Aufgabe 1 – Kohlenstoffdioxid – Ein Klimakiller und Kohlenstoffmonoxid – das Giftgas

Hinweis: In der Prüfung müssen drei der vier Aufgaben bearbeitet werden.

Von Kohlenstoff gibt es zwei verschiedene Oxide: Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonooxid. Im Gegensatz zu dem Kohlenstoffdioxid ist Kohlenstoffmonooxid giftig.

1.1

Formuliere die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Methan und berechne die molare Reaktionsenthalpie für diese Reaktion (M 1).

3 BE

1.2

Vergleiche die molaren Verbrennungsenthalpien der angegebenen Stoffe und schlussfolgere bezüglich der Energieeffizienz ihres Einsatzes (M 2).

3 BE

1.3

Ein Auto hat laut Angaben einen durchschnittlichen Benzinverbrauch von $Formula: 5\;\text{L}$ $Formula: 5\;\text{L}$ pro $Formula: 100\;\text{km.}$ $Formula: 100\;\text{km.}$

Die Dichte des Benzins entspricht der Dichte von Nonan und beträgt $Formula: 0{,}71\;\tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}.$ $Formula: 0{,}71\;\tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}.$

Berechne, bezogen auf Nonan, den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß in Litern und beurteile das Ergebnis unter ökologischen Gesichtspunkten.

7 BE

1.4

Formuliere die Reaktionsgleichung für das chemische Gleichgewicht CO/CO₂.

Nenne drei Merkmale des chemischen Gleichgewichts.

Erläutere den Einfluss der Temperatur und des Drucks auf die Lage dieses chemischen Gleichgewichts (M 1).

8 BE

1.5

Stelle die Versuchsergebnisse grafisch dar und interpretiere diese (M 3).

6 BE

1.6

Diskutiere unter Berücksichtigung von zwei Umweltaspekten die Eignung von Kalkstein (Calciumcarbonat) als CO₂-Speicher.

3 BE

30 BE

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M 1: Eigenschaften der Oxide des Kohlenstoffs

Die Oxide des Kohlenstoffs können direkt durch die Verbrennung von Kohlenstoff hergestellt werden. Bei Temperaturen unter $Formula: 500\;\text{K}$ $Formula: 500\;\text{K}$ entsteht Kohlenstoffmonooxid und bei Temperaturen über $Formula: 1500\;\text{K}$ $Formula: 1500\;\text{K}$ fast ausschließlich Kohlenstoffdioxid. Bei etwa $Formula: 960\;\text{K}$ $Formula: 960\;\text{K}$ sind bei der Verbrennung eines Stoffes im geschlossenen Raum die Konzentrationen beider Stoffe gleich (Einstellung eines chemischen Gleichgewichts).

Fossile Brennstoffe verbrennen, wie alle organischen Stoffe, vor allem zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid ist farblos, geruchlos und ungiftig. In der Industrie entsteht dieses Gas bei vielen großtechnischen Prozessen, so z. B. beim Verbrennen von Koks oder als Nebenprodukt des Kalkbrennens.

Kohlenstoffdioxid wird in Meeren unter anderem von Molluscen (Schalentieren) zum Aufbau ihrer Kalkschalen benötigt.

M 2: Molare Verbrennungsenthalpien

Tab. 1: molare Verbrennungsenthalpien (bei $Formula: \small{T=298{,}15\;\text{K,}}\;$ $Formula: \small{T=298{,}15\;\text{K,}}\;$ $Formula: \small{p=101{,}325\;\text{kPa)}}$ $Formula: \small{p=101{,}325\;\text{kPa)}}$ [1]

Stoff	$Formula: \Delta_cH^0$ $Formula: \Delta_cH^0$ in $Formula: \tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ $Formula: \tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
Methan $Formula: \text{CH}_4$ $Formula: \text{CH}_4$
Ethan $Formula: \ce{C2H6}$ $Formula: \ce{C2H6}$
Nonan $Formula: \ce{C9H20}$ $Formula: \ce{C9H20}$
Dodekan $Formula: \ce{C12H26}$ $Formula: \ce{C12H26}$

M 3: Experiment

Im Kolben werden $Formula: 50\;\text{mL}$ $Formula: 50\;\text{mL}$ Chlorwasserstoffsäure $Formula: (c=1\;\text{mol}\cdot\text{L}^{-1})$ $Formula: (c=1\;\text{mol}\cdot\text{L}^{-1})$ auf $Formula: 25\:^\circ\text{C}$ $Formula: 25\:^\circ\text{C}$ temperiert und $Formula: 4{,}6\;\text{g}$ $Formula: 4{,}6\;\text{g}$ Calciumcarbonat zugefügt.

Zu Beginn ist die Gasentwicklung stark und schwächt dann ab.

Die Masse des Calciumcarbonats wird in den entsprechenden Zeitabständen bestimmt.

Versuchsergebnisse:

Zeit in $Formula: \text{min}$ $Formula: \text{min}$	Masse in $Formula: \text{g}$ $Formula: \text{g}$

Quellen (ggf. verändert):

[1] ERBRECHT, R., et al. Das große Tafelwerk: Formelsammlung für die Sekundarstufe I und II. 1st ed. Berlin: Volk und Wissen, 1999. ISBN 3-06-020760-7.

