefert:

  M(Luft) = 0,8$\cdot$28 g/mol + 0,2$\cdot$32 g/mol

  Man erhält für den auf ganze Zahlen gerundeten Wert:

  M(Luft) = 29 g/mol

  3. Das Gesetz von der Zahl gleicher Teilchen

  Die Zahl der Teilchen jedes Gases in einem bestimmten Volumen ist bei konstantem Druck und Temperatur konstant. Dieser Zusammenhang heißt Gesetz von Avogadro.

  4. Berechnung der relativen Dichten

  Die relativen Dichten sind durch einfache Division der molaren Massen bestimmbar. Für Methan in Relation zu Luft erhalten wir:

  0,55