Chemie der Brennstoffe - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 9-10, G-Niveau

Chemie der Brennstoffe - Chemie

Dieser aiMOOC zeigt Dir, wie Brennstoffe chemisch aufgebaut sind, wie sie reagieren und warum ihre Nutzung Energie, Sicherheit und Umwelt zugleich betrifft.

Einleitung

Brennstoffe speichern chemische Energie. Bei einer Verbrennung reagieren sie meist mit Sauerstoff. Dabei entstehen neue Stoffe und Energie wird als Wärme und oft auch als Licht frei. Viele technische Brennstoffe bestehen aus Kohlenwasserstoffen, zum Beispiel Methan, Benzinbestandteile oder Heizöl.

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du Brennstoffe einteilen, Verbrennungsreaktionen formulieren, vollständige und unvollständige Verbrennung unterscheiden, Heizwert und Brennwert erklären sowie ökologische Folgen bewerten.

Was ist ein Brennstoff?

Ein Brennstoff ist ein Stoff, der bei einer chemischen Reaktion nutzbare Energie freisetzt. Meist handelt es sich um eine Redoxreaktion mit Sauerstoff. Der Brennstoff wird oxidiert, der Sauerstoff wird reduziert. Eine Flamme bleibt nur bestehen, wenn Brennstoff, Sauerstoff und genügend hohe Temperatur gleichzeitig vorhanden sind.

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Für die Verbrennung von Wasserstoff gilt:

$2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to 2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Am Ort der Nutzung entsteht dabei kein Kohlenstoffdioxid. Die gesamte Klimawirkung hängt jedoch davon ab, wie der Wasserstoff hergestellt, gespeichert und transportiert wurde.

Einteilung der Brennstoffe

Gruppe	Beispiele	Chemische Besonderheit
Fossile Brennstoffe	Kohle, Erdölprodukte, Erdgas	Entstanden aus früherer Biomasse über geologische Zeiträume
Biogene Brennstoffe	Holz, Biogas, Bioethanol	Kohlenstoff stammt aus vergleichsweise jungen biologischen Kreisläufen
Synthetische Brennstoffe	Methanol, synthetisches Methan, E-Fuels	Werden gezielt durch chemische Prozesse hergestellt
Kohlenstofffreier Brennstoff	Wasserstoff	Bildet bei idealer Verbrennung Wasser statt Kohlenstoffdioxid

Wichtige Brennstoffarten

Brennstoff	Typische Zusammensetzung	Aggregatzustand	Nutzung
Kohle	Vor allem Kohlenstoff sowie weitere Bestandteile	fest	Kraftwerke, Industrie
Erdölprodukte	Gemische verschiedener Kohlenwasserstoffe	flüssig	Verkehr, Heizung, Industrie
Erdgas	Vor allem Methan	gasförmig	Heizung, Strom, Chemieindustrie
Holz und Pellets	Cellulose, Lignin und Begleitstoffe	fest	Wärme
Bioethanol	Ethanol und Wasseranteile	flüssig	Kraftstoffbeimischung
Biogas	Vor allem Methan und Kohlenstoffdioxid	gasförmig	Wärme, Strom, aufbereitet auch als Kraftstoff

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Kohlenwasserstoffe als Brennstoffe

Alkane bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Methan ist das einfachste Alkan. Octan ist ein Beispiel für einen längerkettigen Kohlenwasserstoff und dient als Modellstoff für Bestandteile von Ottokraftstoff.

Für die vollständige Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs gilt allgemein:

${\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}+(x+\frac{y}{4}){\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to x\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\frac{y}{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

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Vollständige und unvollständige Verbrennung

Bei ausreichender Sauerstoffzufuhr verbrennt Methan vollständig:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}+2{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Bei Sauerstoffmangel kann giftiges Kohlenstoffmonoxid entstehen:

$2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}+3{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to 2\mathrm{C}\mathrm{O}+4{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Noch stärkerer Sauerstoffmangel kann zur Bildung von Ruß führen:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to \mathrm{C}+2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Unvollständige Verbrennung nutzt die im Brennstoff gespeicherte Energie schlechter aus. Außerdem können Kohlenstoffmonoxid, Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe die Gesundheit und Umwelt belasten.

Energie, Verbrennungsenthalpie, Heizwert und Brennwert

Eine Verbrennung ist meist exotherm. Die Reaktionsenthalpie ist dann negativ. Im vereinfachten Kalorimeterversuch lässt sich die übertragene Wärme berechnen:

$Q=m\cdot c\cdot \Delta T$

Dabei steht $m$ für die Masse des erwärmten Stoffes, $c$ für seine spezifische Wärmekapazität und $\Delta T$ für die Temperaturänderung.

Der Heizwert berücksichtigt die nutzbare Energie ohne die Kondensationswärme des entstehenden Wasserdampfs. Der Brennwert schließt diese zusätzliche Wärme ein und ist deshalb größer.

