Aufgabe 5 – Emission von Kohlenstoffdioxid

Erdgas und Benzin sind typische fossile Brennstoffe.

Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. In einem Schulversuch sollen die Verbrennungsprodukte von Methan nachgewiesen werden. Dazu wird die in Abbildung 1 gezeigte Apparatur aufgebaut und in Betrieb genommen. In dem Becherglas befinden sich kaltes Wasser. Während des Experiments nimmt die Wassertemperatur von auf zu. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist . Die molare Verbrennungsenthalpie von Methan beträgt .

• Stelle für die Verbrennung von Methan eine Reaktionsgleichung auf.
• Beschreibe die Nachweise der Verbrennungsprodukte.
• Berechne die Wärmemenge , die während des Experiments von dem Wasser im Becherglas aufgenommen wird.
• Berechne die Masse an Kohlenstoffdioxid, die bei diesem Experiment mindestens entsteht.

Eine wichtige Größe zur Beurteilung der Klimaschädlichkeit eines Brennstoffes ist der Emissionsfaktor. Er gibt an, welche Masse an Kohlenstoffdioxid bei der Verbrennung entsteht, wenn dabei eine Energiemenge von freigesetzt wird. Der Emissionsfaktor von Erdgas beträgt pro Zur näherungsweisen Berechnung des Emissionsfaktors von Benzin kann vereinfacht von Octan ausgegangen werden. Octan reagiert mit Sauerstoff nach der folgenden Reaktionsgleichung:

• Berechne ausgehend von der gegebenen Reaktionsgleichung die Reaktionsenthalpie für die Verbrennung von Octan.
• Ermittle damit näherungsweise den Emissionsfaktor von Benzin und vergleiche diesen mit dem Emissionsfaktor von Erdgas.
• Nenne ein weiteres Kriterium, das zur Beurteilung der Klimaschädlichkeit eines Brennstoffes herangezogen werden kann.

Im Zusammenhang mit der Klimadiskussion der letzten Jahre ist Wasserstoff als Energieträger verstärkt in den Fokus der Forschung gerückt, da die energetische Verwertung z.B. in Brennstoffzellen ganz ohne Emission von Kohlenstoffdioxid geschieht.

In einem Experiment soll die Verbrennungsenthalpie von Wasserstoff bestimmt werden. Dazu stehen drei unterschiedliche Kalorimeter zur Auswahl (siehe Abb. 2).

• Erkläre anhand der Kalorimeter die Begriffe offenes System und isoliertes System.
• Wähle ein geeignetes Kalorimeter zur experimentellen Bestimmung der Verbrennungsenthalpie aus und begründe deine Auswahl.

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff nach der folgenden Reaktionsgleichung: Die Reaktion verläuft bei Raumtemperatur exergonisch. Dennoch ist bei Raumtemperatur in einem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch weder ein stofflicher noch ein energetischer Umsatz beobachtbar. Dies ist erst dann der Fall, wenn das Gemisch gezündet wird oder in Berührung mit einem geeigneten Katalysator kommt.

• Begründe das Vorzeichen der Reaktionsentropie.
• Ordne der Reaktion bei Raumtemperatur eines der in Abbildung 3 angegebenen Energiediagramme zu und begründe deine Zuordnung.
• Erkläre die geschilderte Stabilität eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs und die Bedeutung des Zündens bzw. des Katalysatoreinsatzes für den Ablauf der Reaktion.

---