Linde-Verfahren
Erfahre, wie das Linde-Verfahren im 19. Jahrhundert von Carl von Linde entwickelt wurde, um Luft zu verflüssigen und zu zerlegen. Durch die Beschreibung des Verfahrens und seiner physikalischen Grundlagen begibst du dich auf eine spannende Reise in die Welt fortschrittlicher Technik. Interessiert? Das und mehr im folgenden Text!
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Kohlenstoff – Einführung

Kohlenstoff

Kohlenstoff – Modifikationen

Grafit und Diamant

Graphen und Fullerene

Kohlenstoff und seine Oxide

Schwefel

Schwefel und seine Oxide

Schwarzpulver

Wasser, Schwefelwasserstoff und die Wasserstoffbrückenbindung

Stickstoff

Linde-Verfahren

Stickstoffkreislauf – Dünger und Verwertung

Phosphor

Der Treibhauseffekt

Treibhausgase – Entstehung und Wirkung

Stickstoff – Vorkommen
Linde-Verfahren Übung
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Gib an, woraus Luft besteht.
TippsDie Hauptkomponenten der Luft werden durch das Linde-Verfahren isoliert.
Ein Feuer brennt zwar bei Luft, jedoch eher gemächlich. Welche Gase haben Einfluss auf die Geschwindigkeit einer Verbrennung?
LösungDie Hauptbestandteile der Luft sind Stickstoff (ca. 78%), Sauerstoff (ca. 21%) und in sehr geringem Anteil Argon (ca. 1%). Das für uns Menschen lebensnotwendige Gas Sauerstoff ist also nur zu ungefähr einem Fünftel in der Luft enthalten. Wäre der Anteil höher, würde aber auch beim kleinsten Funken sofort all jenes, was brennbar ist, in Flammen stehen.
Neben diesen Hauptbestandteilen besteht die Luft auch noch aus Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, nitrosen Gasen, Methan und anderen Edelgasen. Alle diese Gase sind jedoch nur in Spuren ($<$1%) in der Luft enthalten. Jedoch steigt ihr Anteil durch den destruktiven Einfluss des Menschen auf die Natur immer mehr an. -
Erkläre den Joule-Thomson-Effekt.
TippsWas geschieht mit der Temperatur, wenn man ein Gas verdichtet?
Der beschriebene Effekt tritt beim Einsatz eines CO$_2$-Feuerlöschers auf.
LösungDer Joule-Thomson-Effekt beschreibt die Temperaturerniedrigung eines realen Gases bei seiner Entspannung. Wird ein verdichtetes (komprimiertes) Gas entspannt, indem es in einen größeren Raum geleitet wird, so kühlt es ab.
Dieser Effekt ist bei idealen Gasen wie den Edelgasen nicht der Fall, da dieser Effekt unter anderem durch die Wechselwirkungen zwischen den Gasmolekülen bestimmt wird. Dennoch kann auch das Edelgas Argon auf diesem Wege aus der Luft gewonnen werden. Grund hierfür ist die extrem niedrige Temperatur der verflüssigten realen Gase, dessen Kühlkraft zur Verflüssigung des Argons verhilft. -
Erkläre die Vorgehensweise beim Linde-Verfahren.
TippsBei Normalbedingungen herrscht eine Temperatur von 20°C und ein Druck von 1 bar.
LösungDie Verflüssigung der Luft über das Linde-Verfahren beruht auf dem zuvor behandelten Joule-Thomson-Effekt (JTE). Im ersten Schritt wird die gasförmige Luft von 1 bar (Normalbedingungen) auf einen Druck von 200 bar komprimiert. Hierbei nimmt die Temperatur ebenfalls von 20°C auf ca. 65°C zu. Dieser Temperaturerhöhung wird durch eine anschließende Kühlung auf 20°C entgegengewirkt. Letztlich folgt noch die Expansion bzw. Entspannung der komprimierten Luft, wobei der JTE gilt. Die Luft kühlt sich während der Expansion so sehr ab, dass sie flüssig wird. Der kalte, nicht verflüssigte Teil der Luft wird im Wärmetauscher zur Kühlung der expandierenden Luft verwendet und anschließend zurück in den Kompressor geleitet.
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Erkläre das Prinzip der fraktionierten Destillation.
TippsWas macht Wasserdampf an einer Fensterscheibe?
LösungDie fraktionierte Destillation ist eine oft angewandte Methode, um Gemische von Flüssigkeiten aufzutrennen. Die Destillation ist umso einfacher, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Siedepunkten der einzelnen Komponenten ist. Ansonsten ist Feingefühl nötig, um eine saubere Trennung zu erreichen. Im Prinzip wird bei dieser Methode nur die Änderung von Aggregatzuständen (flüssig-gasförmig) mehrmals ausgenutzt. Auf jedem Boden der Kolonne findet eine Art Gleichgewicht zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase statt, vergleichbar mit Wasserdampf, welcher an einem Fenster kondensiert.
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Ordne die Siedetemperaturen der Gase richtig an.
TippsDas Gas, welches bei der Rektifikation ganz unten in der Kolonne zu finden ist, verdampft als Letztes.
LösungDie Abfolge der Siedetemperaturen der Bestandteile der Luft ist bei der Rektifikation von Bedeutung. Ganz unten in der Kolonne findet man Sauerstoff vor, welches mit einem Siedepunkt von -183°C die am höchsten siedende Komponente darstellt. Es folgt das Edelgas Argon mit einem Siedepunkt von -186°C und letztlich Stickstoff bei einer Temperatur von -196°C. Das in minimalen Spuren enthaltene Gas Wasserstoff besitzt einen deutlich geringeren Siedepunkt von -252°C.
Besonders zwischen Sauerstoff und Argon wird es deutlich, dass die Trennung Feingefühl bedarf, da sich die Siedepunkte nur um 3°C unterscheiden. -
Bewerte die Aussagen zum Azeotrop.
TippsDie Gasphase eines Azeotrops besteht aus den beiden Komponenten der flüssigen Phase.
LösungEin azeotropes Gemisch (z.B. Wasser und Hexanol) kann destillativ nicht getrennt werden. Das Gemisch siedet bei der gleichen Temperatur, das bedeutet, dass die Gasphase die gleiche Zusammensetzung wie die flüssige Phase besitzt. Kondensiert dieses azeotrope Gemisch, so trennen sich die beiden Phasen voneinander. Diese Tatsache kann z.B. in sogenannten Wasserabscheidern verwendet werden, um entstehendes Wasser aus einer Reaktion zu entfernen.
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