Erdgas und seine Zusammensetzung
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Lerntext zum Thema Erdgas und seine Zusammensetzung
Erdgas und seine Zusammensetzung
Die Entstehung von Erdgas – eine Reise durch die Zeit
Nach dem heutigen Text weißt du mehr über Erdgas und dessen Entstehung, was uns auf eine faszinierende Reise durch die Geschichte der Erde führt. Erdgas ist zwar nicht im Naturkundemuseum neben versteinerten Pflanzen und Tieren (Fossilien) ausgestellt, doch auch dieser fossile Energieträger entstand über Millionen von Jahren, indem sich tote Lebewesen wie Pflanzen und Tiere auf dem Meeresgrund meist flacher Meere aufschichteten. Durch den mikrobiellen Abbau sammelten sich die Überreste dort an. Schicht um Schicht bildete sich über die Zeit unter Sauerstoffmangel eine Ansammlung von organischem Material, das oft auch als organischer Schlamm (Faulschlamm) bezeichnet wird. Dieser wurde schließlich durch Meeresströmungen von Sand und Ton bedeckt und somit allmählich über die Jahrmillionen tief vergraben. Durch das Gewicht der Wasser- und Erdmassen wurde ein enormer Druck erzeugt. Zudem sind in entsprechender Tiefe aufgrund der Nähe zum Erdkern hohe Temperaturen vorhanden. Dieser hohe Druck und entsprechende Temperaturen in den Tiefen der Erde führten zusammen mit dem dort herrschenden Sauerstoffausschluss dazu, dass diese organischen Ablagerungen in einen komplexen chemischen Prozess eingebunden wurden. Es erfolgte eine Umwandlung dieser organischen Materialien in Kohlenwasserstoffe, darunter auch das wertvolle Methan, das den Hauptbestandteil von Erdgas ausmacht. Neben Erdgas zählen auch Erdöl und Kohle zu den fossilen Energieträgern.
Die Förderung, Zusammensetzung und Aufbereitung von Erdgas
Das entstandene Erdgas sammelte sich in unterirdischen Gesteinsschichten und bildete Reservoirs. Diese Reservoirs befinden sich in verschiedenen geologischen Formationen, von porösen Sandsteinen bis zu undurchlässigen Schiefergesteinen. Die Förderung von Erdgas ist ein komplexer Prozess, der tiefe Bohrungen erfordert. An der Oberfläche wird das Erdgas gereinigt, da es oft Verunreinigungen enthält. Daher unterzieht man das geförderte Erdgas einem Reinigungsprozess, bei dem das Gas erst durch hygroskopische Chemikalien (Trockenmittel) vom Wasser getrennt wird. Unerwünschte Bestandteile wie Schwefelverbindungen oder Kohlenstoffdioxid werden durch Adsorptionsmittel entfernt.
Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan $\ce{(CH4)}$.
Das Gasmolekül Methan besteht aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen. Diese einfache, aber effiziente Molekülstruktur verleiht dem Methan seine beeindruckenden Brenneigenschaften. Es ist farblos, geruchlos und leichter als Luft. Neben Methan kann Erdgas auch geringe Mengen anderer Kohlenwasserstoffe enthalten, wie Ethan $\ce{(C2H6)}$, Propan $\ce{(C3H8)}$ und Butan $\ce{(C4H10)}$. Die genaue Zusammensetzung variiert je nach den geologischen Bedingungen, aus denen das Gas gefördert wird. Diese Vielfalt an Kohlenwasserstoffen ermöglicht es, Erdgas in verschiedenen Anwendungen einzusetzen. Die verschieden langen Kohlenwasserstoffe haben unterschiedliche Siedetemperaturen, weshalb sie durch Destillation voneinander getrennt werden können (Trennverfahren im Überblick). Dieser Reinigungsprozess ist entscheidend, um ein qualitativ hochwertiges Erdgasprodukt zu gewährleisten, das den Anforderungen der Energieindustrie entspricht.
Erdgas – Verwendung und Bedeutung
Erdgas spielt eine entscheidende Rolle in der globalen Energieversorgung. Es wird nicht nur für Heizzwecke und als Brennstoff für Kraftwerke verwendet, sondern auch als Rohstoff in der chemischen Industrie. In Deutschland wurde bis zum Ukraine-Konflikt (Februar 2022) der Großteil des Erdgases aus Russland importiert, was die Energieversorgung maßgeblich beeinflusste. Heute wird vermehrt Flüssiggas (sogenanntes LNG, engl. Liquefied Natural Gas oder Liquified Natural Gas) über den Schiffsverkehr aus den USA importiert. Es wird bei Temperaturen von etwa –162 °C verflüssigt gelagert. Angesichts dieser Abhängigkeit und globaler Energiestrategien sehen wir jedoch zunehmend die Notwendigkeit, auf erneuerbare und nachhaltige Energiequellen wie Sonnenenergie, Wasser- oder Windkraft sowie nachwachsende Rohstoffe oder Geothermie (Erdwärme) umzusteigen, da die Vorräte an fossilen Brennstoffen begrenzt sind und um die Versorgungssicherheit langfristig zu gewährleisten. Falls auch du einmal Chemikerin oder Chemiker werden solltest, wirst du außerdem erkennen, dass Erdgas als chemischer Ausgangsstoff in der Industrie fast zu wertvoll ist, um es einfach nur zu verbrennen.
