Klassenarbeit Chemie

Alkanole

• chemische Verbindungen

• gehören zur Gruppe der Alkane

• enthalten zusätzliche Hydroxylgruppe(-OH), die an Kohlenstoff gebunden ist

Summenformel Alkanole

CnH2n+1+OH

Eigenschaften von Alkanolen

• Polarität (durch OH-Gruppe), aber je länger die C-Kette, desto weniger polar (unpolare C-Kette überwiegt polarer OH-Gruppe)→ wasserlöslich (je kürzer C-Kette, desto besser)

• Brennbar bei Reaktion mit Sauerstoff (C2H5OH (Etahnol) +3O2 → 2CO2+ 3H2O)

• hohe Siedetemperatur da Wasserstoffbrückenbindungen durch OH-Gruppe und je länger C-Kette, desto höher Van-der-Waals-Kräfte→ je höher die Molekülmasse, desto höher die Van-der-Waals-Bindungen, desto höher die Siedetemperatur)

Berechnen der Molekülmasse

• Molekülmasse der einzelnen beteiligten Atome aus Periodensystem ablesen (steht oben in der Ecke)

• Molekülmasse mit Vorkommen des Atoms multiplizieren (Bsp: 2 C Atome= 2*Molülmasse C-Atom)

• Molekülmassen der verschiedenen Atome addieren

Polyalkanole

• enthalten mehrere Hydroxylgruppen (OH)

• höherer Siedepunkt, da mehr OH-Gruppen→ mehr Wasserstoffbrückenbindungen

• stärker wasserlöslich, da polarer

Summenformel Polyalkanole

CnH2n+2-x(OH)x

Unterschiede Alkane und Alkanole

1. Struktur: Alkane nur C- und H-Atome, Alkanole zusätzliche Hydroxylgruppe (OH)

2. Polarität und Wasserlöslichkeit: Alkane unpolar→ lösen sich nicht in Wasser (eher in anderen unpolaren Lösungsmitteln), Alkanole polar (wegen OH-Gruppe)→ besser in Wasser löslich (je kürzer unpolare C-Kette, desto besser)

3. Zwischenmolekulare Kräfte: Alkane nur Van-der-Waals-Kräfte, Alkanole zusätzlich Wasserstoffbrückenbindungen

4. Siedepunkt: bei Alkanolen deutlich höher (wegen Wasserstoffbrückenbindungen)

5. Reaktivität: Alkane wenig reaktiv, da nur C-H Atome, Alkanole reaktiver durch OH-Gruppe

alkoholische Getränke und ihr Anteil von Ethanol

• Bier: ca. 4-6% Vol.

• Wein: ca. 11-14% Vol.

• Sekt: ca. 11-13% Vol.

• Wodka: ca. 40% Vol.

• Whisky: ca. 40-46% Vol.

• Rum: ca. 40-75% Vol.

• Likör: ca. 15-40% Vol.

Volumenprozent (% Vol.)

Anteil reiner Alkohol (Ethanol) in 100ml des Getränks

Promille

gibt die Konzentration von Alkohol im Blut an. Angegeben in Gramm Alkohol pro Liter Blut (g/L)

Blutalkoholgrenze für Autofahrer

0,5 %. (bei Fahranfängern und unter 21 Jährigen= 0,0%.), da ab 0,5%. Sehleistung vermindert→ Unfallrisiko höher

Wirkung von Alkohol (Ethanol) auf den Körper

• hängt von der konsumierten Menge ab

• bei niedriger Dosis: Euphorie, Entspannung

• ab 0,3%. erste Gehstörungen

• ab 0,5%. verminderte Sehleistung

• ab 0,8%. leichte Sprachstörungen, Tunnelblick, Konzentrationsschwäche

• ab 1,0%. mittlerer Rauschzustand, extrem eingeschränkte Reaktion

• 1,4%. Grenze für koordinierte Reaktionen

• ab 2,0%. schwere Sprachstörungen, gestörte Erinnerung, Erbrechen, verengte Pupillen

• 4,0-5,0%. tödliche Grenzkonzentration (abhängig von verschiedenen Faktoren wie Gewicht, Stoffwechsel, etc.), Koma, Atemstillstand

Schäden durch Alkohol im Organismus

• Gehirn: Gedächtnisverlust, Demenz

• Leber: Fettleber, Leberzirrhose

• Herz-Kreislauf-System: Bluthochdruck→ erhöhtes Risiko für Schlaganfall und Herzinfarkt