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Erdöl und fraktionierte Destillation

Rohöl ist ein komplexes Gemisch. In einer Raffinerie wird es erhitzt und nach Siedebereichen in Fraktionen getrennt. Leicht siedende Bestandteile steigen in der Kolonne weiter nach oben als schwer siedende. Die Fraktionen sind weiterhin Stoffgemische. Durch weitere Verfahren wie Cracken können große Moleküle in kleinere umgewandelt werden.

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Schadstoffe und Klimawirkung

Bei der vollständigen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe entsteht Kohlenstoffdioxid. Es verstärkt den anthropogenen Treibhauseffekt. Schwefelhaltige Brennstoffe können Schwefeldioxid bilden. Hohe Verbrennungstemperaturen begünstigen außerdem die Entstehung von Stickstoffoxiden aus Bestandteilen der Luft. Sauerstoffmangel fördert Kohlenstoffmonoxid und Ruß.

Biogene Brennstoffe sind nicht automatisch klimaneutral. Entscheidend sind Anbau, Verarbeitung, Transport, Landnutzung und die Zeit, die für die erneute Bindung des freigesetzten Kohlenstoffdioxids benötigt wird. Deshalb ist eine Lebenszyklusanalyse aussagekräftiger als die Betrachtung der Flamme allein.

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Sicherheit beim Umgang mit Brennstoffen

Brennstoff-Luft-Gemische können innerhalb bestimmter Konzentrationsbereiche explosionsfähig sein. Kohlenstoffmonoxid ist farb- und geruchlos sowie hochgiftig. Verbrennungsversuche gehören deshalb in den Fachraum und werden nur nach Anweisung der Lehrkraft mit Schutzbrille, geeigneter Lüftung und bereitstehenden Löschmitteln durchgeführt.

Zusammenfassung

Brennstoffe liefern Energie durch chemische Reaktionen. Ihre Zusammensetzung bestimmt Produkte, Energieausbeute und Schadstoffe. Vollständige Verbrennung braucht genügend Sauerstoff. Heizwert und Brennwert beschreiben unterschiedliche nutzbare Energiemengen. Für eine faire Bewertung müssen Gewinnung, Herstellung, Nutzung und Entsorgung gemeinsam betrachtet werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Stoff ist bei einer vollständigen Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs immer ein Produkt? (Kohlenstoffdioxid) (!Kohlenstoffmonoxid) (!Stickstoff) (!Schwefel)

Welche drei Bedingungen beschreibt das Verbrennungsdreieck? (Brennstoff Sauerstoff Zündenergie) (!Brennstoff Wasser Stickstoff) (!Kohlenstoffdioxid Druck Salz) (!Wärme Wasserstoff Asche)

Was ist der Hauptbestandteil von Erdgas? (Methan) (!Ethanol) (!Octan) (!Kohlenstoffmonoxid)

Wann entsteht besonders leicht Kohlenstoffmonoxid? (Bei Sauerstoffmangel) (!Bei vollständiger Verbrennung) (!Bei sehr guter Lüftung) (!Bei der Destillation von Wasser)

Welche Aussage zum Brennwert ist richtig? (Er berücksichtigt die Kondensationswärme des Wasserdampfs) (!Er ist immer kleiner als der Heizwert) (!Er beschreibt nur die Zündtemperatur) (!Er gilt nur für feste Brennstoffe)

Was geschieht bei der fraktionierten Destillation von Rohöl? (Die Bestandteile werden nach Siedebereichen getrennt) (!Alle Stoffe werden vollständig verbrannt) (!Methan wird in Kohle umgewandelt) (!Kohlenstoffdioxid wird zu Sauerstoff)

Welche Gleichung beschreibt die vollständige Verbrennung von Methan? (CH4 plus 2 O2 ergibt CO2 plus 2 H2O) (!CH4 plus O2 ergibt CO plus H2) (!CH4 ergibt C plus 2 H2) (!CO2 plus H2O ergibt CH4 plus O2)

Welche Stoffgruppe umfasst Methan und Octan? (Alkane) (!Salze) (!Metalle) (!Edelgase)

Welche Aussage über Wasserstoff als Brennstoff ist richtig? (Bei idealer Verbrennung entsteht Wasser) (!Bei idealer Verbrennung entsteht Ruß) (!Wasserstoff enthält Kohlenstoff) (!Wasserstoff ist ein Erdölbestandteil mit acht Kohlenstoffatomen)

Welche Betrachtung bewertet die Umweltwirkung eines Brennstoffs am umfassendsten? (Lebenszyklusanalyse) (!Flammenfarbe allein) (!Aggregatzustand allein) (!Geruch allein)

Memory

Methan	Hauptbestandteil von Erdgas
Sauerstoffmangel	Kohlenstoffmonoxid
Heizwert	Energie ohne Kondensationswärme
Brennwert	Energie mit Kondensationswärme
Raffinerie	Verarbeitung von Rohöl
Kalorimeter	Messung freigesetzter Wärme
Bioethanol	Flüssiger biogener Brennstoff
Ruß	Fester Kohlenstoff aus unvollständiger Verbrennung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Methan	Einfachstes Alkan
Kohlenstoffdioxid	Produkt vollständiger Verbrennung
Kohlenstoffmonoxid	Giftiges Produkt bei Sauerstoffmangel
Destillation	Trennung nach Siedebereichen
Kalorimetrie	Bestimmung freigesetzter Wärme

...

