Verbrennung von Alkanen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um die Reaktionen der Alkane.Hier widmen wir uns der Oxidation. Der Film ist wie folgt gegliedert: 1. Verbrennung, 2. Ottomotor und Radikale, 3. Antioxidanzien, 4. Fossile Brennstoffe und Treibhauseffekt, 5. Zusammenfassung 1. Verbrennung: Bei Raumtemperatur können Alkane mit Sauerstoff durchaus koexistieren. Kommt es zu einer Aktivierung wie durch einen Zündfunken, setzt die chemische Reaktion ein. Es bilden sich Kohlestoffdioxid und Wasser. Dieser  Prozess wird gemein hin als Verbrennung bezeichnet. Die Reaktionsenthalpie ist negativ, viel kleiner als Null. Das bedeutet, dass eine große Wärmemenge entsteht. Die Verbrennung läuft radikalisch ab. Die Wärme kann direkt für die Heizung verwendet werden, sie kann aber auch in andere Energieformen umgeformt werden, wie zum Beispiel in mechanische Energie und weiter in Elektroenergie. Methan reagiert zum Beispiel so, dass 1 Molekül des Gases mit 2 Molekülen Sauerstoff zu 1 Molekül Kohlenstoffdioxid und zu 2 Molekülen Wasser reagieren. Die Verbrennungsenthalpie beträgt dabei minus 891 kJ/mol. Die Verbrennung von n-Hexan gestaltet sich derart, dass 2 Moleküle n-Hexan mit 19 Molekülen Sauerstoff zu 12 Molekülen Kohlenstoffdioxid und 14 Molekülen Wasser reagieren. Die Verbrennungsenthalpie beträgt minus 4166 kJ/mol. Die kleine 0 am H jeweils bedeutet, dass sich die Werte auf Standardbedingungen beziehen. Man kann zeigen, dass die allgemeine Formel lautet: 2CnH2n+2 + (3n+1)O2 reagiert zu 2nCo2 + (2n+2)H2O + Wärme.   2. Ottomotor und Radikale: Es geht hier um den Verbrennungsmotor, den Benziner. Im Verbrennungsmotor möchte man ein möglichst gleichmäßiges Verbrennen des Kraftstoffes erreichen. Man spricht dann von einem geringeren Klopfen. Klopffestes Benzin wird durch die sogenannte Oktanzahl gekennzeichnet, die in diesem Fall hoch ist. Sie nimmt Werte von etwa 100 ein. Für zwei Alkane wurden Oktanzahlen willkürlich festgelegt und zwar für 2,2,4-Trimethylpenthan, man bezeichnet es auch als Isooktan. Isooktan hat die Oktanzahl 100. Das zweite Vergleichsalkan ist n-Heptan und hat die Oktanzahl 0. Eine Oktanzahl von 100 bedeutet, dass Isooktan wenig klopft, eine Oktanzahl von 0 bedeutet, dass n-Heptan stark klopft. Worauf gründet sich dieser Unterschied? Schauen wir uns ein mal die Moleküle an. Isooktan ist stark verzweigt, während n-Heptan unverzweigt ist. Da die Verbrennung radikalisch abläuft, können wir schlussfolgern, das Verbindungen, die verzweigte Radikale bilden, ruhiger abbrennen, als Solche, die unverzweigte Radikale bilden. Wir können somit fesstellen : Verzweigte Alkane sind im Gegensatz zu unverzweigten Alkanen klopffest. Somit ist klar, dass Isooktan eine hohe Oktanzahl hat, von 100. Im Bereich von 100 und darüber befinden sich alle Alkane, die eine hohe Oktanzahl, das heißt hohe Klopffestigkeit besitzen. N-Heptan hingegen ist wenig klopffest, es besitzt eine Oktanzahl von 0. Welche Möglichkeit besteht nun die Oktanzahl eines niedrigoktanigen Benzins zu erhöhen? Man kann dies bewerkstelligen, indem man dem Alkangemisch eine Verbindung hinzufügt, die unter relativ milden Bedingungen Radikale liefert. Eine solche Verbindung ist Tertiär-Butylmethylether. Die gebildeten Radikale führen dazu, dass das Benzingemisch ruhiger abbrennt. Die Oktanzahl steigt. Verbindungen, die das bewerkstelligen, wie Tertiär-Butylmethylether bezeichnet man als Klopfschutzmittel.   3. Antioxidantien       Bestimmte Alkanderivate wie Fette sind zur Autooxidation geneigt. Aus einem Alkanrest bildet sich mit Sauerstoff, dass ein Biradikal darstellt, ein R-Radikal und ein OOH-Radikal. Beide Radikale lassen zusammen ein Alkylhydroperoxid entstehen. Anschließend kommt es zu einer Spaltung zwischen beiden Sauerstoffatomen und es bilden sich 2 neue Radikale. Die Autooxidation in Lebensmitteln ist unerwünscht. Übermäßige Radikalbildung im menschlichen Körper ist schädlich. Eine Möglichkeit der Radikalbildung entgegen zu wirken, ist der Einsatz von Vitamin E. Eine ähnliche Wirkung wird mit der Zufuhr von Vitamin C erreicht. Vitamin E und Vitamin C bezeichnet man als Antioxidantien, da sie der Autooxidation entgegenwirken. Die Wirkung beider Vitamine führt dazu, dass die Bildung von Radikalen erschwert oder unmöglich gemacht wird. Die Oxidation kommt zum Erliegen. Die Zahl gebildeter Radikale wird merklich reduziert.           4. Fossile Brennstoffe und Treibhauseffekt: Die fossilen Brennstoffe, Kohle, Öl und Erdgas liefern bei der Verbrennung Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid wirkt nun wie ein Treibhaus. Die Strahlen der Sonne werden zum Teil in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt, diese können die Erde nicht wieder verlassen. Die Wärmestrahlung führt dazu, dass es zur Erderwärmung kommt. Diese Erwärmung ist nicht sehr stark, kann aber unzweideutig gemessen werden. Wir wissen auch nicht, welche Entwicklung abzusehen ist, es könnten sich jedoch fatale Folgen für das Leben auf der Erde ergeben.   5. Zusammenfassung: Wir haben die Oxidation der Alkane betrachtet, die Verbrennung ist die Reaktion mit Sauerstoff, im Ergebnis entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Verbrennungsenthalpie ist stark negativ. Die Reaktion läuft nach einem radikalischen Mechanismus ab. Weiterhin wurde die Oxidation der Alkane im Verbrennungsmotor betrachtet. Die Oktanzahlen verzweigter Alkane sind hoch, sie sind klopffest. Die Oktanzahlen unverzweigter Alkane sind gering, sie klopfen stark. Man kann im zweiten Fall die Oktanzahl erhöhen, indem man einen Radikallieferanten hinzugibt. Weiterhin wurden Antioxidantien betrachtet. Zu den Antioxidantien zählen vor allem Vitamin E und Vitamin C. Diese Verbindungen wirken als Radikalfänger, sie schützen Lebensmittel vor dem Verderb und den menschlichen Organismus vor Krankheit. Als Letztes wurden einige Bemerkungen zum Treibhauseffekt gemacht. Fossile Brennstoffe liefern bei der Verbrennung Kohlenstoffdioxid. Dieses sendet von den Sonnenstrahlen nur den langwelligen Bereich zurück. Das sind die Wärmestrahlen. Es kommt zu einer Erderwärmung mit bisher nicht absehbaren Folgen für die Entwicklung des Lebens.      Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles gute. Auf Wiedersehen.