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1.1

Formulierung der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{CH4 + 2O2 \longrightarrow CO2 + 2H2O}$ $Formula: \ce{CH4 + 2O2 \longrightarrow CO2 + 2H2O}$

Berechnung der molaren Reaktionsenthalpie

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_RH_m&=&\displaystyle\sum\Delta_fH_m(\text{Produkte})-\sum\Delta_fH_m(\text{Edukte})\\[5pt] &=&\left[2\cdot\left(-242\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)+1\cdot\left(-394\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]-\left[1\cdot\left(-75\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]\\[5pt] &=&-803\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_RH_m&=&\displaystyle\sum\Delta_fH_m(\text{Produkte})-\sum\Delta_fH_m(\text{Edukte})\\[5pt] &=&\left[2\cdot\left(-242\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)+1\cdot\left(-394\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]-\left[1\cdot\left(-75\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]\\[5pt] &=&-803\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_RH_m&=&\displaystyle\sum\Delta_fH_m(\text{Produkte})-\sum\Delta_fH_m(\text{Edukte})\\[5pt] &=&\left[2\cdot\left(-242\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)+1\cdot\left(-394\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]\\[5pt] &\phantom{=}&-\left[1\cdot\left(-75\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]\\[5pt] &=&-803\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_RH_m&=&\displaystyle\sum\Delta_fH_m(\text{Produkte})-\sum\Delta_fH_m(\text{Edukte})\\[5pt] &=&\left[2\cdot\left(-242\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)+1\cdot\left(-394\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]\\[5pt] &\phantom{=}&-\left[1\cdot\left(-75\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)\right]\\[5pt] &=&-803\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

1.2

Gemeinsamkeit:

Alle Verbrennungsenthalpien sind negativ

Unterschied:

Die Energieeffizienz ist am größten bei Dodekan, bei Heptan ebenfalls sehr hoch im Vergleich zu Methan und Ethan

Schlussfolgerung:

Je länger die Kohlenstoffkette, desto größer ist die Verbrennungsenthalpie

1.3

$Formula: \ce{C9H20 + 14O2 \longrightarrow 9CO2 + 10H2O}$ $Formula: \ce{C9H20 + 14O2 \longrightarrow 9CO2 + 10H2O}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\text{Nonan})&=&V\cdot\rho\\[5pt] &=&5000\;\text{cm}^3\cdot0,71\;\dfrac{\text{g}}{\text{cm}^{-3}}\\[5pt] &=&3550\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} m(\text{Nonan})&=&V\cdot\rho\\[5pt] &=&5000\;\text{cm}^3\cdot0,71\;\dfrac{\text{g}}{\text{cm}^{-3}}\\[5pt] &=&3550\;\text{g} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} V(\text{CO}_2)&=&\dfrac{n\cdot V_m\cdot m_{(\text{Nonan})}}{n_{(\text{Nonan})}\cdot M_{(\text{Nonan})}}\\[5pt] &=&\dfrac{9\;\text{mol}\cdot22,4\;\frac{\text{L}}{\text{mol}}\cdot3550\;\text{g}}{1\;\text{mol}\cdot128\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}\\[5pt] &=&5591,3\;\text{L} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} V(\text{CO}_2)&=&\dfrac{n\cdot V_m\cdot m_{(\text{Nonan})}}{n_{(\text{Nonan})}\cdot M_{(\text{Nonan})}}\\[5pt] &=&\dfrac{9\;\text{mol}\cdot22,4\;\frac{\text{L}}{\text{mol}}\cdot3550\;\text{g}}{1\;\text{mol}\cdot128\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}}\\[5pt] &=&5591,3\;\text{L} \end{array}$

Sachurteil: z. B. Ausstoß sehr hoch, CO₂ als „Klimakiller“

1.4

Formulieren der Reaktionsgleichung des Gleichgewichts

$Formula: \ce{2CO + O2 \rightleftharpoons 2CO2}$ $Formula: \ce{2CO + O2 \rightleftharpoons 2CO2}$

Nennen dreier Merkmale des chemischen Gleichgewichts

Dynamisches Gleichgewicht
$Formula: \Delta c=0$ $Formula: \Delta c=0$
$Formula: v_\text{Hin}=v_\text{Rück}$ $Formula: v_\text{Hin}=v_\text{Rück}$

Erläuterung des Einflusses der Temperatur und des Drucks

Es handelt sich um eine exotherme Reaktion mit Volumenverkleinerung.

Temperatur: Temperaturerniedrigung fördert die Hinreaktion und somit die Bildung von Kohlenstoffdioxid
Druck: eine Druckerhöhung würde ebenfalls die Hinreaktion begünstigen

1.5

Grafische Darstellung der Versuchsergebnisse

Reaktion Calciumcarbonat Chlorwasserstoffsäure Kurvendiagramm: m [g] gegen t [min], Masse sinkt von ca. 4,5 g bei 0 min auf nahezu 0 g bei 10 min

Interpretation

Abhängigkeit der Masse an Calciumcarbonat von der Zeit:

zu Beginn sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit
Abnahme im Verlaufe der Reaktion
Stoffumsatz wird geringer, da Anzahl der Teilchen im Reaktionsraum sinkt
weniger wirksame Zusammenstöße der Teilchen

1.6

Pro:

Treibhausgas CO₂ wird gespeichert, was gut für die Umwelt ist, da es aus der Atmosphäre entfernt wird.

Contra:

Da Kalkstein relativ gut mit Säuren reagiert, wird Kohlenstoffdioxid relativ schnell wieder freigesetzt.

Fazit:

Kalkstein ist nur in regenarmen Gebieten als Speicher für Kohlenstoffdioxid geeignet.

Hinweis: Auch andere nachvollziehbare Argumente können hier herangezogen werden.

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