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Verbrennung von Alkanen

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André Otto

Verbrennung von Alkanen

lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Verbrennung von Alkanen

Die wichtigste Reaktion der Alkane ist die Verbrennung, die, einmal initiiert, mit stark niedriger Verbrennungsenthalpie abläuft. Für den Ottomotor benötigt man "klopffestes" Benzin mit hohen Oktanzahlen (OZ). Isooctan hat eine OZ von 100, n-Heptan von nur 0. Je verzweigter das Alkan ist, um so höher ist die OZ. Das hängt mit der Radikalbildung zusammen. Um die OZ zu erhöhen, kann man ein Klopfschutzmittel wie tert-Butylmethylether hinzusetzen. Antioxidanzien verhindern die Radikalbildung bei der Autooxidation und damit den Verderb von Lebensmitteln. Sie beugen Krankheiten vor. Fossile Brennstoffe produzieren bei der Verbrennung Kohlenstoffdioxid, das den sogenannten "Treibhauseffekt" verstärkt.

Transkript 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.    

7 Kommentare

7 Kommentare
  1. Wie funktioniert Cracken, und wie kann man ein Bsp. für eine Reaktionsngleichung für das Cracker eines Alkans formulieren

    Von Mirjam A., vor etwa 4 Jahren
  2. Liebe Gisela,
    die Formel im Video ist korrekt. Da vor dem Alkan eine 2 steht, wurde der Faktor bereits berücksichtigt. Es wird hier also nicht der stöchiometrische Faktor von Sauerstoff halbiert, sonder einfach der vom Alkan verdoppelt und damit passt es dann auch.

    Viel Spaß weiterhin an der Chemie!

    Von Bianca Blankschein, vor etwa 4 Jahren
  3. Wenn sie das Video nach 2 Minuten und 11 Sekunden anhalten sehen sie das die allgemeine Formel 2Cn2n+2 +(3n+1) O2 lautet, aber meines Erachtens muss die Formel 2Cn2n+2 +((3n+1)/2) lauten da Sauerstoff ein Molekül ist.

    Von Gisela F., vor etwa 4 Jahren
  4. Anregungen zu Videos und Übungen und Hinweise auf Fehler nehmen wir sehr ernst und wollen sie so schnell wie möglich korrigieren. Vielleicht können Sie daher ihre Fehlerbeschreibung etwas konkretisieren?

    Grüße aus der Redaktion!

    Von Bianca Blankschein, vor etwa 4 Jahren
  5. Da ist ein Fehler

    Von Gisela F., vor etwa 4 Jahren
Mehr Kommentare

Verbrennung von Alkanen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Verbrennung von Alkanen kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre anhand des Beispiels Methan, wie die Oxidation von Alkanen verläuft.

    Tipps

    Achte darauf, dass die Reaktionsgleichung stöchiometrisch ausgeglichen ist.

    Der entstehende Stoff bei der Verbrennung sorgt dafür, dass der sogenannte Treibhauseffekt entsteht.

    Überlege dir, ob die Reaktion exotherm oder endotherm verläuft.

    Lösung

    Die Oxidation oder Verbrennung gehört zu den Grundreaktionen der organischen Verbindungen. Im Beispiel der Alkane reagieren diese mit Sauerstoff, welcher selbst ein Diradikal ist. Dabei entstehen durch eine radikalische Reaktion Wasser und Kohlenstoffdioxid, wenn die Verbrennung vollständig abläuft. Wichtig ist, dass die Verbrennungsreaktion stöchiometrisch ausgeglichen ist, d.h., dass links und rechts vom Reaktionspfeil die gleiche Anzahl an Atomen stehen muss.

    $CH_4 + 2~O_2 \to CO_2 + 2~H_2O$

  • Erkläre, was die Oktanzahl aussagt.

    Tipps

    Überlege, worin der Unterschied zwischen Isooctan und n-Heptan liegt.

    Stärker verzweigte Alkane können besser verbrennen als unverzweigte.

    Lösung

    Damit ein Auto fahren kann, braucht es einen Motor und natürlich auch Benzin. In diesem befinden sich unter anderem Alkane. Es gibt Alkane, die sich sehr gut verbrennen lassen, aber es gibt auch welche, die sehr unruhig und laut verbrennen. Man nennt Alkane, die unruhig verbrennen, auch nicht-klopffest. Alkane hingegen, die ruhig verbrennen, sind klopffest. Die Oktanzahl macht eine Aussage darüber, wie klopffest ein Alkan ist. Je höher die Oktanzahl, desto ruhiger verbrennt das Alkan. Man fand heraus, dass verzweigte Alkane, wie das Isoocation, ruhiger verbrennen als unverzweigte Alkane. Unverzweigte Alkane können mit sogenannten Klopfschutzmitteln so umgewandelt werden, dass auch sie ruhiger verbrennen können.

