Cracken von Kohlenwasserstoffen einfach erklärt: Grundlagen

Stell dir vor, du hast eine riesige Kiste voller langer Lego-Bausteine, aber um Autos zu bauen, brauchst du dringend kleine Räder und kurze Achsen. Ähnlich geht es der Industrie beim Cracken von Kohlenwasserstoffen! Das natürliche Erdöl enthält sehr viele lange, schwere Moleküle, aber wir Menschen brauchen für unsere Autos hauptsächlich Benzin, welches aus kurzen Molekülen besteht.

Um dieses Problem zu lösen, wendet die Chemie einen genialen Trick an: Das sogenannte „Cracken“ (vom englischen Wort für „knacken“ oder „spalten“). In diesem Artikel lernst du, wie riesige Moleküle in nützliche, kleine Stücke zerbrochen werden und wie man diesen Vorgang in der chemischen Sprache aufschreibt.

Vorwissen

• Alkane und Alkene: Kohlenwasserstoffe bestehen aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Alkane haben nur Einfachbindungen (z. B. $\text{C}_2\text{H}_6$), Alkene haben mindestens eine Doppelbindung (z. B. $\text{C}_2\text{H}_4$). Beispiel: Ethan ($\text{C}_2\text{H}_6$) ist ein Alkan, Ethen ($\text{C}_2\text{H}_4$) ist ein Alken.
• Gesetz von der Erhaltung der Masse: Bei einer chemischen Reaktion gehen keine Atome verloren und es entstehen keine neuen. Beispiel: Wenn auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung 10 Kohlenstoffatome stehen, müssen auf der rechten Seite insgesamt auch genau 10 Kohlenstoffatome sein.

Aufgabentyp 1: Reaktionsgleichungen für das Cracken aufstellen

Der natürliche Anteil an Benzin und Diesel im Erdöl reicht bei weitem nicht aus, um den weltweiten Bedarf zu decken. Gleichzeitig gibt es einen Überschuss an schweren, zähflüssigen Ölen, die aus sehr langkettigen Kohlenwasserstoffen bestehen. Die Lösung ist das Cracken: Ein industrielles Verfahren, bei dem diese großen Moleküle in kleinere, wertvollere Moleküle gespalten werden.

Damit diese stabilen Ketten brechen, benötigt man extreme Bedingungen: Hohen Druck und hohe Temperaturen. Zusätzlich wird ein Katalysator eingesetzt. Ein Katalysator ist ein Hilfsstoff, der die Reaktion beschleunigt und bei niedrigeren Temperaturen ablaufen lässt. Moderne Katalysatoren sind oft feine Pulver, die sich wie eine Flüssigkeit durch die Anlage bewegen.

Bei diesem Prozess gibt es jedoch ein Problem: Es entsteht Ruß (reiner Kohlenstoff) als Nebenprodukt. Dieser Ruß lagert sich auf dem Katalysator ab und macht ihn unbrauchbar. Daher muss der Katalysator kontinuierlich regeneriert (erneuert) werden, indem man den abgelagerten Kohlenstoff einfach abbrennt. Die kleinen Moleküle, die beim Cracken entstehen, sind nicht nur als Kraftstoff wichtig, sondern auch unverzichtbare Bausteine für die Herstellung von Kunststoffen oder Medikamenten.

Wenn wir ein langes Molekül in zwei kürzere Stücke zerbrechen, müssen wir genau mitzählen. Das Gesetz von der Erhaltung der Masse gilt hier streng: Die Anzahl der Kohlenstoffatome (C) und der Wasserstoffatome (H) muss vor und nach dem Cracken exakt gleich sein.

Wenn ein langes Alkan gespalten wird, entsteht ein Problem: Es gibt nicht genug Wasserstoffatome, um zwei neue, vollständige Alkane zu bilden. Deshalb entsteht beim Cracken immer mindestens ein Alken (ein Molekül mit einer Doppelbindung).

Wenn wir zum Beispiel ein Molekül mit 10 C-Atomen spalten und eines der Produkte 4 C-Atome hat, muss das andere Produkt zwingend die restlichen 6 C-Atome besitzen. Das Gleiche gilt für den Wasserstoff. So wird das Aufstellen der Reaktionsgleichung zu einer einfachen Plus- und Minus-Rechnung.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Ausgangsstoff notieren: Schreibe die Summenformel des großen, langkettigen Moleküls auf die linke Seite des Reaktionspfeils ($\to$).
2. Bekannte Produkte notieren: Schreibe die Summenformel des bekannten Crackprodukts auf die rechte Seite.
3. Fehlende Atome berechnen: Subtrahiere die Anzahl der C- und H-Atome des Produkts von den Atomen des Ausgangsstoffes.
4. Restliches Molekül formulieren: Setze die berechneten restlichen C- und H-Atome zu einem neuen Molekül zusammen und vervollständige die Gleichung.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Wirtschaftlicher Zweck: Cracken wandelt überschüssige, lange Kohlenwasserstoffe in stark nachgefragte, kurze Moleküle (wie Benzin) um.
• Bedingungen: Der Prozess benötigt Hitze, Druck und einen Katalysator.
• Katalysator-Regeneration: Der als Nebenprodukt entstehende Ruß muss regelmäßig vom Katalysator abgebrannt werden.
• Reaktionsgleichungen: Die Anzahl der C- und H-Atome muss auf beiden Seiten der Gleichung exakt gleich sein (Massenerhaltung).