Aufgabenblock — AFB III
Begründen statt nur rechnen: Experimente planen, Daten beurteilen, Behauptungen überprüfen und eigene Begründungssätze formulieren, bevor du die Musterlösung aufklappst.
Beurteile in 4–6 Sätzen die Aussage „Strom aus Biogas ist vollständig klimaneutral“.
Hinweis: Verfolge den Weg eines Kohlenstoff-Atoms vom Maisfeld bis zum Schornstein — und denke an alles, was dabei zusätzlich Energie kostet oder entweicht.
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Musterlösung: Beim Verbrennen von Biogas entsteht zwar CO₂, sein Kohlenstoff wurde aber erst kurz zuvor von den Pflanzen aus der Luft aufgenommen; über den Kreislauf gesehen bleibt die CO₂-Menge der Atmosphäre daher etwa gleich. Anders als bei Erdgas wird kein seit Jahrmillionen gebundener Kohlenstoff freigesetzt. Vollständig klimaneutral ist Biogas trotzdem nicht: Anbau, Düngerherstellung, Ernte und Transport verbrauchen meist fossile Energie. Außerdem kann Methan aus undichten Anlagen entweichen, und Methan ist ein deutlich stärkeres Treibhausgas als CO₂. Die Aussage ist also zu pauschal — richtig wäre „Biogas ist deutlich klimafreundlicher als Erdgas, aber nicht vollständig klimaneutral“.
Begründe mithilfe der zwischenmolekularen Wechselwirkungen, warum im Destillationsturm Gase oben und Dieselöl weiter unten abgezogen werden.
Hinweis: Die Temperatur nimmt im Turm nach oben ab. Welche Moleküle kondensieren schon früh, welche kommen bis ganz nach oben?
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Musterlösung: Rohöl wird unten im Turm verdampft; nach oben hin wird es immer kühler. Die Alkanmoleküle werden nur durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, und diese sind umso stärker, je länger die Kette ist, weil die Moleküle eine größere Oberfläche und mehr Elektronen haben. Langkettige Moleküle wie im Dieselöl (etwa C₁₄–C₂₀) haben daher hohe Siedetemperaturen und kondensieren schon auf den unteren, heißen Böden. Kurzkettige Moleküle (C₁–C₄) haben sehr schwache Kräfte und so niedrige Siedetemperaturen, dass sie selbst oben im Turm nicht kondensieren und als Gas abgezogen werden.
Begründe, warum der Rückstand der ersten Destillation nicht einfach stärker erhitzt, sondern bei vermindertem Druck weiter destilliert wird.
Hinweis: Was passiert mit sehr langen Alkanmolekülen bei über 400 °C? Und wie hängt die Siedetemperatur vom Umgebungsdruck ab?
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Musterlösung: Der Rückstand enthält sehr langkettige Alkane, deren Siedetemperaturen bei Normaldruck oberhalb von etwa 350 °C liegen. Würde man ihn stärker erhitzen, brächen die langen Moleküle teilweise auseinander, bevor sie sieden — sie würden unkontrolliert zersetzt statt getrennt. Bei vermindertem Druck sinken die Siedetemperaturen aller Stoffe deutlich. Deshalb lassen sich Schmieröle und schweres Heizöl im Vakuum bei niedrigeren Temperaturen verdampfen und abtrennen, ohne dass sich die Moleküle zersetzen; übrig bleibt Bitumen.