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Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte 09:24 min

Textversion des Videos

Transkript Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte

Bei dem Besuch einer Tankstelle sieht man Zapfsäulen mit verschiedenen Aufschriften. Man liest: Normalbenzin, Superbenzin, Diesel. Warum gibt es eigentlich so viele verschiedene Kraftstoffe? Dieses Video heißt: Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte Ich heiße euch dazu ganz herzlich willkommen. Ja, warum gibt es eigentlich so viele verschiedene Kraftstoffe? Nun, die Antwort ist naheliegend: Es gibt unterschiedliche Motoren. Und diese benötigen unterschiedliche Kraftstoffe. Was ist ein Kraftstoff? Ein Kraftstoff ist ein Brennstoff, dessen chemische Energie durch Verbrennung in Motoren und Triebwerken in Antriebskraft umgewandelt wird. Welche Kraftstoffe gibt es? Es gibt sehr viele und sehr unterschiedliche Kraftstoffe. Dazu gehören Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe.

Motorenkraftstoffe Der größte Teil an Transportmitteln wird mit Kraftstoffen betrieben. Wir wollen uns auf gut bekannte Fahrzeuge beschränken: Personenfahrzeuge, Transportfahrzeuge und Nutzfahrzeuge. Motoren werden fast ausschließlich mit Gasen oder Flüssigkeiten betrieben. Das geschieht aus Bequemlichkeit und aus Kostengründen. Die wichtigsten Motorenkraftstoffe sind Benzin, Diesel und Erdgas. Heizwerte Die Haupteigenschaft der Kraftstoffe ist die Brennbarkeit. Bei dieser Verbrennung soll möglichst viel Energie freigesetzt werden. Der gemessene Wert dieser Energie heißt Heizwert eines Kraftstoffes. Man gibt ihn häufig in Kilowattstunde/je Kilogramm an. Schauen wir uns einmal die Heizwerte einiger wichtige Motorenkraftstoffe an: Benzin hat einen Wert von 11,1 bis 11,6. Für Diesel liegt der Heizwert bei 11,8 Erdgas zeigt Werte zwischen 8,9 und 12,6. Zum Vergleich: Erdöl hat einen Heizwert von 11,9. Fällt euch etwas auf? Richtig! Die Heizwerte von Benzin, Diesel, Erdgas und Erdöl sind praktisch gleich! Wir wollen uns 11 bis 12 kWh/kg merken. Ist das nun viel oder wenig? Mit einem Kilogramm dieser Kraftstoffe kann man immerhin einen Staubsauger 8 Stunden betreiben. Auch gegenüber anderen Stoffen sind diese Heizwerte hoch. Hier zum Vergleich, wieder in kWh/kg. Frisches Holz: 1,9 Hausmüll: 1 bis 3 Rohbraunkohle: 2,2 Braunkohlebriketts: 5,6 Altreifen: immerhin 8,7 Steinkohle:: sogar 7,5 bis 9 Aber alle Werte sind geringer als 11. Wir halten fest: Benzin, Diesel und Erdgas sind sehr energiereich. Erdgas, Benzin und Diesel Erdgas, Benzin und Diesel und bestehen fast ausschließlich aus Kohlenwasserstoffen. Das gasförmige Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan und weiteren kleinen Alkanmolekülen wie die von Ethan und Propan. Benzins enthält vorwiegend Kohlenwasserstoffe mit 5 bis 11 Kohlenstoff-Atomen pro Molekül. Es ist flüssig mit einem Siedebereich zwischen 25 °C und etwa 210 °C. Die Hauptbestandteile des Dieselkraftstoffes sind Kohlenwasserstoffe mit 9 bis 22 Kohlenstoff-Atomen pro Molekül. Der Siedebereich liegt zwischen 170 °C und 390 °C. Dieselmotoren verdichten das Kraftstoff/Luft-Gemisch besonders stark, daher sind höher siedende Kohlenwasserstoffe erforderlich.

