Alkane sind wichtige Energielieferanten

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79. Alkane sind wichtige Energielieferanten

Begriff

Als Alkane (Grenzkohlenwasserstoffe, früher Paraffine) bezeichnet man in der organischen Chemie eine Stoffgruppe von gesättigten, acyclischen Kohlenwasserstoffen, die ausschließlich aus den beiden Elementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen. Für Alkane gilt die allgemeine SummenformelCnH2n+2 mit n = 1, 2, 3, . . .

Das Grundgerüst der Alkane kann aus unverzweigten (linearen) wie aus verzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Die unverzweigten Verbindungen werden als n-Alkane bezeichnet und bilden eine homologe Reihe der Alkane. Die verzweigten Alkane werden Isoalkane (i-Alkane) genannt.


Brennbarkeit

 
Entzünde 2 ml Hexan in einem Eisentiegel mit einem langen Glimmspan und halte ein trockenes Becherglas über die Flamme.
 
Befestige einen Trichter über einer Hexanflamme. Die Verbrennungsgase werden durch Kalkwasser gesaugt. Was beobachtest und folgerst du?
Luftverkehr - Mitverursacher der Luftverschmutzung
7.2 Luft- und Straßenverkehr - Mitverursacher der Luftverschmutzung
Strasse - Stau

Alle Alkane sind in Form von Erdgas, Kraftstoffen und Heizölen zur Zeit noch die bedeutendsten Energielieferanten. Alle Alkane reagieren mit Sauerstoff, sind also brennbar aber nicht brandfördernd; ihr Flammpunkt steigt allerdings mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome. Im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoffen wie Alkenen und Alkinen reagieren sie unter Freisetzung der meisten Energie. Zwar setzt eine Doppel- oder Dreifachbindung mehr Energie frei als eine Einfachbindung, allerdings wird dies durch die höhere Zahl an oxidierbaren Wasserstoffatomen im Molekül (6 bei Ethan, 4 bei Ethen und 2 bei Ethin) überkompensiert. Die Standardverbrennungsenthalpien liegen in etwa bei folgenden Werten:

  • Ethan: −372,80 kcal/mol
  • Ethen: −337,22 kcal/mol
  • Ethin: −310,60 kcal/mol

Somit wird bei der Verbrennung des Ethans die meiste Energie freigesetzt (negative Enthalpie). Alkane verbrennen bei ausreichender Sauerstoffzufuhr mit schwach leuchtender, nicht rußender Flamme.

Chemisch ist die Reaktion mit Sauerstoff eine Redoxreaktion, bei der die Alkane oxidiert und der Sauerstoff reduziert werden. Bei vollständiger Verbrennung reagiert der Kohlenstoff zu Kohlendioxid (Oxidationszahl +IV) und der Wasserstoff zu Wasser, das in Form von Wasserdampf freigesetzt wird:


$\mathrm {C_6H_{14} + 9 \frac {1}{2} \ O_2 \ \longrightarrow \ 6 \ CO_2 + 7 \ H_2O + 4150,6 \ kJ} $


Da aufgrund des Molekülbaus des Hexans sechs Mol Kohlendioxid und sieben Mol Wasser entstehen, sind zur vollständigen Verbrennung 9,5 Mol Sauerstoff nötig (Versuch 2 ). Wenn diese Menge Sauerstoff nicht zur Verfügung steht, laufen unvollständige Oxidationen unter Bildung von Kohlenstoffmonoxid ab:


$ \mathrm {C_6H_{14} + 6 \frac {1}{2} \ O_2 \ \longrightarrow \ 6 \ CO + 7 \ H_2O + 2452 \ kJ} $


Teilweise bildet sich sogar elementarer Kohlenstoff, der in Form von Ruß in Erscheinung tritt. Die zweite Gleichung zeigt, dass die frei werdende Energie gegenüber der vollkommenen Oxidation (erste Gleichung) um 1698,6 kJ geringer ist. Diese Energie würde bei der Verbrennung von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid noch frei. Solche unvollständigen Verbrennungsvorgänge sind unter dem Gesichtspunkt der bestmöglichen Energieausnutzung unwirtschaftlich.

Höhere Alkane verbrennen an der Luft mit zunehmend gelber Flammenfarbe und mit der Bildung von Ruß. Zu erklären ist dies folgendermaßen: Einerseits kommt es unter der Hitzeeinwirkung zur Zersetzung des Kohlenstoffgerüsts, andererseits genügt der Luftsauersoff nicht für eine vollständige Verbrennung und glühende Kohlenstoffteilchen färben die Flamme dann gelb.


Vorteile der Alkane gegenüber anderen Brennstoffen


 
Vollkommene Verbrennung von Alkanen führt zu CO2 und H2O. Bei der unvollkommenen Verbrennung entstehen CO, H2O und Ruß
 
Der Heizwert der Alkane ist sehr groß
 
Halte eine Kerzenflamme in eine Abdampfschale und beschreibe deine Beobachtung.

