Luft und Verbrennung

Luft: Ein Gasgemisch Zusammensetzung der Luft

Luft ist ein Gasgemisch. Trockene Luft setzt sich folgendermaßen zusammen:

Komponente Anteil am Volumen in %

Stickstoff, N2 78%

Sauerstoff, O2 21%

Argon, Ar 1%

Kohlendioxid, CO2 0,04%

Aufgrund von Rundungsfehlern ergeben sich etwas mehr als 100%

Tabelle 6: Zusammensetzung von Luft

Luft enthält Wasserdampf in veränderlichen Anteilen, außerdem eine Vielzahl weiterer Stoffe, deren Anteile aber zusammen nur etwa 0,003% ausmachen.

Der Anteil von Wasserdampf ist mit bis zu 3% am höchsten in geringer Höhe über dem tropischen Ozean. In anderen Regionen, insbesondere aber auch in einigen Kilometern Höhe, kann der

Wasseranteil unter 0,01% liegen.

20 Der Autor muss allerdings gestehen, den Versuch nicht durchgeführt zu haben. Mehr als fünffacher

Atmosphärendruck und tiefe Temperaturen sprechen gegen eine einfache Durchführung mit Kohlendioxid. Da das Verhalten aber der Normalfall ist, kann man es auch bei anderen Stoffen finden. Gibt man beim Pommes-Frites-Machen in geschmolzenes Bratfett ein Stück festes Bratfett, so geht dieses unter.

Abbildung 10: Phasendiagramme

T/K p/MPa

0,1 0,5

217 67

298 gasförmig flüssig

fest

p/MPa

0,1

T fest

flüssig

gasförmig

Verbrennung

Stickstoff, Argon und Kohlendioxid sind reaktionsträge Stoffe. Sauerstoff dagegen ist sehr

reaktionsfähig. Reaktionen „mit Luft“, z.B. Verbrennungen, sind daher fast immer Reaktionen mit Sauerstoff.

Bei der vollständigen Verbrennung, d.h. bei einer Verbrennung, bei der Sauerstoff im Überschuss vorliegt, reagieren

• Kohlenstoff, dem Hauptbestandteil von Kohle, zu Kohlendioxid:

C + O2 → CO2

• Kohlenwasserstoffe, also Verbindungen zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff, zu Kohlendioxid und Wasser:

4 CmHn + (4m +n) O2 → 4m CO2 + 2n H2O

Kohlenwasserstoffe spielen eine große Rolle als Energieträger, z.B. besteht Erdgas zum

überwiegenden Teil aus Methan, CH4. Propan, C3H8, und Butan C4H10 werden in Feuerzeugen und Gaskartuschen verwendet. Benzin ist ein kompliziertes Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe.

Das bei der Verbrennung entstehende Wasser tritt bei den hohen Temperaturen meistens gasförmig auf.

Kontrollfragen:

Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die vollständige Verbrennung von Methan, Propan und Butan. Geben Sie jeweils die Gleichung mit den kleinsten, ganzzahligen stöchiometrischen Faktoren an.

Tiere, z.B. auch Vertreter der Gattung Homo Sapiens (d.h. Menschen), gewinnen die Energie zum Leben durch Verbrennen von verspeister Nahrung mit eingeatmetem Sauerstoff. Mit Hilfe von Enzymen gelingt es dem Körper, diese Verbrennung bei relativ niedrigen Temperaturen

durchzuführen. Die Nahrung besteht aus Verbindungen von Kohlenstoff und Wasserstoff, außerdem von weiteren Elementen, die aber keine oder nur untergeordnete Bedeutung als Energieträger haben, z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und viele andere. Abfallprodukte sind vor allem Kohlendioxid und Wasser, die unter anderem beim Ausatmen ausgeschieden werden. Das entstandene

Kohlendioxid wird durch Pflanzen aufgenommen und mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts in Pflanzengewebe umgewandelt, das z.T. wieder als Nahrung für Tiere dienen kann.

Exkurs: Kohlenstoffkreislauf und Treibhauseffekt

Die Produktion von Kohlendioxid durch Tiere, zum Teil auch durch niedere Lebewesen wie Bakterien bei der Verrottung²¹, hält sich ohne menschlichen Einfluss in etwa die Waage mit der Aufnahme von Kohlendioxid durch das Pflanzenwachstum. Dieser Kreislauf ist gestört durch das zusätzliche Kohlendioxid, das durch Verbrennen von fossilen Brennstoffen, also beispielsweise Kohle, Erdöl und Erdgas, durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre

abgegeben wird. Da Kohlendioxid relativ gut in Wasser gelöst werden kann, wird dieses zusätzliche Kohlendioxid vor allem durch die Meere aufgenommen. Ein kleiner Teil erhöht die Konzentration dieses Gases in der Atmosphäre. Der in der Tabelle 14 genannte Anteil des Kohlenstoffdioxids am Volumen der Luft von 0,04% gibt in etwa den Stand des Jahres 2014 an. Vorindustriell, das heißt um 1800, betrug der Anteil lediglich 0,028%.

Kohlendioxid ist ein farbloses Gas, das heißt, es lässt sichtbares Licht von der Sonne ungehindert passieren. Im infraroten Teil des Lichtspektrums absorbiert es aber Strahlung. So wird beispielsweise Wärmestrahlung von der Erde zurückgehalten. Ohne diesen Treibhauseffekt, wäre die durchschnittliche Temperatur auf der Erde –15°C statt wie tatsächlich +15°C. Leben in der uns bekannten Form wäre kaum möglich. Für diesen natürlichen Treibhauseffekt ist neben Kohlendioxid vor allem Wasserdampf verantwortlich.