• Magen-Darm-Trakt: Magenschleimhautentzündungen, erhöhtes Krebsrisiko

• Immunsystem: wird geschwächt→ erhöhte Infektanfälligkeit

• Psychische Gesundheit: Depressionen, Angststörungen, Alkoholabhängigkeit

• Fortpflanzung und Schwangerschaft: Spermien und Eizellen werden geschädigt→ Fruchtbarkeit sinkt, in der Schwangerschaft: schwere Schädigung des Fötus (FAS)

Ottomotor und seine Merkmale

Verbrennungsmotor, der nach dem Prinzip des Otto-Kreisprozesses arbeitet

• Kraftstoff: In der Regel Benzin oder ethanolhaltige Mischungen

• Arbeitsweise: Viertaktmotor

• Zündung: Fremdzündung durch Zündkerze

• Verwendung: In Autos, Motorrädern, Rasenmähern, kleinen Maschinen etc.

Verbrennungsmotor

Chemische Energie wird durch die Verbrennung von Kraftstoff in Bewegungsenergie umgewandelt

vier Takte des Ottomotors

1. Ansaugtakt: Kolben bewegt sich nach unten, Unterdruck entsteht, Einlassventil öffnet sich, Luft-Kraftstoff-Gemisch wird angesaugt

2. Verdichtungstakt: Gemisch wird bei geschlossenem Ventil durch Kolben komprimiert, erwärmt sich

3. Arbeitstakt (Zündung): Zündkerze entzündet verdichtetes Gemisch, Kolben wird durch Explosion nach unten gedrückt

4. Auspufftakt: Auslassventil öffnet sich, Abgase werden ausgestoßen

Vier Takte des Dieselmotors

1. Ansaugen: Luft in den Zylinder

2. Verdichten: Luft wird komprimiert, erhitzt sich auf bis zu 700-900°C

3. Arbeitstakt: Dieselkraftstoff unter hohem Druck in Zylinder→ Selbstentzündung durch heiße Luft, Kolben wird nach unten gedrückt

4. Auspuff: Abgase werden ausgestoßen

Was ist ein Vergaser?

• Bauteil in älteren Verbrennungsmotoren

• bereitet Kraftstoff-Luft-Gemisch für Verbrennung vor

• sorgt dafür, dass Kraftstoff-Luft-Gemisch in richtigem Verhältnis vorliegt (ca. 15:1 Luft zu Benzin) um effiziente Verbrennung zu gewährleisten

• heutzutage nur noch in alten Autos, Rasenmähern und in anderen Kleinmotoren (ersetzt durch elektronische Einspritzanlage)

Wie funktioniert ein Vergaser?

1. Kraftstoffzufuhr: Benzin aus Tank über Düse in Vergaser geleitet

2. Luftzufuhr: Luft durch Ansaugöffnung, vermischt sich mit Kraftstoff

3. Verdampfung& Gemischbildung: Zerstäuben des Kraftstoffes und Vermischen mit der Luft

4. Regulierung durch Drosselklappe: steuert die Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das in den Motor gelangt

5. Vergasersteuerung: je nach Bedarf wird das Gemisch angepasst

Einspritzsystem

Mechanismus in Verbrennungsmotoren, der den Kraftstoff gezielt und effizient einspritzt. Es ersetzt den klassischen Vergaser und sorgt für eine präzisere Kraftstoffzufuhr.

Klopfen

Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet sich unkontrolliert und vorzeitig meist durch Verdichtung und Wärme

Klopffestigkeit

• Eigenschaft des Treibstoffes in einem Ottomotor nicht unkontrolliert (durch Selbstentzündung) zu verbrennen

• ausgedrückt durch Oktanzahl

Oktanzahl

gibt an, wie widerständig ein Kraftstoff gegenüber unkontrollierter Selbstzündung im Motor (Motoren sind für bestimmte Oktanzahl optimiert, ein zu niedriger Wert kann zu Klopfen führen)

Antiklopfmittel

chemische Zusätze, die die Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen (Benzin) erhöhen→ reduziert Klopfen und ermöglicht Motor effizienter und leistungsfähiger zu arbeiten

Arten von Antiklopfmitteln

• Bleitetraethyl: wegen Giftigkeit und Umweltbelastung heute verboten

• Ethanol und Methanol

• ETBE (Ethyl-tert-butylether)

• MTBE (Methyl-tert-butylether)

Warum eignen sich Alkane als Treibstoff?

