Your Simple Chemistry

Die 11a hat im Rahmen der Studienzeit von ihrer Chemie-Lehrerin Julia Klingele die Aufgabe bekommen, einen Artikel zum Thema Benzin für eine imaginäre Jugendzeitschrift zu verfassen. Der 11.Klässler Tim erklärt in "Your simple Chemistry" den Zusammenhang von Benzin, Kohlenstoffdioxid und dem Treibhauseffekt.

Your Simple Chemistry

Was ist Benzin? - Vom Rohstoff bis zur Verwendung

Der Begriff Benzin ist sicherlich jedem bekannt. Benzin dient hauptsächlich als Kraftstoff für Autos, Motorräder und LKWs. Doch was genau ist Benzin, wie entsteht Benzin und was hat es für globale Auswirkungen auf unsere Umwelt? All das werden sie jetzt und hier erfahren.
Es gibt mehrere Arten von Benzin: das Rohbenzin, ein unbehandeltes Erdöldestillat, welches ein wichtiger Rohstoff für die Petrochemie ist, aber auch das Fahrbenzin oder Motorenbenzin für Fahrzeuge mit Ottomotoren welches ein, durch Zusätze veredeltes, Destillat aus Rohöl ist. Des Weiteren gibt es Flugbenzin für Flugzeuge mit Ottomotoren und Test- beziehungsweise Spezialbenzin, welches als Lösungs- und Extraktionsmittel1 in der Chemie dient. Fahrbenzin ist ein Gemisch aus verschiedenen Alkanen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen im Molekül. Alkane gehören zu den Kohlenwasserstoffen, was eine Stoffgruppe von Verbindungen ist, welche ausschließlich aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) besteht.
Den größten Anteil am Export von Erdöl2, einem fossilen Brennstoff und gleichzeitig dem Ausgangsprodukt des Benzins, haben Saudi-Arabien, Russland und der Irak. Aber auch Kanada, die USA und Norwegen sind vorne mit dabei. Das von diesen und vielen weiteren Ländern abgebaute Öl wird nun von vielen Ländern importiert und anschließend in Raffinerien destilliert.[5]

Bild Nr. 1: Tiefpumpe an einer texanischen Ölquelle
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Erd%C3%B6lgewinnung#/media/Datei:Oil_well.jpg

Bei der Destillation werden die im Rohöl enthaltenen Salze und weitere Fremdstoffe von dem Entsalzer entfernt. Nachdem das Öl auf ca. 130 bis 150 Grad Celsius vorgewärmt wurde, wird es in einem Ofen auf ca. 380 Grad Celsius erhitzt. Das hierbei entstandene Dampf-Flüssigkeitsgemisch strömt dann in einen etwa 50 Meter hohen Turm. Hier verflüssigen beziehungsweise kondensieren die Kohlenwasserstoffe auf verschiedenen Ebenen – getrennt nach ihren Siedepunkten. Eine der entstandenen Erdölfraktionen ist das Benzin.[8] Eine Vielzahl von weiteren Kraftstoffen kann aus den anderen Fraktionen gemischt werden, wie zum Beispiel Superbenzin (ROZ 95). Wie alle Kraftstoffe besteht auch Superbenzin aus verschiedenen Komponenten. Ein typischer Bestandteil des ROZ95 ist Isooctan (ROZ 100), Summenformel C8H18. Es handelt sich hierbei um einen verzweigten, gesättigten Kohlenwasserstoff (2,2,4-Trimethylpentan). Der Zahlenwert der Oktanzahl bis 100 gibt den Volumenanteil des zündhemmenden Isooktans (ROZ 100) in Prozent an. Das zündhemmende Isooktan wird mit zündwilligem n-Heptan, C7H16 (ROZ = 0), gemischt. So wird sichergestellt, dass der Kraftstoff die gleiche Klopffestigkeit (in einem Prüfmotor nach ROZ oder MOZ), wie der zu prüfende Kraftstoff aufweist. Am Beispiel von Superbenzin (ROZ 95) bedeutet das, dass die Klopffestigkeit einem Gemisch aus 95 Vol.-% Isooktan und 5 Vol.-% n-Heptan entspricht.[4] Bei höher siedenden Erdölfraktionen kann durch Cracken (engl. Spalten) zusätzlich Benzin gewonnen werden. Man unterscheidet beim Cracken grundsätzlich drei Verfahrensarten: Thermisches Cracken, katalytisches Cracken und Hydrocracken. Da die Benzinanteile im Rohöl häufig sehr gering sind und somit der Bedarf des Weltmarkts nicht gedeckt werden kann, ist das Cracken eine sinnvolle Methode. Die langkettigen Alkan-Moleküle werden beim Cracken durch plötzliches Erhitzen in kürzere Moleküle zerbrochen. Durch Reformierung, dem so genannten Reforming, der kettenförmigen Kohlenwasserstoffe in verzweigte, wird die Oktanzahl beziehungsweise die Klopffestigkeit des entstandenen Benzins erhöht. Eine Erhöhung der Klopffestigkeit ist wichtig, da das Benzin ansonsten nicht kontrolliert, sondern durch Selbstzündung verbrennen würde.[2]

