Aufgabe II – Zukunft der Mobilität

In Deutschland sind derzeit etwa 50 Millionen Pkws zugelassen. Auch wenn ab dem Jahr 2035 in der EU voraussichtlich nur noch Pkw mit alternativen Antrieben neu zugelassen werden dürfen, wird es aufgrund des Altbestands weiterhin viele Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren geben, deren Abgase die Umwelt belasten.

Berechne das Volumen an Dodecan in Litern, das ein einzelnes Dieselfahrzeug maximal auf $Formula: 100\ \mathrm{km}$ $Formula: 100\ \mathrm{km}$ verbrauchen dürfte, um den gemittelten Grenzwert einzuhalten (M 1).

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Begründe unter Bezugnahme auf die Reaktionsgleichung das Vorzeichen von $Formula: \Delta S$ $Formula: \Delta S$ beim Boudouard-Gleichgewicht (M 2).

Berechne die Temperatur, ab der die Reaktion des Boudouard-Gleichgewichts freiwillig abläuft (M 2).

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Berechne Formula: K_c des Boudouard-Gleichgewichts bei $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ (M 2).

Leite aus Abbildung 1 ab, wie sich der Wert von Formula: K_c bei Temperaturerhöhung ändert (M 2).

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Skizziere ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Änderung der Stoffmengenanteile der gasförmigen Stoffe beim Boudouard-Gleichgewicht bei $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ bis zur Gleichgewichtseinstellung, ausgehend von reinem Kohlenstoffmonooxid, zeigt (M 2).

Kennzeichne in deiner Skizze den Bereich des chemischen Gleichgewichts und beschreibe diesen Zustand auf Stoffebene (M 2).

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Erkläre mithilfe des Prinzips von Le Chatelier die unterschiedlichen Anteile der ausgewählten Schadstoffe im Abgas beim Diesel- bzw. Benzinmotor (M 2, M 3, M 4).

5 BE

Vervollständige das Molekülorbitalschema (Abb. 2) für die Valenzelektronen (M 3).

Erkläre mithilfe des Molekülorbitalschemas die hohe Reaktivität des Stickstoffmonooxid-Moleküls (M 3).

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Beurteile den Beitrag der Energieträger Strom und HVO in Kraftfahrzeugen im Vergleich zu Dieselkraftstoffen hinsichtlich der Reduktion der Treibhausgas-Emissionen (M 5).

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Material 1: Kohlenstoffdioxid-Grenzwerte für Verbrennungsmotoren

In Verbrennungsmotoren von Dieselkraftfahrzeugen wird die chemische Energie aus dem Kraftstoff (vereinfacht Dodecan $Formula: \ce{C12H26},$ $Formula: \ce{C12H26},$ $Formula: M(\ce{C12H26}) = 170\ \mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1};$ $Formula: M(\ce{C12H26}) = 170\ \mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1};$ $Formula: \rho(\ce{C12H26}) = 753\ \mathrm{g}\cdot\mathrm{L}^{-1})$ $Formula: \rho(\ce{C12H26}) = 753\ \mathrm{g}\cdot\mathrm{L}^{-1})$ durch Verbrennung mit dem Sauerstoff der Luft in kinetische Energie und Wärme umgewandelt:

$Formula: \ce{2 C12H26 + 37 O2 \longrightarrow 24 CO2 + 26 H2O}$ $Formula: \ce{2 C12H26 + 37 O2 \longrightarrow 24 CO2 + 26 H2O}$

Das dabei gebildete Kohlenstoffdioxid trägt maßgeblich zum Treibhauseffekt bei. Zur Reduktion dieser Emissionen hat die Europäische Union jährlich sinkende Kohlenstoffdioxid-Grenzwerte für verkaufte Neuwagen festgelegt. Im Jahr 2025 beträgt der über alle Neufahrzeuge eines Herstellers gemittelte Grenzwert der Kohlenstoffdioxid-Emission $Formula: 94\ \tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{km}}.$ $Formula: 94\ \tfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{km}}.$

Material 2: Boudouard-Gleichgewicht

Neben Kohlenstoffdioxid entstehen in Verbrennungsmotoren bei unvollständiger Verbrennung aufgrund von lokalem Sauerstoffmangel auch das für den Menschen schädliche Kohlenstoffmonooxid sowie fester Kohlenstoff, der als Ruß über den Auspuff abgegeben wird.