Durch die Erhöhung der Konzentration von Kohlendioxid in der Luft durch menschliche Aktivitäten wird der natürliche Treibhauseffekt durch den anthropogenen²² Teibhauseffekt verstärkt. Der dadurch zu erwartende Temperaturanstieg könnte die Niederschlagsverteilung (Regen etc.) verändern und dadurch Bedingungen für 21 die Verrottung: Vorgang, dem z.B. eine Bananenschale unterliegt, die man 1 Jahr im Garten liegen lässt 22 anthropogen: vom Menschen verursacht

Landwirtschaft in vielen Teilen der Erde verschlechtern. Außerdem könnte der Meeresspiegel ansteigen, da das wärmere Wasser etwas mehr Raum beansprucht²³. Dadurch könnten tief liegende Teile der Erde überflutet werden.

Auch Metalle können brennen. Sehr gut brennen z.B. Natrium und Magnesium. Auch Pulver von Aluminium oder Eisen brennt gut. Größere Stücke von Aluminium lassen sich nur schwer

verbrennen, noch schwieriger ist dies bei Eisen.

Kontrollfrage:

Warum brennt Pulver besser als ein großes Stück eines Brennstoffs?

Brandschutz

Zum Löschen eines Brandes kann man 1. dem Feuer den Brennstoff entziehen 2. den Sauerstoff entziehen

3. den Brandherd abkühlen, bis die Reaktion zum Erliegen kommt.

Das zweite Prinzip findet z.B. Anwendung bei Feuerlöschern mit Kohlendioxid, Schaum oder Pulver. Das wichtigste Löschmittel ist Wasser. Dabei findet das zweite und dritte Prinzip Anwendung.

Nicht alle Brände können mit Wasser gelöscht werden. Mit Wasser kann man keinen Metallbrand löschen, da das brennende Metall statt mit Sauerstoff mit Wasser weiter reagieren kann. Nicht mit Wasser löschbar sind auch brennende Flüssigkeiten, die nicht in Wasser löslich sind und eine kleinere Dichte haben als Wasser. Sie schwimmen oben und brennen dort weiter. Das betrifft beispielsweise Benzin oder auch Speiseöl auf dem Herd.

Ob brennbare Flüssigkeiten mit Wasser gelöscht werden können oder nicht, ist auf den jeweiligen Flaschen vermerkt. VbF A: Verordnung brennbare Flüssigkeiten Gefahrenklasse A: nicht mit Wasser löschbar. VbF B: Verordnung brennbare Flüssigkeiten Gefahrenklasse B: mit Wasser löschbar.

Kontrollfrage:

Kann man brennenden Spiritus (besteht hauptsächlich aus Ethanol, d.h. „Alkohol“) mit Wasser löschen? Beantworten Sie die Frage, indem Sie das oben gesagte anwenden. Überprüfen Sie dann Ihr Ergebnis, indem Sie auf einer Spiritusflasche nachschauen, ob Spiritus zur Gefahrenklasse A oder B gemäß der VbF gehört.

Beispielaufgabe

Hier eine typische Aufgabe zu den Themen Stöchiometrie, Gasgesetze, Luft und Verbrennung:

1,24 g einer Verbindung nehmen bei  = 200°C und p = 1013 hPa ein Volumen von V = 776 mL ein. Die Verbindung ist bei diesen Bedingungen gasförmig. Die Verbindung ist aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufgebaut. Verbrennt man 1,24 g dieser Verbindung, dann erhält man 1,76 g Kohlendioxid und 1,08 g Wasser.

a) Welches Volumen Luft bei Standardbedingungen benötigt man?

b) Wie lautet die Verhältnisformel der Verbindung?

c) Wie lautet die Molekülformel der Verbindung?

23 Die oft gehörte Behauptung, der Meeresspiegel würde zusätzlich steigen, weil die Eismassen der Erde abschmelzen, ist umstritten.

a)Da nur Sauerstoff reagiert und Sauerstoff nur 21% des Volumens der Luft ausmacht gilt VLuft=100

21 VO₂ . Für das Volumen des Sauerstoffs gilt VO₂=nO₂RT

p . Die Stoffmenge des Sauerstoffs kann man gemäß nO2=mO₂

MO₂ berechnen. Die Masse des Sauerstoffs ergibt sich aus dem Gesetz von der Erhaltung der Masse. Insgesamt erhält man

VLuft=100 21

mO₂ MO₂RT

p =100

21

1,76 g1,08 g−1,24 g

32 g mol

⋅8,31Pa⋅m³

mol⋅K⋅298 K

1013⋅10²Pa =5,82⋅10⁻³m³=5,82 L b) CiHjOk + (i + j/4–k/2) O2 → i CO2 + j/2 H2O

nCO₂=mCO₂

MCO2= 1,76 g 44 g

mol

=0,04 mol nH₂O=mH₂O

MH2O= 1,08 g 18 g

mol

=0,06 mol

nO₂=mO₂

MO2=1,76 g1,08 g−1,24 g 32 g

mol

=0,05 mol

Man erhält CiHjOk + 5 O2 → 4 CO2 + 6 H2O. Für die Verbindung ergibt sich somit C4H12O4. Nach

„kürzen“ erhält man die Verhältnisformel CH3O.

c) Zu finden ist die molare Masse der unbekannten Verbindung.

MC_nH_3nO_n=m

n=mRT pV =

1,24 g⋅8,31Pa⋅m³

mol⋅K⋅473 K

1013⋅10²Pa⋅776⋅10⁻⁶m³=62 g mol

Daraus ergibt sich n = 2 und damit die Molekülformel C2H6O2.

Im Dokument Grundlagen der Chemie (Seite 33-37)