Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe

Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe in der Chemie

Erdöl und Erdgas sind fossile Rohstoffe. Bei Erdöl handelt es sich um ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen. Es kommt natürlicherweise in der Erdkruste vor. Erdgas ist ein brennbares, natürlich entstandenes Gasgemisch, das in unterirdischen Lagerstätten zu finden ist. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan $(\ce{CH4})$. Doch wie genau setzen sich Erdöl und Erdgas zusammen? Und was sind die Hauptbestandteile von Erdöl? In diesem Lerntext erfährst du auf einfache Weise erklärt mehr über die chemische Zusammensetzung, Entstehung, Eigenschaften, Verarbeitung und Gefahren von Erdöl und Erdgas.

Wie entstehen Erdöl und Erdgas?

Das Erdöl und Erdgas, das heute abgebaut wird, entstand vor 20 bis 500 Millionen Jahren in ruhigen und flachen Meeren. In den oberen Wasserschichten dieser Meere schweben unzählige winzig kleine Lebewesen – das Plankton. Sterben sie ab, sinken sie auf den Meeresgrund. Gerät das Plankton dabei in sauerstoffarme Bereiche, kann es nicht verwesen. Anaerobe Bakterien zersetzen das Plankton zu sogenanntem Faulschlamm, der im Laufe der Zeit von anderen Ablagerungen wie Sand und Geröll zugedeckt wird. Durch das so entstandene Gewicht der überlagernden Schichten verfestigt sich die Faulschlammschicht und wandert immer tiefer. In einer Tiefe von etwa 3 000 Metern erhitzt die Wärme aus dem Erdinneren das Gestein. Durch die Hitze und den Druck entstehen zähflüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe – so läuft die Entstehung von Erdöl und Erdgas ab.

Wie setzen sich Erdöl und Erdgas zusammen?

Erdöl und Erdgas sind Stoffgemische, die hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen wie den Alkanen zusammengesetzt sind. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Stoffen liegt in der Anzahl der Kohlenstoffatome der Kohlenwasserstoffe. Manche Erdgase enthalten noch Stickstoff $(\ce{N2})$ oder Edelgase. Weiter besteht die stoffliche und elementare Zusammensetzung mancher Erdöle und -gase auch aus Schwefelwasserstoffen. In der folgenden Tabelle siehst du die Zusammensetzung von Erdöl und Erdgas.

Eigenschaften von Erdöl und Erdgas

Die wesentlichen Eigenschaften von Erdöl und Erdgas sehen wir uns nun an. Beide Stoffe haben eine hohe Wärmeenergie. Diese wird oft als Brennwert in der Einheit Megajoule pro Kilogramm angegeben. Damit wird der spezifische Energieinhalt von Stoffen angegeben. Getrocknetes Holz hat zum Vergleich einen Brennwert von $\pu{19 MJ//kg}$.

Verwendung von Erdöl und Erdgas

Die Verwendungsmöglichkeiten für Erdöl und Erdgas sind sehr vielfältig. Ohne Erdöl und Erdgas kann nicht geheizt werden, es gäbe keine Kunststoffe oder keine Reinigungsmittel. Die Tabelle stellt die Verwendungsmöglichkeiten von Erdöl und Erdgas gegenüber.

Reserven und Produzenten von Erdgas und Erdöl

Erdöl kann man prinzipiell zu Lande oder zu Wasser fördern. Man gewinnt die Rohstoffe aus tief liegenden Lagerstätten. Erdgas dringt meistens durch den Eigendruck an die Oberfläche. Dies ist auch in der ersten Förderungsstufe bei Erdöl möglich. Reicht der Druck nicht aus, kann man durch Wasser den Druck erhöhen. Dieser zusätzliche Druck für die Förderung kann durch Dampf, Chemikalien oder Mikroben erreicht werden.

Der Entstehungsprozess von Erdöl und Erdgas dauert viele Millionen Jahre. Aus diesem Grund sind die beiden Rohstoffe so wertvoll. Die Prognosen darüber, wie lange die aktuellen Erdöl- und Erdgasvorkommen noch ausreichen, ändern sich laufend, da immer wieder neue Vorkommen entdeckt werden und die Fördermethoden sich laufend verbessern. Im Jahr 2010 ist geschätzt worden, dass das Erdgas noch für ca. 70 Jahre und Erdöl für ca. 50 Jahre ausreicht.

Das folgenden Diagramm zeigt die Länder mit dem größten Erdölverbrauch im Jahr 2017.

Die meisten Raffinerien besitzen die Vereinigten Staaten, gefolgt von Russland, China und Japan. Übrigens, die drei größten nichtstaatlichen Ölkonzerne sind Exxon, Shell und BP.