Erdgas – Zusammenfassung
In der faszinierenden Entstehungsgeschichte von Erdgas wandelten sich Überreste toter Lebewesen unter Sauerstoffmangel und enormem Druck sowie hohen Temperaturen in den Tiefen der Erde in Kohlenwasserstoffe um. Der bedeutendste Kohlenwasserstoff im Erdgas ist Methan. Die Förderung erfordert komplexe Bohrungen, gefolgt von einem Reinigungsprozess, der Verunreinigungen entfernt und eine genaue Zusammensetzung des Gases gewährleistet. Der Hauptbestandteil Methan macht es zu einem effizienten und vielseitigen Brennstoff. Trotz seiner globalen Bedeutung steht die Notwendigkeit eines Umstiegs auf erneuerbare Energien im Vordergrund, um eine nachhaltige Energiezukunft zu sichern.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Erdgas und seine Zusammensetzung.
Erdgas und seine Zusammensetzung Übung
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Erkläre die Bildung von Erdgas unter der Erdoberfläche.
TippsDie Bildung von Erdgas beginnt mit kleinen Teilen.
Die notwendige chemische Reaktion wird durch Mikroorganismen unterstützt.
Die physikalische Einwirkung setzt erst nach der chemischen Reaktion ein.
LösungSchritte bei der Bildung von Erdgas
- Im Meer entstehen Kleinstlebewesen und mineralische Schwebstoffe. Das Meer muss flach sein, damit die kleinen Teilchen gut auf den Meeresboden sinken und sich dort ablagern.
- Mikroorganismen, das sind hier Bakterien, bewirken eine Verwesung dieser Stoffe.
- Beim Verwesungsprozess wird Sauerstoff verbraucht.
- Dadurch entsteht Faulschlamm. Dieser enthält hauptsächlich Kohlenwasserstoff-Verbindungen.
- Sand und Ton decken den Faulschlamm ab. Das ist wichtig, damit die Kohlenwasserstoffe nicht zersetzt werden.
- Auf das Reaktionsgemisch wird ein hoher Druck ausgeübt. Es wirken Temperaturen von etwa 200°C. Dabei entsteht Erdgas.
- Durch poröses Gestein gelangt das Erdgas wegen der geringen Dichte und dem Druck in gasundurchdringliche Schichten. Dort wird es gespeichert.
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Erkenne Eigenschaften von Methan.
TippsMethan weist ähnliche Eigenschaften wie alle Alkane auf.
Methan ist der einfachste und leichteste Kohlenwasserstoff.
Für die Farbgebung organischer Verbindungen müssen in den Molekülen Mehrfachbindungen auftreten.
LösungMethan ist der einfachste Kohlenwasserstoff. Es besitzt das kleinste Molekül und ist bei Raumbedingungen ein Gas.
Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass Methan einen spezifischen Geruch hat. Es riecht nicht unangenehm faulig. Methan ist geruchlos.
Methan ist wie alle Alkane farblos.
Es stimmt nicht, dass Methan hat eine höhere Dichte als Luft hat. Seine Dichte ist nur etwa halb so groß wie die Dichte der Luft. Das Gas sammelt sich nicht wie Propan oder Butan in Kellern. Es verfliegt.
Wie alle Alkane ist Methan brennbar. Da es ein Gas ist, lässt es sich leicht entzünden und verbrennen.
Wie viele organische Verbindungen ist Methan nicht gut wasserlöslich.
Es ist natürlich falsch, dass Methan In Alkohol und Ether kaum löslich ist. Methan ist in beiden Flüssigkeiten gut löslich.
Ein Ethan-Luft-Gemisch mit einem Luftanteil von 9 % ist explosiv. Es ist explosiv mit einem Luftanteil von 4-17 %.
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Nenne Alkane, die im Erdgas enthalten sind.
TippsUm zu beurteilen, ob ein Alkan Bestandteil von Erdgas ist, muss man Kenntnis über seine Flüchtigkeit besitzen.
Die Flüchtigkeit innerhalb der homologen Reihe der Alkane ändert sich nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit.
LösungMit zunehmender Kettenlänge innerhalb der homologen Reihe der Alkane steigen die Siedetemperaturen und damit die Flüchtigkeit der Verbindungen. Metan, Ethan, Propan und Butan sind unter Raumbedingungen Gase und auch Pentan ist mit einer Siedetemperatur von 36°C noch sehr flüchtig. Somit ist offensichtlich, dass die ersten fünf Vertreter der homologen Reihe im Erdgas enthalten sind:
- Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan
Heptan siedet bei 98°C, die folgenden Alkane entsprechend der Kettenlänge ihrer Moleküle höher. Damit sind im Erdgas nicht enthalten:
- Heptan, Octan, Nonan, Decan, Undecan
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Beschreibe Verfahren der Erdgasreinigung.