Zusatzstoffe Um die Eigenschaften der Kraftstoffe zu verbessern, werden Stoffe mit bestimmten Eigenschaften hinzugesetzt: 1. Ether 2. Höhere Alkohole 3. Phenole 4. Komplexbildner 5. Amine 6. Farbstoffe Funktionen der Zusatzstoffe 1. Ether - Sie gewährleisten ruhige Zündung und Abbrennen des Kraftstoffes. 2. Höhere Alkohole - Sie verhindern die Vereisung des Kraftstoffs. 3. Phenole - Sie verhindern die vorzeitige Oxidation des Kraftstoffs an der Luft. 4. Komplexbildner - Binden freie Metall - Ionen. Die Katalyse unerwünschter Reaktionen wird vermieden. 5. Amine - Sie bewirken Korrosionsschutz, indem sie Säuren binden. 6. Farbstoffe - Durch Farbstoffe werden Kraftstoffe kenntlich gemacht.

Qualität des Benzins Die Qualität des Benzins wird durch die Octanzahl (OZ) angegeben. Sie ist ein Maß für ruhige Zündung und ruhiges Abbrennen des Kraftstoffes. Typische Werte sind:

Normalbenzin - OZ 91 Superbenzin - OZ 95 Super plus - OZ 98

Wann hatt ein Benzin eine hohe Oktanzahl? 1. Verzweigte Alkane führen zuhohen Oktanzahlen. 2. Unverzweigte Alkane führen niedrigen Oktanzahlen. 3. Aromatische Verbindungen zeigen hohe Oktanzahlen. 4. Alkene besitzen hohe Oktanzahlen. 5. Um die Oktanzahl zu erhöhen, werden verzweigte Ether hinzugefügt. Man nennt sie Antiklopfmittel.

Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüs

Euer André

Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die wichtigsten Motorenkraftstoffe.

    Tipps

    Man findet schnell eine Antwort, wenn man schaut, welche Kraftstoffe an der Tankstelle angeboten werden.

    Lösung

    Diese Stoffe gehören nicht zu den wichtigsten Motorenkraftstoffen:

    Kerosin ist ein leichtes Petroleum. Es handelt sich um einen Luftfahrtbetriebsstoff, der im Bereich von 150 °C bis 300 °C siedet.

    Ligroin ist ein Leichtbenzin. Es enthält hauptsächlich Kohlenwasserstoffe mit sechs und sieben Kohlenstoff-Atomen. Ligroin siedet im Bereich zwischen 60 °C und 100 °C.

    Naphtha gehört zu den Leichtsiedern und dient der Herstellung von Benzinkraftstoffen.

    Die Petroleumfraktion bei der Erdöldestillation siedet nach dem Benzin und vor dem Diesel im Bereich von etwa 175 °C bis 325 °C.

    Petrolether ist ein Leichtbenzin. Es enthält hauptsächlich Kohlenwasserstoffe mit fünf oder sechs Kohlenstoff-Atomen. Petrolether siedet im Bereich zwischen 30 °C und 70 °C.

    Die wichtigsten Motorenkraftstoffe sind:

    Benzin, Diesel und Erdgas.

  • Bestimme die Heizwerte der folgenden Stoffen.

    Tipps

    Generell sind die Heizwerte dort am höchsten, wo die höchsten Kohlenwasserstroff-Anteile sind.

    Wasserstoff besitzt einen höheren Brennwert als Kohlenstoff.

    Lösung

    Stoffe und ihre Heizwerte

    $\begin{array}{l|r} \textbf{Stoff} & \textbf{Heizwert}\\ \hline \text{frisches Holz} & 1,9~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Rohbraunkohle} & 2,2~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Braunkohlenbriketts} & 5,6~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Autoreifen} & 8,7~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Steinkohle} & 7,5-9~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Benzin} & 11,1-11,6~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Diesel} & 11,8~\text{kWh/kg} \\ \hline \text{Erdgas} & 8,9-12,6~\text{kWh/kg} \\ \end{array}$

    Es fällt auf, dass die fossilen Energieträger die höchsten Heizwerte aufweisen. Die Ursache dafür ist offensichtlich der verschwindend geringe Anteil anderer Elemente als Kohlenstoff oder Wasserstoff in diesen Stoffen.