Unter den dort vorherrschenden Temperaturen von ca. $Formula: 400\text{–}1\,300\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 400\text{–}1\,300\ ^{\circ}\mathrm{C}$ spielt das sogenannte Boudouard-Gleichgewicht eine Rolle. Es beschreibt die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und festem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonooxid:

$Formula: \ce{CO2_{\,(g)} + C_{(s)} <=> 2 CO_{(g)}} \qquad \Delta H = +172{,}5\;\mathrm{kJ} \qquad \Delta S = +177\;\mathrm{J}\cdot\mathrm{K}^{-1}$ $Formula: \ce{CO2_{\,(g)} + C_{(s)} <=> 2 CO_{(g)}} \qquad \Delta H = +172{,}5\;\mathrm{kJ} \qquad \Delta S = +177\;\mathrm{J}\cdot\mathrm{K}^{-1}$

$Formula: \ce{CO2_{\,(g)} + C_{(s)} <=> 2 CO_{(g)}}$ $Formula: \ce{CO2_{\,(g)} + C_{(s)} <=> 2 CO_{(g)}}$

$Formula: \Delta H = +172{,}5\;\mathrm{kJ}$ $Formula: \Delta H = +172{,}5\;\mathrm{kJ}$

$Formula: \Delta S = +177\;\mathrm{J}\cdot\mathrm{K}^{-1}$ $Formula: \Delta S = +177\;\mathrm{J}\cdot\mathrm{K}^{-1}$

Abbildung 1 zeigt die unterschiedlichen Stoffmengenanteile der gasförmigen Stoffe im Boudouard-Gleichgewicht bei unterschiedlichen Temperaturen.

Bei $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ konnten folgende Gleichgewichtskonzentrationen bestimmt werden:

$Formula: c(\ce{CO}) = 2{,}23\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1};\quad c(\ce{CO2}) = 11{,}73\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$ $Formula: c(\ce{CO}) = 2{,}23\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1};\quad c(\ce{CO2}) = 11{,}73\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$

$Formula: c(\ce{CO}) = 2{,}23\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$ $Formula: c(\ce{CO}) = 2{,}23\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$

$Formula: c(\ce{CO2}) = 11{,}73\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$ $Formula: c(\ce{CO2}) = 11{,}73\cdot 10^{-3}\;\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$

Diagramm: Stoffmengenanteile von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid in Abhängigkeit von der Temperatur.

Abbildung 1: Stoffmengenanteil von Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid im Boudouard-Gleichgewicht in Abhängigkeit von der Temperatur

Material 3: NO_x-Gleichgewichte

In Automotoren können bei hohen Temperaturen verschiedene Stickstoffoxide $Formula: (\ce{NO_{x}})$ $Formula: (\ce{NO_{x}})$ entstehen, die u. a. die Atemwege schädigen können. Für die Bildung der Stickstoffoxide im Brennraum sind folgende Gleichgewichtsreaktionen entscheidend:

$Formula: \ce{N2_{\,(g)} + O2_{\,(g)} <=> 2 NO_{(g)}}$ $Formula: \ce{N2_{\,(g)} + O2_{\,(g)} <=> 2 NO_{(g)}}$

$Formula: \ce{2 NO_{(g)} + O2_{\,(g)} <=> 2 NO2_{\,(g)}}$ $Formula: \ce{2 NO_{(g)} + O2_{\,(g)} <=> 2 NO2_{\,(g)}}$

Das durch Automotoren freigesetzte Stickstoffmonooxid ist sehr reaktiv. In Abbildung 2 ist ein Ausschnitt des Molekülorbitalschemas für das Stickstoffmonooxid-Molekül ohne Besetzung mit Elektronen dargestellt.

Energieniveauschema der Molekülorbitale von Stickstoff und Sauerstoff mit 2s- und 2p-Orbitalen in eV.

Abbildung 2: Ausschnitt des Molekülorbitalschemas für das Stickstoffmonooxid-Molekül ohne Besetzung mit Elektronen

Material 4: Vergleich von Benzin- und Dieselmotoren

Aufgrund unterschiedlicher Bedingungen im Verbrennungsraum unterscheiden sich die Abgase von Diesel- und Benzinmotoren. Tabelle 1 gibt einen Überblick über wesentliche Unterschiede der beiden Motortypen hinsichtlich der Reaktionsbedingungen sowie des Anteils ausgewählter Schadstoffe im Abgas beim Verlassen des Brennraums.