Ölvorkommen in Grenzgebieten

Wir nutzen Öl unter anderem zum Heizen, Autofahren und zur Stromerzeugung. Schon lange wird es als „schwarzes Gold“ bezeichnet, denn es ist unglaublich wertvoll und mittlerweile auch nur noch schwer zu finden. Während unser Bedarf stetig steigt, werden die Reserven der Erde knapp, weshalb wir bei der Suche immer mehr in Grenzgebiete vorstoßen.

Öl entstand, als urzeitliche Landpflanzen, Meerespflanzen oder Phytoplankton (kleine Tiere) starben und dann unter vielen Gesteinsschichten großem Druck ausgesetzt wurden. Im Laufe von Millionen von Jahren hat sich hieraus schließlich Erdöl gebildet. Da sich dies natürlich nicht so schnell erneuern kann, wie es abgebaut wird, sind leicht zugängliche Erdölvorkommen nahezu überall auf der Welt ausgeschöpft.

Neben den aktuell meist genutzten Gebieten, der Nordsee und dem Nahen Osten, wird weltweit nach Ölvorkommen gesucht. Häufig steht dies im Konflikt mit dem Naturschutz. Denn die Förderung von Öl benötigt Infrastruktur und macht so aus einem unberührten Stück Natur wie dem Arctic National Wildlife Refuge in einem abgelegenen Teil von Alaska ein Industriegebiet.

Als eines der letzten großen Grenzgebiete für fossile Brennstoffe gilt Grönland. Laut der US Geological Survey, der wichtigsten Kartografiebehörde der USA, könnten dort 50 Milliarden Barrel Öl und Gas liegen. Die Förderung von Öl ist in abgelegenen, unberührten Gebieten allerdings nicht nur gefährlich für die Umwelt, sondern auch teuer und risikoreich.

Da die Suche nach Öl trotz moderner Technologien weiterhin schwierig ist und man bis zur Bohrung nicht sicher ist, ob und wie viel Öl wirklich zu finden ist, kommt immer mehr Öl aus Gebieten, in denen das Risiko und die Auswirkungen auf die Umwelt groß und die Erträge möglicherweise niedrig sind. Daher sollten wir uns auch mit der Frage beschäftigen, wie hoch der wirtschaftliche und ökologische Preis tatsächlich ist und ob man keine Alternativen hat.

Erdölverarbeitung

Weil Erdöl ein Gemisch aus vielen Stoffen ist, benötigt man bestimmte Trennverfahren. Das wichtigste Verfahren ist dabei die fraktionierte Destillation von Erdöl. In Destillationstürmen findet stufenweise die Destillation statt. Dabei nutzt man die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Bestandteile. Dadurch lassen sich die einzelnen Gase, Benzin, Kerosin, Diesel, Heizöle und Bitumen gewinnen. Die Siedetemperatur in den Türmen steigt dabei von oben nach unten.

Ein anderes Verfahren ist das Cracken. Beim Cracken werden Moleküle zerkleinert. Genauer gesagt werden die längeren Kohlenstoffketten in kürzere Kohlenstoffketten gespalten. Die Produkte Benzin oder Diesel bestehen beispielsweise aus kürzeren Kohlenstoffketten. Beim Cracken wird zwischen dem thermischen und dem katalytischen Cracken unterschieden.

Das dritte Verfahren – das Reforming – ist die Umwandlung bestimmter Moleküle in andere. Aus unverzweigten Molekülen entstehen so verzweigte Moleküle. Das Reforming hat das Ziel, die Molekülstruktur von zum Beispiel Benzin zu verändern, um die Klopffestigkeit zu erhöhen. Das sogenannte Klopfen bezeichnet den Vorgang, bei dem sich das Benzin-Luft-Gemisch im Motor beim Verdichten frühzeitig entzündet.

Gefahren von Erdöl und Erdgas

Erdöl und Erdgas haben einen großen Nutzen für uns und sind schwer aus dem Alltag wegzudenken. Doch neben den Vorteilen bergen die Stoffe auch Gefahren:

• Öl- und Gasbrände
• Ölpest und -katastrophen bei Ölunfällen im Meer
• Treibhauseffekt durch Methan und das Verbrennungsprodukt Kohlenstoffdioxid

Zusammenfassung – Erdöl und Ergas als Kohlenwasserstoffe

Wir haben uns das sogenannte „schwarze Gold“ der Erde angesehen. Wie du dir schon denken kannst, handelt es sich dabei um Erdöl (und das mit diesem zusammen geförderte Erdgas). Bei beiden Rohstoffen handelt es sich um Kohlenwasserstoffverbindungen.

Du findest hier auch Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zur Zusammensetzung von Erdöl und Erdgas, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!