Kreuzworträtsel

Methan	Welches Alkan ist Hauptbestandteil von Erdgas?
Sauerstoff	Welches Gas wird für die übliche Verbrennung benötigt?
Heizwert	Welche Größe lässt die Kondensationswärme unberücksichtigt?
Raffinerie	Wo wird Rohöl technisch verarbeitet?
Kalorimeter	Welches Gerät dient zur Messung von Wärmemengen?
Kohlenmonoxid	Welches giftige Gas kann bei Sauerstoffmangel entstehen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Brennstoffe speichern . Eine Verbrennung ist eine . Bei vollständiger Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht . Sauerstoffmangel kann zur Bildung von führen. Der Hauptbestandteil von Erdgas heißt . Rohöl wird durch fraktionierte getrennt. Der Brennwert berücksichtigt zusätzlich die . Für die Umweltbewertung ist eine besonders hilfreich.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Verbrennungsdreieck gestalten: Zeichne Brennstoff, Sauerstoff und Zündenergie als verständliches Schaubild.
2. Brennstoffe im Alltag: Fotografiere oder beschreibe vier Anwendungen und ordne die verwendeten Brennstoffe zu.
3. Methanmodell: Baue ein Molekülmodell von Methan und erkläre die Bedeutung der Farben und Verbindungen.
4. Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat zum sicheren Umgang mit Flammen und Brennstoffen.

Standard

1. Reaktionsgleichungen: Stelle die vollständige Verbrennung von Methan, Propan und Ethanol auf und gleiche sie aus.
2. Heizwert und Brennwert: Erkläre den Unterschied mit einer selbst erstellten Skizze einer Heizungsanlage.
3. Raffinerie-Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video zur fraktionierten Destillation von Rohöl.
4. Biogas-Recherche: Untersuche Rohstoffe, Reaktionsbedingungen, Produkte und Nutzung einer Biogasanlage.

Schwer

1. Brennstoffvergleich: Entwickle Kriterien und vergleiche Erdgas, Holzpellets, Wasserstoff und Bioethanol.
2. Kalorimetrie-Auswertung: Werte bereitgestellte Messdaten mit $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$ aus und diskutiere Fehlerquellen.
3. Kohlenstoffbilanz: Erstelle ein Stoffstromdiagramm für einen fossilen und einen biogenen Brennstoff.
4. Schulkonzept: Entwirf ein begründetes Konzept, wie eine Schule Wärme bereitstellen und dabei Emissionen senken könnte.

Lernkontrolle

1. Sauerstoffzufuhr bewerten: Erkläre, warum dieselbe Flamme bei veränderter Luftzufuhr anders aussehen und andere Produkte bilden kann.
2. Reaktionsgleichung übertragen: Leite aus der allgemeinen Gleichung die vollständige Verbrennung von Propan ab.
3. Heiztechnik vergleichen: Begründe, warum eine Anlage mit Kondensation des Wasserdampfs mehr Energie nutzen kann.
4. Stoffgemisch analysieren: Erkläre, warum eine Erdölfraktion kein Reinstoff ist und wie sie weiterverarbeitet werden kann.
5. Systemgrenzen prüfen: Zeige an einem Beispiel, wie unterschiedliche Systemgrenzen zu verschiedenen Umweltbewertungen führen.
6. Risiko beurteilen: Entwickle Maßnahmen für einen sicheren Verbrennungsversuch und begründe jede Maßnahme chemisch.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du folgende Leistungen zeigen:

1. Verbrennungsreaktionen fachsprachlich erklären und Reaktionsgleichungen ausgleichen
2. Vollständige und unvollständige Verbrennung anhand von Bedingungen und Produkten unterscheiden
3. Heizwert, Brennwert und Kalorimetrie auf einfache Daten anwenden
4. Fossile, biogene, synthetische und kohlenstofffreie Brennstoffe vergleichen
5. Umwelt-, Klima- und Sicherheitsaspekte mit nachvollziehbaren Kriterien bewerten
6. Eine eigene Darstellung, Auswertung oder Präsentation mit korrekten Quellen erstellen

Verknüpfte Lernbereiche

Chemie der Brennstoffe - Chemie Brennstoff Verbrennung (Chemie) Redoxreaktion Kohlenwasserstoffe Alkane Heizwert Brennwert Kalorimetrie Erdölraffinerie Biogas Kohlenstoffkreislauf Klimawandel