  • Vervollständige die Reaktionsgleichungen der Verbrennungsreaktionen.

    Tipps

    Links vom Reaktionspfeil und rechts vom Reaktionspfeil muss die gleiche Zahl an Atomen stehen.

    Werden zum Beispiel 7 Mol Kohlenstoff eingesetzt, dann müssen auch wieder 7 Mol Kohlenstoff entstehen.

    Lösung

    Bei einer vollständigen Verbrennungsreaktion von Alkanen entstehen immer die Reaktionsprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid ($CO_2$).

    Mithilfe der Molzahl kann ermittelt werden, welches Alkan eingesetzt wurde. Entstehen z.B. 7 Mol Kohlenstoffdioxid, dann muss auch das eingesetzte Alkan sieben Kohelnstoffatome enthalten haben. Es handelt sich bei dem Alkan also um das Heptan ($C_7H_{16}$).

  • Erläutere die Autoxidation von Fettsäuren.

    Tipps

    Sauerstoff sieht in Radikalschreibweise so aus: $ \cdot O-O\cdot$.

    Lösung

    Die Autoxidation ist eine mehrstufige und komplexe Radikalreaktion. Der Sauerstoff aus der Luft greift dabei die empfindlichste Stelle der Fettsäure an - die Doppelbindungen. Das bedeutet, je mehr Doppelbindungen eine Fettsäure hat, desto höher ist die Oxidationsgeschwindigkeit und somit auch der Verderb des Fettes. Es lässt sich daraus auch schließen, dass gesättigte Fettsäuren nicht so angreifbar sind wie ungesättigte Fettsäuren. Die Fettsäure reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft, welcher selbst ein Diradikal darstellt. Bei diesem ersten Schritt der Reaktion entstehen ein Alkyradikal und ein Hyperperoxidradikal. Im zweiten Schritt reagieren beide Radikale miteinander und es entsteht das Hyperperoxid. Dieses ist so instabil, dass es im dritten Schritt sofort wieder in Peroxiradikal $ROO\cdot$, ein Alkoxyradikal $RO\cdot$ oder in ein Alkyradikal $R\cdot$ zerfällt. Die entstandenen Radikale reagieren untereinander zu Ketonen, Alkoholen, Epoxiden oder Aldehyden, welche den ranzigen Geschmack des Fettes verursachen.

  • Beschreibe, warum die Verbrennung fossiler Brennstoffe umweltschädigend ist.

    Tipps

    Überlege, wodurch zunächst Kohlenstoffdioxid gebildet wird.

    Lösung

    Schon seit einigen Jahren wird darüber diskutiert, dass die Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen, wie Erdöl, Erdgas und Kohle, umweltschädigend ist. Dies steht im Zusammenhang mit dem sogenannten Treibhauseffekt. Bei der Verbrennung von Erdöl, Erdgas und Kohle werden immer organische Verbindungen verbrannt. Dabei entsteht neben dem unschädlichen Wasser auch Kohlenstoffdioxid. Dieses legt sich wie eine Schicht über die Erdatmosphäre und wandelt einfallende Sonnenstrahlen in langwellige Wärmestrahlung um. Diese können die Erdatmosphäre nicht mehr verlassen und das Erdklima erwärmt sich.

  • Erkläre, warum ein defekter Luftfilter im Auto schlimme Folgen haben kann.

    Tipps

    Schaue dir die Reaktionsgleichung im Kopf sehr genau an.

    Bei der Reaktion entsteht ein toxischer Stoff.

    Lösung

    Ein defekter Luftfilter im Auto kann schlimme Folgen nach sich ziehen. Dadurch, dass der Luftfilter kaputt ist, gibt es einen Sauerstoffmangel. Dieser bewirkt, dass das Benzin (mit den Alkanen) unvollständig verbrennt. Bei einer unvollständigen Verbrennung von Alkanen entsteht neben Wasser und Kohlenstoffdioxid auch noch Kohlenstoffmonoxid ($CO$). Dieses ist schon in kleinsten Mengen tödlich für den Menschen.

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