    Erdgas kann einen höheren Brennwert als Erdöl, Benzin oder Diesel aufweisen. Das hängt von der Menge der nicht brennbaren Gase ab, die darin enthalten sind.

    Vergleicht man die Höchstwerte von Erdgas, Diesel und Benzin, so sinken die Heizwerte in ebendieser Reihenfolge. Es ist anzunehmen, dass der Anteil an gebundenem Wasserstoff in genau der gleichen Reihenfolge sinkt. Denn Wasserstoff hat, bezogen auf die Masse, einen höheren Brennwert als Kohlenstoff.

  • Erkenne die Funktion verschiedener Kraftstoffzusatzstoffe.

    Tipps

    Gasflaschen werden per Gesetz farbig gekennzeichnet.

    Alkohole können Wasser-Moleküle an sich binden.

    Amine zeigen basisches Verhalten.

    Lösung

    Ether, genauer tertiäre Ether, führen zu einer ruhigen Zündung und einem ruhigen Abbrennen des Kraftstoffes. Anders gesprochen: Die Klopffestigkeit wird erhöht. Es handelt sich deshalb um Antiklopfmittel.

    Höhere Alkohole binden die Wasser-Moleküle des Kraftstoffes über Wasserstoffbrücken-Bindungen. Dadurch wird der Kraftstoff vor Vereisung geschützt.

    Phenole verhindern eine vorzeitige Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Sie bewirken eine Oxidationshemmung.

    Komplexbildner führen zu einer Metall-Ionen-Bindung. Damit werden Metall-Ionen aus dem Kraftstoff entfernt. Dieser wird vor der Katalyse unerwünschter Reaktionen bewahrt.

    Amine reagieren mit Säuren. Sie führen zu einer Säure-Entfernung. Säuren können nämlich unerwünschte Reaktionen von Kohlenwasserstoffen katalysieren.

    Farbstoffe dienen der Kennzeichnung von Kraftstoffen, um Verwechslungen zu vermeiden.

  • Beurteile, ob ein Kohlenwasserstoff im Benzin oder im Diesel enthalten sein könnte.

    Tipps

    Wichtig ist, die höchste Anzahl an Kohlenstoff-Atomen zu bestimmen, die ein Molekül enthalten darf, damit die Verbindung nur im Benzin enthalten ist.

    Lösung

    Man muss eigentlich nur die Anzahl der Kohlenstoff-Atome zählen.

    Benzin: 5 bis 11

    Diesel: 9 bis 22

    Nach den Bedingungen der Aufgabe dürfen die entsprechenden Kohlenwasserstoff-Moleküle höchstens acht Kohlenstoff-Atome enthalten.

    Die zeilenweise Lösung

    Erste Zeile von links nach rechts

    • Nonan enthält 9 Kohlenstoff-Atome. Es ist nicht ausschließlich im Benzin enthalten.
    • Adamantan (10 Kohlenstoff-Atome) ist nicht ausschließlich im Benzin enthalten.
    • Benzol (6 Kohlenstoff-Atome) ist ausschließlich im Benzin enthalten.
    Zweite Zeile von links nach rechts

    • Dodecen (12 Kohlenstoff-Atome) ist nicht im Benzin enthalten.
    • Tetralin (10 Kohlenstoff-Atome) ist nicht ausschließlich im Benzin enthalten.
    • Hepte-1-en (6 Kohlenstoff-Atome) ist ausschließlich im Benzin enthalten.
  • Erkläre die Wirkungsweise einiger Kraftstoffzusatzstoffe.

    Tipps

    Nur bestimmte Ether zeigen die gewünschte Wirkung.

    Alkohole besitzen die gleiche funktionelle Gruppe, die auch im Wasser-Molekül enthalten ist.

    Lösung

    Jeder der Benzinzusatzstoffe hat eine wesentliche Funktion, so auch die für den Menschen sehr gefährlichen Phenole. Für diese leicht flüchtigen Substanzen wurde im Tankstutzen eine zusätzliche Röhre zum Absaugen der Dämpfe eingebracht.