Tab. 1: Unterschiede zwischen Benzin- bzw. Dieselmotoren hinsichtlich Reaktionsbedingungen sowie ausgewählter Schadstoffe im Abgas beim Verlassen des Brennraums

	Benzin	Diesel
Druck im Brennraum	$Formula: 45\ \mathrm{bar}$ $Formula: 45\ \mathrm{bar}$	$Formula: 90\ \mathrm{bar}$ $Formula: 90\ \mathrm{bar}$
Temperatur im Brennraum	etwa $Formula: 2\,000\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 2\,000\ ^{\circ}\mathrm{C}$	etwa $Formula: 2\,000\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 2\,000\ ^{\circ}\mathrm{C}$
$Formula: \textbf{CO}$ $Formula: \textbf{CO}$ im Abgas	viel	wenig
Ruß im Abgas	wenig	viel
$Formula: \boldsymbol{\textbf{NO}_2}$ $Formula: \boldsymbol{\textbf{NO}_2}$ im Abgas	wenig	viel

Quellen:

Technologie – 4. Optimierter Energieeinsatz: Klassische Verbrennungsmotoren, Bayerischer Rundfunk. https://www.ardalpha.de/lernen/technik/faecher/informatik/technologie-04-energieeinsatz102.html

Prof. Blumes Medienangebote: Technische Chemie im und ums Auto. https://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/motorvgl.htm

Status quo von Energieerzeugung und -bedarf in Deutschland. https://www.forschungsinformationssystem.de/servlet/is/489614/

https://www.vdi.de/themen/mobilitaet/vdi-oekobilanz-fuer-pkw-antriebe

Material 5: Reduktion der Treibhausgas-Emissionen im Kraftfahrzeugbereich

Zur Erreichung der Klimaziele muss der Ausstoß an Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid in Zukunft deutlich reduziert werden. Faktoren, die im Kraftfahrzeugbereich dazu beitragen können, sind neben der Reduktion des Dieselverbrauchs die Nutzung von Elektromobilität, aber auch der Einsatz biologischer Kraftstoffe. Im Jahr 2024 wurde erstmals HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) als biologischer Dieselkraftstoff zugelassen (Abb. 3). Als Grundstoff für diesen Dieselkraftstoff werden gebrauchte Fette und Öle aus der Lebensmittelproduktion eingesetzt.

Im Jahr 2023 wurde der Pkw-Dieselverbrauch in Deutschland auf rund 14 Millionen Tonnen beziffert.

Balkendiagramm zur weltweiten Produktionskapazität für HVO von 2019 bis 2029, die deutlich ansteigt.

Abbildung 3: bisherige und geschätzte Produktionskapazität von HVO weltweit in Millionen Tonnen

In einer Studie wurden die Treibhausgas-Emissionen verschiedener Fahrzeugtypen untersucht. Abbildung 4 zeigt die Gesamttreibhausgas-Emissionen, die bei der Produktion und dem Betrieb eines Fahrzeugs entstehen. Die Werte sind in $Formula: \ce{CO2}\text{-}$ $Formula: \ce{CO2}\text{-}$ Äquivalenten angegeben, einer Maßeinheit, mit der die Klimawirkung verschiedener Treibhausgase in Relation zu Kohlenstoffdioxid angegeben wird.

Liniendiagramm zu Treibhausgasemissionen von Diesel-, HVO- und Elektrofahrzeugen in Abhängigkeit von der Laufleistung.

Abbildung 4: Treibhausgas-Emissionen für Produktion und Betrieb eines Fahrzeugs mit verschiedenen Energiequellen in Abhängigkeit von der Laufleistung

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Berechnung des Volumens an Dodecan $Formula: 9{,}4\ \text{kg}.$

$Formula: M(\ce{CO2})=44\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}};\;$ $Formula: M(\ce{CO2})=44\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}};\;$ $Formula: M(\ce{C12H26})=170\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}};\;$ $Formula: \rho(\ce{C12H26})=753\;\tfrac{\text{g}}{\text{L}}$ $Formula: \rho(\ce{C12H26})=753\;\tfrac{\text{g}}{\text{L}}$