Bild Nr.2: Raffinerie in Schleswig-Holstein
Quelle: https://www.kn-online.de/Nachrichten/Wirtschaft/Industriebilanz-2015-Schwerer-Umsatzeinbruch-fuer-Schleswig-Holsteins-Industrie

CO2 und globale Auswirkungen – Was passiert mit unserer Umwelt?
Fotosynthese betreibende Lebewesen wie Bäume und andere Pflanzen nehmen den durch Atmung, Zellatmung, Zersetzung sowie Verbrennung fossiler Brennstoffe entstandenen Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Atmosphäre auf und binden ihn in organische Stoffe. Anschließend wird das CO2 wieder durch die oben genannten Prozesse in die Atmosphäre freigegeben. Dieser Vorgang wird als Kohlenstoffkreislauf bezeichnet. Von den Treibhausgasen Distickstoffmonoxid (N2O), Ozon (O3), Kohlenstoffdioxid (CO2), Schwefelhexafluorid (SF6) und Methan (CH4) hat Kohlenstoffdioxid trotz dessen, dass es das schwächste der Treibhausgase ist, eine große Auswirkung auf den anthropogenen4 Treibhauseffekt. Das liegt daran, dass es eine gewaltige Menge an CO2 gibt, was wiederum aus der CO2-Freisetzung bei der Verbrennung von Benzin resultiert.
1 C8H18 + 12,5 O2 → 8 CO2 + 9 H2O
Treibhausgase lassen die kurzwelligen von der Sonne kommenden UV-Strahlen passieren, welche anschließend auf den Boden treffen. Am Boden werden sie absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt, jedoch nicht komplett. Ein Teil der eintreffenden Strahlung wird als langwellige IR-Strahlung zurück reflektiert.

Bild Nr.3: Schaubild zum Treibhauseffekt
Quelle: https://clever-express.com/2015/02/27/50-prozent-weniger-treibhausgas-ausstoss-bis-2030/#prettyPhoto

Die Atmosphäre lässt nur einen kleinen Teil dieser Strahlung passieren, der Rest wird zurück in Richtung Erde reflektiert, wodurch die Erde erneut erwärmt wird. Der Mensch verstärkt durch die von ihm produzierten Treibhausgase den natürlichen Treibhauseffekt, was eine enorme Erwärmung unserer Erde zur Folge hat. [1]
Neben den bereits genannten Bäumen und anderen Pflanzen, welche CO2 aus der Atmosphäre binden, spielen beim Kohlenstoffkreislauf auch Carbonate eine wichtige Rolle. Von ihnen wird Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre entfernt, da sie ihn in Form von Kalk langfristig binden. Carbonate bezeichnen einerseits die Salze der vollständig dissoziierten Kohlenstoffsäure, aber auch die Ester3 der Kohlenstoffsäure werden als diese bezeichnet.[6], [7]
Ein alltägliches Beispiel für einen Vorgang, bei dem Carbonate entstehen ist das Umwandeln von Leitungswasser zu Sprudel in einem Sprudelautomaten. An dem englischen Begriff „Carbonated Water“ (deut. Wasser mit Kohlensäure bzw. Sprudel) kann bereits dieser Zusammenhang erkannt werden. Das Mineralwasser, welches wir tagtäglich trinken und als so erfrischend empfinden, enthält anfangs keine Kohlensäure, erst durch den Kontakt von Wasser (H2O) mit dem Gas Kohlenstoffdioxid (CO2) verbinden sich die Moleküle in einer chemischen Reaktion. Somit entsteht die erfrischende Kohlensäure (H2CO3).[3]
Lösungs- Extraktionsmittel1 (= Stoffe zum Herauslösen von bestimmten Komponenten eines
Extraktionsgutes)
Erdöl2 (= Erdöl ist ein fossiler Brennstoff – Fossile Brennstoffe sind durch
hohen Druck und Temperatur aus biologischen Zerfallsprodukten über
Millionen von Jahren gebildete Energiereserven)
Ester3 Ester sind eine Stoffgruppe von organischen Verbindungen, welche formal oder
tatsächlich bei einer Reaktion von Sauerstoffsäure und
einem Alkohol unter Abspaltung von Wasser entstehen.
anthropogen4 Anthropogen bedeutet durch den Menschen beeinflusst, verursacht. In diesem Fall
wird hier der Klimawandel beschrieben.

Quellen-Angaben:
[1]https://de.wikipedia.org/wiki/Treibhausgas
[2]https://www.bp.com/de_de/germany/home/wer-wir-sind/raffineriegeschaeft/verfahren-in-einer-raffinerie/wertvolles-cracken--aus-schwer-mach-leicht.html
[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Kohlens%C3%A4ure
[4]https://de.wikipedia.org/wiki/Oktanzahl [5]https://de.wikipedia.org/wiki/Erd%C3%B6l/Tabellen_und_Grafiken#Export_nach_L%C3%A4ndern [6]https://www.chemie.de/lexikon/Carbonate.html
[7]https://www.chemie.de/lexikon/Ester.html
[8]Chemie heute -Kapitel 17.1 “Erdölaufbereitung-eine raffinierte Sache“ – Seite 270