Relevanz für den Chemie-Unterricht
Erdöl wird im Chemie-Unterricht bereits in der Sekundarstufe I behandelt und spielt auch eine wichtige Rolle in der Einführungsphase der Oberstufe (EF).
Eigenschaften
Proben verschiedener Rohöle aus dem Kaukasus, dem Mittleren Osten, der Arabischen Halbinsel und Frankreich.
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Die Eigenschaften des Erdöls hängen von der genauen Zusammensetzung ab und schwanken von Fundort zu Fundort, wie man auf der Abbildung 1 gut sehen kann.
Farbe: hellbraun bis schwarzbraun
Geruch: aromatisch bis unangenehm
Dichte: 0,8 bis 0,9 g/cm3
Viskosität: dünnflüssig bis dickflüssig
Flammpunkt: unter 0 ºC bis 70 ºC
Siedepunkt: nicht definierbar, da Stoffgemisch
Löslichkeit: wasserunlöslich, in Ethanol nur schwer löslich, leicht löslich in Kohlenwasserstoffen, Chloroform und Ether
Zusammensetzung
Erdöl ist ein komplex zusammengesetztes homogenes Stoffgemisch aus verschiedenen Flüssigkeiten und Gasen. Durch die sogenannte fraktionierte Destillation, teils unter Vakuum, kann man das Erdöl in seine verschiedenen Bestandteile, die sogenannten Fraktionen, zerlegen.
| Fraktion | Siedebereich | Zahl der C-Atome |
|---|---|---|
| Erdgas | < 20 ºC | 1 bis 4 |
| Petrolether | 20 - 60 ºC | 5 bis 6 |
| Ligroin | 60 - 100 ºC | 6 bis 7 |
| Rohbenzin | 40 - 200 ºC | 5 bis 10 |
| Kerosin | 135 - 325 ºC | 12 - 18, Aromaten |
| Gasöl, Dieselöl, Heizöl | > 275 ºC | > 12 |
| Schmieröl | nicht flüchtig | Ringe mit langen Seitenketten |
| Asphalt | fest | Polycyclen |
Die verschiedenen Erdöl-Fraktionen und ihre Siedebereiche. Aus: Morrison/Boyd, Lehrbuch der organischen Chemie, 1981
Aufbereitung von Erdöl
Das Problem bei der Erdöl-Fraktionierung ist, dass die Anteile der Fraktionen nicht unbedingt der Nachfrage durch die Industrie und die Verbraucher entsprechen.
Zusammensetzung verschiedener Rohöle und tatsächlicher Bedarf an Erdölprodukten
So wird beispielsweise sehr viel mehr Benzin, leichtes Heizöl und Diesel nachgefragt, als die Fraktionierung liefert, während die anderen, höher siedenden Fraktionen wie schweres Heizöl, Schmieröl und Bitumen (Teer-Bestandteil) weniger stark nachgefragt werden. Die chemische Industrie braucht außerdem große Mengen von gasförmigen Verbindungen wie Ethen, Propen und auch Ethan und Propan, die im Erdöl nicht so häufig vertreten sind. Daher hat man verschiedene Techniken erfunden, wie man aus höher siedenden Fraktionen kurzkettige Alkane und Alkene gewinnen kann.
Cracken
Beim Cracken werden aus langkettigen Alkanen bei hohen Temperaturen und unter Mithilfe von Katalysatoren kurzkettige Alkane und Alkene. Aus der Leichtbenzin-Fraktion erhält man beispielsweise bei Temperaturen um 800 ºC und bei hohem Druck (thermisches Cracken) die industriell sehr wichtigen Alkene Ethen und Propen. Aus Gasölen kann man durch katalytisches Cracken bei "niedrigen" Temperaturen um 400 ºC in Anwesenheit eines Katalysators verzweigte Alkane und Alkene gewinnen, die vor allem für Kraftstoffe benötigt werden.
In der Abituraufgabe von 2017 (NRW) wurde übrigens kurz das Verfahren des Steamcrackens thematisiert.
Reformierung
Während beim Cracken - der Name deutet es schon an - langkettige Alkane gespalten werden, so dass kurzkettige Alkane und Alkene entstehen, werden beim Reforming die Alkane isomerisiert, aus langkettigen Alkanen entstehen beispielsweise hochgradig verzweigte Alkane oder Alkene, die aber im Prinzip die gleiche Kohlenstoffzahl besitzen. Verzweigte Alkane und Alkene verbessern bestimmte Eigenschaften des Benzins (Klopffestigkeit) und sind daher recht begehrt.