Die Alkane zeichnen sich von allen Brennstoffen durch die höchsten Heizwerte pro Gewichtseinheit aus (Tabelle unten). Durch die hohe Dichte von flüssigen Alkanen können beispielsweise pro m3 um 100 kg mehr Heizöl als Steinkohle gelagert werden. Aus dem höherem Heizwert und der größeren Lagermenge kann man für Heizöl gegenüber Kohle von einem Gesamtvorteil von annähernd 60% an Wärmeleistung ausgehen.

Der Flammpunkt für Benzine, die meist aus Alkanen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen bestehen, liegt im Bereich von –25 bis –55 °C. Trotzdem muß man auch Benzin wegen seines trägen Reaktionsverhaltens und seiner hohen Entzündungstemperatur sicher lagern.

Wo Methan in Form von Erdgas andere Wärmelieferanten ersetzen konnte, fiel der Schwefeldioxidgehalt in der Luft erheblich.

Heizwerte verschiedener Brennstoffe
Brennstoff Heizwert
Holz (1kg) bis 12500 kJ
Anthrazit (1kg) bis 38000 kJ
Erdgas (1m3) bis 38000 kJ
Benzin (1kg) bis 48000 kJ
Heizöl (1kg) bis 42000 kJ

Verwendung und Weiterverarbeitung

Alkane sind zum einen bedeutende Grundstoffe der chemischen Industrie, wo sie zum Beispiel zu Kunststoffen weiterverarbeitet werden, zum anderen die wichtigsten Brennstoffe der Weltwirtschaft.

Ausgangspunkt der Verarbeitung sind immer Erdgas und Erdöl. Letzteres wird in der Erdölraffinerie durch fraktionierte Destillation aufgetrennt und dann zu vielen weiteren wichtigen Produkten wie zum Beispiel Benzin weiterverarbeitet. Dazu wird ausgenutzt, dass unterschiedliche „Fraktionen“ des Rohöls unterschiedliche Siedepunkte besitzen und so leicht voneinander getrennt werden können. Innerhalb der einzelnen Fraktionen liegen die Siedepunkte dagegen eng beieinander.

Das jeweilige Einsatzgebiet eines bestimmten Alkans lässt sich recht gut nach der Zahl der enthaltenen Kohlenstoffatome einteilen, obwohl die folgende Abgrenzung idealisiert ist und nicht streng gilt:

Feuerzeuge sind mit Butan gefüllt
 
Für die vollkommene und unvollkommene Verbrennung von Propan, Butan, Pentan und Heptan sollen die Reaktionsgleichungen aufgestellt werden.
  • Die ersten vier Alkane werden hauptsächlich für Heiz- und Kochzwecke verwendet. Methan und Ethan sind die Hauptbestandteile von Erdgas; sie werden normalerweise unter Druck in gasförmigem Zustand gelagert.
  • Propan und Butan lassen sich dagegen schon durch niedrigen Druck verflüssigen und kommen daher im Flüssiggas vor, das als Kraftstoff benutzt wird – als Autogas in Verbrennungsmotoren und in der Landwirtschaft beim Antrieb von Traktoren. Propan kommt zum Beispiel im Propangasbrenner, Butan in Feuerzeugen zum Einsatz.
  • Pentan bis Octan sind leicht flüchtige Flüssigkeiten und daher als Brennstoff in gewöhnlichen Verbrennungsmotoren unbrauchbar, da sie beim Eintritt in die Verbrennungskammer leicht in den gasförmigen Zustand übergehen und dort keine Tröpfchen bilden, was die Gleichmäßigkeit der Verbrennung beeinträchtigen würde.
  • Alkane von Nonan bis etwa zum Hexadecan, einem Alkan mit sechzehn Kohlenstoffatomen, sind Flüssigkeiten von höherer Viskosität, sind also zähflüssiger und eignen sich daher mit zunehmender Kohlenstoffzahl immer schlechter für den Einsatz in gewöhnlichem Benzin. Sie bilden stattdessen den Hauptbestandteil von Dieselkraftstoff und Flugbenzin.
  • Alkane vom Hexadecan aufwärts bilden die wichtigsten Bestandteile von Heizöl und Schmieröl. In Letzterer Funktion wirken sie gleichzeitig als Antikorrosionsmittel, da durch ihre hydrophobe Art kein Wasser an die korrosionsgefährdeten Teile gelangen kann.
  • Alkane mit einer Kettenlänge von etwa 35 oder mehr Kohlenstoffatomen finden sich in Asphalt, werden also unter anderem als Straßenbelag eingesetzt. Insgesamt haben die höheren Alkane allerdings wenig Bedeutung und werden deshalb meist durch Cracken in niedere Alkane zerlegt.