TippsEs gibt Feststoffe, die begierig Flüssigkeiten und Gase an sich binden.
Kohlenstoffdioxid bildet mit Wasser Kohlensäure. Es ist ein saures Gas.
Gasgemische werden häufig physikalisch getrennt.
LösungFolgende Paare von Aussagen gehören logisch zusammen:
- Erdgas enthält Wasser. und Die Entfernung erfolgt durch ein Molekularsieb.
- Erdgas enthält höhere Alkane. und Die Beseitigung geschieht durch Destillation.
- Schwefelwasserstoff ist störend. und Es wird Sauerstoff bei großer Hitze zugeführt.
$2\:H_2S$ + $O_2$ $\longrightarrow$ $2\:H_2O$ + $2\:S$
Die technische Gestaltung dieser Reaktion nennt man Claus-Verfahren.
- Kohlenstoffdioxid ist schädlich, da es Rohrleitungen zerstört.* und Die Verunreinigung kann durch eine organische Base chemisch gebunden werden.
- Manchmal enthält Erdgas Stickstoff und Helium. und Die Abtrennung erfolgt durch Tieftemperaturtrennung in einer Hochdrucktrennapparatur.
- Manchmal enthält Erdgas etwas Quecksilber. und Das Erdgas wird über ein Zeolith geleitet, das mit bestimmten Schwermetallen beschichtet ist.
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Nenne wichtige Bestandteile von Erdgas.
TippsErdgas enthält leicht flüchtige, brennbare Verbindungen.
Das im Erdgas enthaltene Edelgas entsteht beim radioaktiven Zerfall.
Reaktive Oxide sind keine Erdgasbestandteile.
LösungErdgasbestandteile
- Methan: Das ist der Hauptbestandteil.
- Kohlenwasserstoffe: Die enthaltenen Kohlenwasserstoffe sind relativ flüchtig.
- Schwefelwasserstoff: Die sehr giftige, nach faulen Eiern riechende Verbindung findet man häufig im Erdgas.
- Kohlenstoffdioxid: Das ist eines der Verbrennungsprodukte von Kohlenwasserstoffen.
- Helium: Das Edelgas ist mitunter ergiebig im Erdgas enthalten. Es entsteht durch den radioaktiven $\alpha$-Zerfall.
- Steinkohle: Kohle lagert an anderer Stelle und wird dort speziell abgebaut.
- Ethanol: Dieser Stoff entsteht durch alkoholische Gärung und ist kein Erdgasbestandteil.
- Schwefeltrioxid: Aus diesem Oxid entsteht mit Wasser Schwefelsäure. Im Erdgas ist es nicht enthalten.
- Phosphorpentoxid: Diese Verbindung ist stark hygroskopisch und liefert bei Kontakt mit Wasser Phosphorsäre. Im Erdgas findet man sie nicht.
- Xenon: Dieses Edelgas findet man leider nicht im Erdgas.
-
Schätze die relative Dichte von Methan ab.
TippsDie molaren Massen der Verbindungen erhält man durch Addition der molaren Massen der Elemente unter Berücksichtigung der Summenformel.
Bei der Bestimmung relativer Werte hat man es immer mit Zahlenverhältnissen zu tun.
Lösung1. Molare Massen von Methan, Stickstoff und Sauerstoff
- Methan: 16 g/mol (12 + 4$\cdot$1)
- Stickstoff: 28 g/mol (2$\cdot$14)
- Sauerstoff: 32 g/mol (2$\cdot$16)
Die atmosphärische Luft enthält an Volumenanteilen 79 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff. In kleinen ganzen Zahlen ergibt das folgendes Verhältnis:
M(Stickstoff) : M(Sauerstoff) = 4:1
Die Berücksichtigung der Anteile beider Gase liefert:
M(Luft) = 0,8$\cdot$28 g/mol + 0,2$\cdot$32 g/mol
Man erhält für den auf ganze Zahlen gerundeten Wert:
M(Luft) = 29 g/mol
3. Das Gesetz von der Zahl gleicher Teilchen
Die Zahl der Teilchen jedes Gases in einem bestimmten Volumen ist bei konstantem Druck und Temperatur konstant. Dieser Zusammenhang heißt Gesetz von Avogadro.
4. Berechnung der relativen Dichten
Die relativen Dichten sind durch einfache Division der molaren Massen bestimmbar. Für Methan in Relation zu Luft erhalten wir:
0,55
8'883
sofaheld-Level
6'601
vorgefertigte
Vokabeln
7'389
Lernvideos
36'076
Übungen
32'624
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