• hoher Energiegehalt: viele C-H Bindungen, die bei Verbrennung viel Energie freisetzten

• Saubere Verbrennung: bei vollständiger Verbrennung entsteht nur CO2 und H2O (möglichst viel Energie, möglichst wenig Schadstoffe)

Nachteile Alkane als Treibstoff

• CO2-Ausstoß→ Treibhauseffekt

• bei unvollständiger Verbrennung kann Ruß oder Kohlenmonoxid (gesundheitsschädlich) entstehen

• nicht erneuerbar, da meist aus fossilen Quellen (Erdöl/-gas)

Warum eignen sich Alkanole als Treibstoff?

• Verbrennung: enthalten Sauerstoff in Struktur→ tendenziell sauberere Verbrennung (weniger Schadstoffe)

• hoher Energiegehalt (nicht so hoch wie Alkane)

• bessere Klopffestigkeit als Alkane

• Nachhaltigkeit: Produktion von Bio-Alkanolen durch Fermentation von Pflanzen (z.B. Zuckerrohr,Mais)

Nachteile Alkanole als Treibstoff

• Energiegehalt geringer als Alkane→ höherer Verbrauch pro Kilometer

• zieht Wasser an (je kürzer, desto mehr)

Kann Ethanol als Kraftstoff genutzt werden

Ja, aber nicht ohne Modifikation am Motor, da Ethanol Dichtungen und Leitungen des Motors angreifen kann, wenn dieser nicht darauf ausgelegt ist

Verwendung von Alkanolen in Treibstoff

• Methanol: Schiffskraftstoff, Rennsport

• Ethanol: Kraftstoffzusatz, Antiklopfmittel (verbessert Oktanzahl)

• Butanol: vielversprechender Kraftstoff der Zukunft, da ähnlicher Energiegehalt wie Benzin und geringes Wasseraufnahmevermögen

Zusammensetzung von Benzin

Gemisch aus leichten Kohlenwasserstoffen (vor allem Alkane und Cycloalkane) und Zusatzstoffe wie Ethanol als Antiklopfmittel

Was ist Cracken?

Verfahren, bei dem größere, schwerere Kohlenwasserstoffmoleküle aus Erdöl in kleinere, leichtere Moleküle (für Benzin) zerlegt werden. Das Öl wird auf 600-900°C erhitzt und die langkettigen Alkane in Schlingerbewegungen versetzt, so dass sie an den Kohlenstoffverbindungen aufreißen. Beschleunigt wird die Reaktion durch einen Katalysator

Warum wird Cracken genutzt?

Durch Destillation von Erdöl kann nicht einmal 20% des Bedarfs an Benzin gedeckt werden, da Rohöl viele schwerere Fraktionen enthält, die nicht als Kraftstoffe genutzt werden können

Umlagerung

• Alkyl-Radikale (mit jeweils 1 ungepaartem Elektron) entstehen bei Spaltung von Kohlenwasserstoff-Molekülen

• Radikale entreißen anderen Molekülen Wasserstoffatome→ kleinere Kohlenwasserstoffe entstehen

• verliert ein Molekül so all seine Wasserstoffatome, bleibt elementarer Kohlenstoff in Form von Ruß zurück

• zerbricht Molekül beim Cracken an zwei Stellen entsteht ein Diradikal

• Enden des Diradikals verbinden sich und es entsteht ein Cycloalkan

• Verbinden sich zwei Diradikale entsteht ein ungesättigter Kohlenwasserstoff (Alken)

Was ist der Brennraum

Der Teil des Zylinders, in dem die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs stattfindet. Er liegt oberhalb des Kolbens, wenn sich dieser im obersten Punkt seiner Bewegung befindet.

Formel Berechnung Brennraum (oder Brennraumvolumen)

VB= VHub/r(Kompressionsverhältnis)-1

Formel zur näherungsweisen Berechnung von Blutalkoholkonzentration

w(Alkohol im Blut in %)=m(Alkohol) (in g)/ m(Körper) (in kg)* r

r bei Frauen= 0,6

r bei Männern= 0,7

Formel zur Berechnung des Alkoholabbaus

BAKnach Zeit=BAKStart−(Abbaurate×Stunden)

Abbaurate bei Frauen= 0,1

Abbaurate bei Männern= 0,15