Verbrennung von Alkanen

Verbrennung von Alkanen – wie Motoren, Antioxidantien und chemische Radikale zusammenhängen

Egal ob kettenförmig, verzweigt oder zyklisch, bei der Verbrennung von allen Alkanen wird Energie frei. Alkane sind gesättigte, unpolare Kohlenwasserstoffe, die reaktionsträge sind. Allerdings verbrennen sie vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser unter Freisetzung von Energie. Das wird beispielsweise in der Antriebstechnik genutzt. Wie genau die technische Nutzung erfolgt, was das mit dem Treibhauseffekt zu tun hat und welche Rolle Antioxidantien bei der Oxidation von Alkanen spielen, ist Gegenstand dieses Textes.

Die Oxidation von Alkanen in der Chemie

Chemisch betrachtet ist die Verbrennung von Alkanen eine Oxidation. Dabei reagiert Sauerstoff ($\ce{O2}$) mit einem Alkan zu Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$) und Wasser ($\ce{H2O}$). Beispielhaft soll hier die Oxidation des Alkans Methan ($\ce{CH4}$) gezeigt werden:

$\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$

Die Reaktionsenthalpie $\Delta H$ bei dieser Reaktion beträgt $\Delta H^{0} = \pu{-891 kJ//mol}$, d. h., die Reaktion verläuft exotherm, es wird also Energie freigesetzt. Mithilfe der allgemeinen Formel zur Verbrennung von Alkanen lässt sich für jedes beliebige Alkan schnell die entsprechende Reaktionsgleichung formulieren:

Je länger die Kohlenstoffkette, desto mehr Energie wird bei der Verbrennung freigesetzt.

Technische Nutzung – Verbrennungsmotor

Die bei der Alkanverbrennung frei werdende Energie kann technisch genutzt werden. Ein Anwendungsbeispiel ist der Antrieb von Verbrennungsmotoren. Zu den Verbrennungsmotoren zählt sowohl der Dieselmotor als auch der Ottomotor. Der Ottomotor wird durch die Verbrennung von Benzin angetrieben. Benzin ist ein Gemisch aus geradlinigen oder cyclischen, gesättigten und sowohl verzweigten als auch unverzweigten Kohlenwasserstoffen, die zwischen sechs und zwölf Kohlenstoffatome besitzen. Gewonnen wird Benzin aus der Destillation von Erdöl. Benzin ist ein Gemisch verschiedener Alkane, kann also auch entsprechend unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen. Wichtig für die korrekte Funktionsweise des Motors ist, dass die Verbrennung des Benzins zum richtigen Zeitpunkt, kontrolliert und gleichmäßig erfolgt. Sonst kann der Motor Schaden nehmen. Erst nach dem Ansaugen und Verdichten des Benzins im Brennraum soll durch die Zündkerze die Verbrennung erfolgen. Der schematische Aufbau eines Ottomotors und die einzelnen Arbeitsschritte sind in den folgenden beiden Abbildungen erläutert:

Setzt die Verbrennung des Kraftstoffs zu früh ein, wird von Klopfen gesprochen. Ottokraftstoffe mit einer hohen Klopffestigkeit verbrennen gleichmäßig und schonen den Motor. Wie klopffest ein Kraftstoff ist, hängt von der Zusammensetzung der Alkane ab. Gasförmige, stark verzweigte Alkane sind sehr klopffest. Die Klopffestigkeit von Benzin wird durch die Oktanzahl angegeben.

Zur Bestimmung der Oktanzahl dienen zwei Vergleichssubstanzen: Isooctan (2,2,4- Trimethylpentan) wird die Oktanzahl 100 zugeordnet, reines n-Heptan besitzt die Oktanzahl 0. Ein Gemisch aus 92 % Isooctan und 8 % n-Heptan hätte also die Oktanzahl 92. Ein Kraftstoff mit dieser Oktanzahl hat die gleichen Eigenschaften wie dieses Gemisch. Die Klopfzahl von Benzinen mit geringer Klopffestigkeit kann durch das Beimischen sogenannter Klopfschutzmittel oder Antiklopfmittel erhöht werden. Als Klopfschutzmittel können z. B. Tertiärbutylmethylether, Benzol und Toluol eingesetzt werden. Diese Substanzen reagieren mit freien Radikalen, die hochreaktiv sind und eine vorzeitige Verbrennung des Benzins bewirken können.

Probleme bei der Verbrennung von Alkanen – Treibhauseffekt

Bei der Verbrennung von Alkanen entsteht als Endprodukt immer Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$), eines der bedeutendsten Treibhausgase. Dieses wird in großen Mengen bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas freigesetzt. Weitere Treibhausgase sind Stickoxide, Schwefeldioxid ($\ce{SO2}$) und Methan ($\ce{CH4}$). Treibhausgase sind verantwortlich für den sogenannten Treibhauseffekt. Trifft Sonnenstrahlung auf die Erde, wird ein Teil von der Oberfläche absorbiert, der Rest wird reflektiert und verlässt wieder die Atmosphäre. Treibhausgase absorbieren diese Wärmestrahlung und verhindern so eine Rückstrahlung in den Weltraum. Langfristig gesehen erhöht sich durch diesen Effekt die Durchschnittstemperatur auf der Erde.

Autoxidation von Alkanen

Im Gegensatz zur Verbrennung von Alkanen, die auf die Zufuhr von Sauerstoff und einer Aktivierungsenergie angewiesen ist, wird die Oxidation von Alkanen durch Luftsauerstoff als Autoxidation bezeichnet. Die Autoxidation verläuft wesentlich langsamer als die Verbrennung und es wird kaum Energie freigesetzt. Durch diesen Prozess entstehen aus Alkanen zunächst Hydroperoxide, die dann weiter zu Alkoholen, Aldehyden und Ketonen oxidiert werden können. Die Autoxidation von Kohlenwasserstoffen ist eine radikalische Kettenreaktion, die in mehreren Teilschritten abläuft. Zunächst wird aus der Alkylkette ein Wasserstoffatom abgespalten, es entsteht ein Alkylradikal $\ce{R•}$. Durch Reaktion mit Sauerstoff $\ce{O2}$ wird ein Peroxyradikal $\ce{ROO•}$ gebildet, das wiederum mit der Alkylkette zu einem Hydroperoxid $\ce{ROOH}$ und einem weiteren Alkylradikal reagiert. Durch Reaktion des Alkylradikals mit Sauerstoff startet diese Reaktionskette erneut.

$\ce{R• + O2 -> ROO•}$

$\ce{ROO• + RH -> ROOH + R•}$

Die Autoxidation ist in der Regel unerwünscht, da dieser Prozess beispielsweise zum Verderb von Nahrungsmitteln führt, z. B. entsteht ranziges Fett durch Autoxidation von Fettsäuren. Durch die Zugabe von Vitamin E und Vitamin C kann die Autoxidation von Alkanen verlangsamt oder verhindert werden. Diese Vitamine erschweren die Radikalbildung und wirken so der Autoxidation entgegen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Verbrennung von Alkanen