Kohlenwasserstoffe und Analysemethoden einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, wie aus einer klebrigen, schwarzen Pfütze aus Rohöl das klare Benzin für Autos oder das Plastik für dein Smartphone wird? Das Geheimnis liegt im Sortieren und Zerkleinern!

In dieser Lektion lernen wir, wie Chemiker das Erdöl in seine nützlichen Bestandteile auftrennen und wie sie riesige Moleküle in kleine, handliche Stücke zerbrechen. Außerdem schauen wir uns einen genialen Apparat an, der unsichtbare Gasgemische in ihre Einzelteile zerlegt, um genau zu verraten, was darin steckt.

Vorwissen

• Siedepunkt und Kettenlänge: Je länger die Kohlenstoffkette eines Moleküls ist, desto höher ist sein Siedepunkt.

  Beispiel: Kurzes Methan ($\text{CH}_4$) ist bei Raumtemperatur ein Gas, längeres Octan ($\text{C}_8\text{H}_{18}$) ist flüssig.

• Alkane und Alkene: Alkane haben nur Einfachbindungen, Alkene besitzen mindestens eine Doppelbindung und sind dadurch reaktionsfreudiger.

  Beispiel: Ethan ($\text{C}_2\text{H}_6$) ist ein reaktionsträges Alkan, Ethen ($\text{C}_2\text{H}_4$) ist ein reaktionsfreudiges Alken.

Aufgabentyp 1: Verarbeitung von Erdöl zu Kohlenwasserstoffen

Erdöl ist ein riesiges Gemisch aus unzähligen Kohlenwasserstoffen. Um es nutzbar zu machen, muss es zuerst sortiert werden. Das passiert in einer Raffinerie durch die fraktionierte Destillation.

Das Erdöl wird stark erhitzt, bis es verdampft, und in einen riesigen Turm geleitet. Dieser Turm ist unten sehr heiß und wird nach oben hin immer kühler. Die Moleküle steigen als Gas auf. Sobald es für ein Molekül zu kühl wird, wird es wieder flüssig (es kondensiert) und wird aufgefangen.

• Lange, schwere Moleküle haben einen hohen Siedepunkt. Sie kondensieren schon ganz unten, wo es noch heiß ist.

• Kurze, leichte Moleküle haben einen niedrigen Siedepunkt. Sie steigen bis ganz nach oben auf.

Oft brauchen wir viel mehr von den kurzen Molekülen (wie Benzin) als im Erdöl vorhanden sind. Die langen, zähen Moleküle sind weniger gefragt. Hier kommt das Cracken ins Spiel. Beim Cracken werden lange Kohlenwasserstoffketten durch große Hitze in kürzere Alkane und Alkene "zerbrochen".

Die neu entstandenen Alkene sind extrem wichtig. Weil sie reaktionsfreudig sind, nutzt man sie als Bausteine für organische Synthesen (zum Beispiel um Kunststoffe herzustellen). Wenn man sie stattdessen als normalen Kraftstoff nutzen möchte, kann man sie auch mit Wasserstoff reagieren lassen (Hydrierung), um sie in normale Alkane zu verwandeln.

Aufgabentyp 2: Grundlagen der Gaschromatographie

Manchmal haben Chemiker ein Gemisch aus Gasen, leicht verdampfbaren Flüssigkeiten oder sogar Feststoffen und müssen ganz genau wissen: Welche Stoffe sind darin? und Wie viel von jedem Stoff ist enthalten? Dafür nutzen sie die Gaschromatographie.

Stell dir vor, du lässt eine Gruppe von Menschen durch einen langen, engen Flur mit vielen Hindernissen rennen. Die Sportlichen sind schnell durch, die anderen brauchen länger. Genau das macht der Gaschromatograph mit Molekülen.

Das Gemisch wird in ein langes, dünnes Rohr (die Trennsäule) gespritzt und von einem Trägergas hindurchgepustet. Die verschiedenen Reinstoffe im Gemisch wandern unterschiedlich schnell durch dieses Rohr. Am Ende des Rohrs sitzt ein Detektor, der jeden Stoff registriert, sobald er ankommt.

Das Ergebnis wird als Diagramm ausgedruckt, das Gaschromatogramm. Es zeigt eine flache Linie mit mehreren "Bergen", die man Peaks nennt.

• Identifizierung (Welcher Stoff?): Die Zeit, die ein Stoff braucht, um durch das Rohr zu wandern (Retentionszeit), ist für jeden Stoff typisch. Die Position des Peaks auf der Zeitachse verrät uns also, um welchen Reinstoff es sich handelt.

• Quantitative Zusammensetzung (Wie viel?): Die Fläche unter dem Peak zeigt an, wie viel von diesem Stoff im Gemisch war. Ein riesiger Berg bedeutet, dass sehr viel von diesem Stoff vorhanden ist.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Zähle die Anzahl der Peaks: Jeder Peak steht für einen eigenen Reinstoff im Gemisch.
2. Lies die Zeit auf der x-Achse ab: Vergleiche diese Zeit mit bekannten Werten, um herauszufinden, welcher Stoff es ist.
3. Betrachte die Fläche der Peaks: Der Peak mit der größten Fläche gehört zu dem Stoff mit dem größten Anteil.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Ein unbekanntes Gasgemisch wird in einen Gaschromatographen gespritzt. Das ausgedruckte Gaschromatogramm zeigt genau drei Peaks:

Peak A erscheint nach $2 \text{ Minuten}$ und hat eine kleine Fläche.

Peak B erscheint nach $5 \text{ Minuten}$ und hat eine sehr große Fläche.

Peak C erscheint nach $8 \text{ Minuten}$ und hat eine mittelgroße Fläche.

Bestimme, aus wie vielen Reinstoffen das Gemisch besteht. Finde heraus, welcher Stoff am schnellsten durch die Säule gewandert ist und welcher Stoff den größten Anteil im Gemisch ausmacht.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Anzahl der Stoffe bestimmen

   Das Diagramm zeigt genau drei Peaks (A, B und C). Das Gemisch besteht also aus drei verschiedenen Reinstoffen.

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   Schritt 2
   Stoffe identifizieren

   Wir schauen auf die Zeiten: Peak A erscheint bereits nach $2 \text{ Minuten}$. Stoff A ist am schnellsten durch die Trennsäule gewandert.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Mengen vergleichen

   Wir vergleichen die Flächen der Peaks. Peak B hat die größte Fläche. Das bedeutet, Stoff B macht den größten Anteil im Gasgemisch aus.

Ergebnis:

Das Gemisch besteht aus drei Stoffen. Stoff A wandert am schnellsten durch die Säule und Stoff B hat den größten Anteil im Gemisch.

Wichtige Erkenntnisse

• Fraktionierte Destillation: Trennt das Erdöl-Gemisch anhand der unterschiedlichen Siedepunkte in Fraktionen auf.
• Cracken: Spaltet lange, schwere Kohlenwasserstoffe in nützliche kurze Alkane und reaktionsfreudige Alkene.
• Gaschromatographie: Trennt Gemische in Reinstoffe auf. Die Position des Peaks identifiziert den Stoff, die Fläche des Peaks zeigt seine Menge an.