Der vorgegebene CO₂-Grenzwert beträgt $Formula: 94\ \text{g}$ pro Kilometer. Für eine Fahrstrecke von $Formula: 100\ \text{km}$ beträgt der Grenzwert entsprechend $Formula: 9{,}4\ \text{kg}.$ Für die Stoffmenge des Kohlenstoffdioxids gilt:

$Formula: \begin{array}{rlll} n(\ce{CO2})&=&\dfrac{m(\ce{CO2})}{M(\ce{CO2})} \\[5pt] &=&\dfrac{9{,}4\cdot10^3\;\text{g}}{44\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&213{,}6\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} n(\ce{CO2})&=&\dfrac{m(\ce{CO2})}{M(\ce{CO2})} \\[5pt] &=&\dfrac{9{,}4\cdot10^3\;\text{g}}{44\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&213{,}6\;\text{mol} \end{array}$

Aus der Reaktionsgleichung folgt, dass bei der Verbrennung von einem Mol Dodecan zwölf Mol Kohlenstoffdioxid entstehen. Folglich gilt:

$Formula: n(\ce{C12H26})=\dfrac{213{,}6\;\text{mol}}{12}\approx17{,}8\;\text{mol}$ $Formula: n(\ce{C12H26})=\dfrac{213{,}6\;\text{mol}}{12}\approx17{,}8\;\text{mol}$

Für die Masse des umgesetzten Dodecans ergibt sich:

$Formula: \begin{array}{rlll} m(\ce{C12H26})&=&M(\ce{C12H26})\cdot n(\ce{C12H26}) \\[5pt] &=&170\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot17{,}8\;\text{mol} \\[5pt] &=&3{,}03\cdot10^3\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} m(\ce{C12H26})&=&M(\ce{C12H26})\cdot n(\ce{C12H26}) \\[5pt] &=&170\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot17{,}8\;\text{mol} \\[5pt] &=&3{,}03\cdot10^3\;\text{g} \end{array}$

Mithilfe der Dichte kann das Volumen berechnet werden:

$Formula: \begin{array}{rlll} V(\ce{C12H26})&=&\dfrac{m(\ce{C12H26})}{\rho(\ce{C12H26})} \\[5pt] &=&\dfrac{3{,}03\cdot10^3\;\text{g}}{753\;\frac{\text{g}}{\text{L}}} \\[5pt] &\approx&4{,}02\;\text{L} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} V(\ce{C12H26})&=&\dfrac{m(\ce{C12H26})}{\rho(\ce{C12H26})} \\[5pt] &=&\dfrac{3{,}03\cdot10^3\;\text{g}}{753\;\frac{\text{g}}{\text{L}}} \\[5pt] &\approx&4{,}02\;\text{L} \end{array}$

Unter den angenommenen Bedingungen dürfte der Kraftstoffverbrauch höchstens ungefähr $Formula: 4{,}02\ \text{L}$ pro $Formula: 100\ \text{km}$ betragen, um den CO₂-Grenzwert einzuhalten.

Begründung des Vorzeichens der Entropieänderung

Bei der Hinreaktion entstehen aus einem gasförmigen Teilchen und festem Kohlenstoff zwei gasförmige Teilchen. Dadurch nimmt die Anzahl der Gasteilchen zu. Da diese mehr Möglichkeiten zur räumlichen Verteilung besitzen, erhöht sich die Entropie. Somit ist das Vorzeichen der Entropieänderung positiv: $Formula: \Delta S\gt0.$ $Formula: \Delta S\gt0.$

Berechnung der Temperatur

Nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung gilt für eine freiwillig ablaufende Reaktion:

$Formula: \Delta G=\Delta H-T\cdot\Delta S$ $Formula: \Delta G=\Delta H-T\cdot\Delta S$

$Formula: \Delta G\lt0$ $Formula: \Delta G\lt0$

Daraus folgt für die Grenztemperatur:

$Formula: \begin{array}{rlll} \Delta H&\lt&T\cdot\Delta S &\quad\scriptsize\mid\;\div\,\Delta S\\[5pt] T&\gt&\dfrac{\Delta H}{\Delta S} \\[5pt] T&\gt&\dfrac{172{,}5\cdot10^3\;\text{J}}{177\;\frac{\text{J}}{\text{K}}} \\[5pt] T&\gtrapprox&974{,}6\;\text{K} \\[5pt] \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} \Delta H&\lt&T\cdot\Delta S &\quad\scriptsize\mid\;\div\,\Delta S\\[5pt] T&\gt&\dfrac{\Delta H}{\Delta S} \\[5pt] T&\gt&\dfrac{172{,}5\cdot10^3\;\text{J}}{177\;\frac{\text{J}}{\text{K}}} \\[5pt] T&\gtrapprox&974{,}6\;\text{K} \\[5pt] \end{array}$

