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Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte

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Die Autor*innen
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André Otto
Kraftstoffe - Zusammensetzung und Heizwerte
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

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.
  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.
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