    1. Ether
    Sie werden als Antiklopfmittel zugefügt. Um zu wirken, muss das Molekül einen tertiären Rest enthalten. Es entsteht ein tertiäres Radikal, das relativ stabil ist. Der Kraftstoff brennt dadurch ruhig ab.

    2. Höhere Alkohole
    Zwischen den Wasser-Molekülen und den Alkohol-Molekülen entstehen Wasserstoffbrücken-Bindungen. Das Wasser wird im Kraftstoff fein verteilt und eine Vereisung ist nicht mehr möglich.

    3. Phenole
    Brenzkatechin wird leicht oxidiert. Es entsteht ortho-Chinon. Ein vorzeitiges Abbrennen wird verhindert.

    4. Komplexbildner
    Gewisse Verbindungen bilden mit Schwermetall-Ionen besonders stabile Komplexe. Sie heißen Chelat-Komplexe, weil der Ligand das Metall-Ion wie eine Krebsschere (chele-griechisch) fest einschließt.

    5. Amine
    Man verwendet Amine, die hoch sieden, um einen Verbleib im Gemisch zu garantieren. Durch die freien Elektronen reagieren die Moleküle basisch. Sie binden Protonen und nehmen ihnen damit die katalytische Wirkung.

  • Interpretiere die relativen Heizwerte einiger Stoffe.

    Tipps

    Sauerstoffhaltige Verbindungen sind weniger energiereich als die Kohlenwasserstoffe.

    Wasserstoff hat einen höheren Brennwert als Kohlenstoff. Ihre Anteile in den Kohlenwasserstoffen wirken sich auf deren Brennwerte aus.

    Nicht oxidierbare Stoffe vermindern den Heizwert.

    Lösung

    Die Heizwerte von frischem Holz und Rohbraunkohle im Vergleich zu den übrigen Verbindungen sind tatsächlich so niedrig, weil die Moleküle einen hohen Gehalt an gebundenem Sauerstoff aufweisen. Sie sind gewissermaßen bereits „teiloxidiert“.

    Sicher enthält Erdgas unterschiedliche Mengen an Ethan und Propan. Das ist aber keine Erklärung für die Schwankungen des Heizwertes. Viel eher ist die Ursache dafür der mitunter beträchtliche Gehalt von Stickstoff oder Helium, die beide keinen Heizwert besitzen.

    Autoreifen weisen einen geringeren Heizwert als Benzin auf. Die Ursache dafür sind nicht die Doppelbindungen in den Molekülen. Es ist der Ruß (Kohlenstoff), der für die Vulkanisierung des Gummis verwendet wird.

    Es ist richtig, dass Steinkohle weniger Energie als Diesel liefert, da sie mehr Sauerstoffverbindungen als Diesel enthält. Der Anteil der Sauerstoffverbindungen im Diesel (nicht Biodiesel!) dürfte sehr gering sein.

    Es ist wahr, dass die Ursache für eine kleine Schwankung im Heizwert des Benzins unterhalb des Heizwertes von Diesel der Gehalt an ungesättigten Verbindungen und Aromaten ist. Die beiden letzten weisen geringere Heizwerte als die Alkane auf und sind im Diesel praktisch nicht enthalten.

    Es ist falsch, dass durch das Herauspressen flüchtiger Kohlenwasserstoffe der Heizwert der Rohbraunkohle ansteigt. Das Gegenteil müsste der Fall sein. Tatsächlich verliert die Kohle erhebliche Mengen an Wasser. Der Brennwert steigt.

    Generell ist zu sagen, dass Alkane höhere Heizwerte als Alkene oder Aromaten aufweisen. Sie enthalten mehr Wasserstoff, der mehr Wämeenergie liefert als Kohlenstoff. Sauerstoffverbindungen sind teiloxidiert. Daher sind ihre Heizwerte erheblich geringer. Die Edelgase und Stickstoff können nicht oxidiert werden und sie besitzen daher keinen Heizwert.