Somit lautet die Grenztemperatur in Grad Celsius:

$Formula: \begin{array}{rlll} T[^\circ\text{C}]&=&974{,}6\;\text{K}-273{,}15 \\[5pt] &=&701{,}5\;^\circ\text{C} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} T[^\circ\text{C}]&=&974{,}6\;\text{K}-273{,}15 \\[5pt] &=&701{,}5\;^\circ\text{C} \end{array}$

Ab einer Temperatur von ca. $Formula: 702\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 702\ ^\circ\text{C}$ läuft die Reaktion des Boudouard-Gleichgewichts freiwillig ab.

Berechnung der Gleichgewichtskonstante

Für die Gleichgewichtskonstante des Boudouard-Gleichgewichts gilt:

$Formula: \begin{array}{rlll} K_c&=&\dfrac{c^2(\text{CO})}{c(\ce{CO2})} \\[5pt] &=&\dfrac{\bigl(2{,}23\cdot10^{-3}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}\bigr)^2}{11{,}73\cdot10^{-3}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}} \\[5pt] &\approx&4{,}24\cdot10^{-4}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} K_c&=&\dfrac{c^2(\text{CO})}{c(\ce{CO2})} \\[5pt] &=&\dfrac{\bigl(2{,}23\cdot10^{-3}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}\bigr)^2}{11{,}73\cdot10^{-3}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}} \\[5pt] &\approx&4{,}24\cdot10^{-4}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

Ableiten der Änderung von K_c bei Temperaturerhöhung

Aus Abbildung 1 geht hervor, dass bei zunehmender Temperatur der Anteil an Kohlenstoffmonooxid steigt, während die Menge an Kohlenstoffdioxid im Gasgemisch abnimmt.

Damit wird das Verhältnis $Formula: \tfrac{c^2(\mathrm{CO})}{c(\mathrm{CO_2})}$ $Formula: \tfrac{c^2(\mathrm{CO})}{c(\mathrm{CO_2})}$ größer. Eine Temperaturerhöhung führt somit zu einem Anstieg der Gleichgewichtskonstante Formula: K_c.

Zu Beginn besteht das Gasgemisch ausschließlich aus Kohlenstoffmonooxid. Durch die ablaufende Rückreaktion des Boudouard-Gleichgewichts entstehen Kohlenstoffdioxid und fester Kohlenstoff. Im Zeitverlauf sinkt deshalb der Stoffmengenanteil von $Formula: \text{CO,}$ $Formula: \text{CO,}$ während der Anteil von $Formula: \ce{CO2}$ $Formula: \ce{CO2}$ zunimmt. Beide Größen nähern sich schließlich konstanten Gleichgewichtswerten.

Diagramm zum chemischen Gleichgewicht: CO₂- und CO-Anteile verändern sich mit der Zeit und stabilisieren sich.

Im chemischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion weiterhin ab, aber ihre Reaktionsgeschwindigkeiten stimmen überein. Somit bleiben die Konzentrationen der beteiligten Stoffe unverändert.

Erklärung der unterschiedlichen Schadstoffanteile

Nach dem Prinzip von Le Chatelier weicht ein System im chemischen Gleichgewicht einem äußeren Zwang (Änderung der äußeren Bedingungen) aus, sodass sich ein neues Gleichgewicht einstellt.

Da Diesel- und Benzinmotoren laut Material bei ungefähr derselben Temperatur betrieben werden, ist im betrachteten Modell vor allem der unterschiedliche Druck entscheidend. Beim Dieselmotor ist dieser mit etwa $Formula: 90\ \text{bar}$ $Formula: 90\ \text{bar}$ doppelt so hoch wie beim Benzinmotor mit $Formula: 45\ \text{bar}.$ $Formula: 45\ \text{bar}.$

Boudouard-Gleichgewicht: $Formula: \ce{CO2_{\,(g)} + C_{(s)} <=> 2CO_{(g)}}$ $Formula: \ce{CO2_{\,(g)} + C_{(s)} <=> 2CO_{(g)}}$

Auf der rechten Seite befinden sich zwei Mol gasförmiger Teilchen, auf der linken nur ein Mol Gas. Ein höherer Druck verschiebt das Gleichgewicht deshalb zur Eduktseite.

