Organische Chemie: Verbrennung von Alkanen und CO2-Emission

Jakob Melamed, 2023-01

Vollständige Verbrennungsreaktion der Alkane

Kohlenwasserstoff + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser

1. Beispiel : Verbrennung von Ethan C₂H₆

C₂H₆ + 𝑂₂ → 𝐶𝑂₂ + 𝐻₂O

Schauen wir uns die Reaktion an, so erkennt man, dass diese noch nicht ausgeglichen ist. 
Beispielsweise haben wir links zwar 2 C-Atome, rechts aber nur eins. 

Ausgleichen:

C₂H₆ + 3,5 𝑂₂ → 2 𝐶𝑂₂ + 3 𝐻₂O | ∗ 2
2 C₂H₆ + 7 𝑂₂ → 4 𝐶𝑂₂ + 6 𝐻₂O

C : 4 / 4 ;
H : 12 / 12 ;
O : 14 / 14 ;

Vorgehen :

1. Man schreibt die Zahl die Links von der Reaktionsgleichung unten am C-Atom steht, 
   rechts vor das 𝐶𝑂2 um die Anzahl der Kohlenstoffatome auszugleichen.
   C₂H₆ + 𝑂₂ → 2 𝐶𝑂₂ + 𝐻₂O
2. Die Anzahl der Linken H-Atome rechts ausgleichen, indem man einen Faktor vor das 
   Wasser schreibt.
   C₂H₆ + 𝑂₂ → 2 𝐶𝑂₂ + 3 𝐻₂O
3. Anzahl der Sauerstoffatome mit einem geeigneten Faktor ausgleichen. Da wir hier links 
   sieben O-Atome haben und links nur 2, benötigen wir den Faktor 3,5 weil 3,5 ⋅ 2 = 7
   C₂H₆ + 3,5 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O
4. Jedoch darf man keine Teile von Molekülen besitzen, weshalb wir noch die ganze 
   Reaktionsgleichung auf beiden Seiten mit 2 multiplizieren müssen, damit wir nur ganze 
   Zahlen haben:
   𝐶₂H₆ + 3,5 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O | ⋅ 2
   2 𝐶₂H₆ + 7 O₂ → 4 CO₂ + 6 H₂O

C : 4 / 4 ;
H : 12 / 12 ;
O : 14 / 14 ;

2. Beispiel : Verbrennung von Octan C₈H₁₈

𝐶₈𝐻₁₈ + 12,5 𝑂₂ → 8 𝐶𝑂₂ + 9 𝐻₂𝑂 | ⋅ 2

2 𝐶₈𝐻₁₈ + 25 𝑂₂ → 16 𝐶𝑂₂ + 18 𝐻₂𝑂

C : 16 / 16 ;
H : 36 / 36 ;
O : 50 / 50 ;

Anwendung der Verbrennung von Octan :

Jetzt bleibt nur noch die Frage zu klären, was uns das Aufstellen der Reaktionsgleichung gebracht hat. Beispielsweise könnte man nun errechnen wie viel CO₂ - Emission so ein Auto hat.

Mit der Reaktionsgleichung haben wir die Reaktionsverhältnisse bestimmt, also 2 mol Octan reagieren zu 16 mol Kohlenstoffdioxid. Ein gutes Benzin wie z.B. E95 besteht zu 95% aus Octan, gehen wir vereinfacht davon aus, dass sich die Verbrennung von Benzin mit der Verbrennung von Octan etwa gleicht, können wir z.B. die Emissionswerte eines Autos bestimmen, welches mit Benzin fährt.

Wir benötigen die Formel zum Berechnen der Stoffmenge :

n = m / M

n : Stoffmenge (mol)

m : Masse (g)

M : molare Masse (g/mol)

Hinweis :

Zum Ermitteln der molaren Masse schaut man auf das Periodensystem. Bei C ist eine Masse von ca.12 u angegeben, also hat ein Kohlenstoff eine molare Masse von 12 g/mol. Da wir bei Octan 8 Kohlenstoffe und 18 Wasserstoffe haben, müssen wir die Masseangaben mit der Anzahl der Atome multiplizieren.

𝐶₈𝐻₁₈ ⇒ 8 ⋅ 12 + 18 ⋅ 1 = 114

Massen aus dem Periodensystem

⇒ 2 mol Octan entsprechen 228g und reagieren zu 704g CO₂

228g (𝐶₈𝐻₁₈) → 704g (CO₂)     | : 228

1g (𝐶₈𝐻₁₈) → 3,09g (CO₂)

⇒ Masse des Octans mit 3,09 multiplizieren um die Masse des Kohlenstoffdioxids zu erhalten.

Dichte von Octan : 0,7 g/cm³

ρ = m / V ⇒ V ⋅ ρ = m

1000ml ⋅ 0,7 g/ml = 700g

Ein Liter Octan wiegt 700g.

700g (𝐶₈𝐻₁₈) ⇒ 700 ∗ 3,09 g (CO₂)

700g (𝐶₈𝐻₁₈) ⇒ 2163g (CO₂)

Wird ein Liter Benzin verbrannt, entsteht dabei 2,136 kg CO₂. Das oben abgebildete Auto hat einen ungefähren Verbrauch von ca. 7 Liter pro 100km, somit entstehen bei einer 100 km langen Strecke bei diesem Auto ca. 15,141 kg Kohlenstoffdioxid.

[da ein Liter 700g entsprechen und zu 2163g CO₂ reagieren, haben wir bei 7 Litern auch die siebenfache CO₂ - Emission ⇒ 7 ⋅ 2163g = 15141g]

Dieses Schema lässt sich auch analog für andere Treibstoffe anwenden wie z.B. Diesel, Kerosin oder Erdgas. Mit dem Aufstellen der Reaktionsgleichung, können wir bestimmen wie viel CO₂ bei der Verbrennung eines bestimmten Alkans entstehen und bekommen damit ein Gefühl dafür, wie viel Emissionen in unserem täglichen Leben und in der Industrie wirklich entstehen.

Hättet ihr gewusst, dass ein verbrannter Liter E95 ganze 2 kg CO₂ in unsere Atmosphäre ausstößt?