Daraus lässt sich erklären, weshalb im Dieselmotor mehr Kohlenstoffdioxid und Ruß entstehen, während im Benzinmotor ein höherer Anteil an Kohlenstoffmonooxid vorliegt.

Bildung von Stickstoffmonoxid: $Formula: \ce{N2_{\,(g)} + O2_{\,(s)} <=> 2NO_{(g)}}$ $Formula: \ce{N2_{\,(g)} + O2_{\,(s)} <=> 2NO_{(g)}}$

Da die Anzahl der gasförmigen Teilchen auf beiden Seiten identisch ist, verändert eine Druckerhöhung die Gleichgewichtslage dieser Reaktion nicht.

Bildung von Stickstoffoxid: $Formula: \ce{2NO_{(g)} + O2_{\,(s)} <=> 2NO2_{\,(g)}}$ $Formula: \ce{2NO_{(g)} + O2_{\,(s)} <=> 2NO2_{\,(g)}}$

Bei dieser Reaktion entstehen aus drei Mol gasförmiger Edukte zwei Mol gasförmiges Produkt. Ein steigender Druck begünstigt somit die Bildung von Stickstoffdioxid. Dies erklärt im Modell den höheren NO₂-Anteil im Abgas eines Dieselmotors.

Vervollständigung des Molekülorbitalschemas

Energieniveauschema der Molekülorbitale von Stickstoff und Sauerstoff mit Elektronenbesetzung.

Erklärung der hohen Reaktivität des Stickstoffmonoxid-Moleküls

Das energetisch höchste besetzte Orbital (ein antibindendes $Formula: \pi^*\text{-}$ Orbital) im Stickstoffmonoxid-Molekül ist lediglich mit einem Elektron besetzt. Dieses ungepaarte Elektron verleiht dem Molekül einen radikalischen Charakter. Radikale sind meist instabil und sehr reaktiv.

Für einen Vergleich der Klimawirkung müssen sowohl die Emissionen bei der Fahrzeugherstellung als auch diejenigen während des Betriebs betrachtet werden.

Elektrofahrzeuge: Die Herstellung eines Elektroautos verursacht den dargestellten Daten zufolge zunächst höhere Treibhausgasemissionen als die Produktion eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Während der Nutzung fallen jedoch geringere Emissionen an. Dadurch wird die anfängliche Mehrbelastung gegenüber einem Dieselfahrzeug nach einer Laufleistung von etwa $Formula: 100\,000\ \text{km}$ $Formula: 100\,000\ \text{km}$ ausgeglichen.
HVO-Fahrzeuge: Über die untersuchte Gesamtlaufleistung von $Formula: 200\,000\ \text{km}$ $Formula: 200\,000\ \text{km}$ weisen HVO-Fahrzeuge in den Materialien die niedrigsten Treibhausgasemissionen auf. Problematisch sind allerdings die begrenzten Herstellungskapazitäten dieses Kraftstoffs. Für die vollständige Versorgung der deutschen Dieselfahrzeuge wäre bereits ein erheblicher Anteil der weltweiten HVO-Produktion erforderlich.

Fazit:

HVO bietet im dargestellten Vergleich zwar die günstigste Emissionsbilanz pro Fahrzeug, kann aufgrund seiner eingeschränkten Verfügbarkeit aber fossilen Diesel nicht flächendeckend ersetzen. Elektromobilität besitzt deshalb insgesamt das größere Potenzial zur umfassenden Verringerung der Treibhausgasemissionen im Straßenverkehr. HVO kann ergänzend eingesetzt werden, ist jedoch keine ausreichend verfügbare Alternative für den gesamten Fahrzeugbestand.

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Lerninhalte in Chemie

Aufgabe II – Zukunft der Mobilität

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Material 1: Kohlenstoffdioxid-Grenzwerte für Verbrennungsmotoren

Material 2: Boudouard-Gleichgewicht

Material 3: NOx-Gleichgewichte

Material 4: Vergleich von Benzin- und Dieselmotoren

Material 5: Reduktion der Treibhausgas-Emissionen im Kraftfahrzeugbereich

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Material 3: NO_x-Gleichgewichte