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Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe

Erdöl und Erdgas sind fossile Rohstoffe, die aus Plankton entstanden sind und vor Millionen von Jahren gebildet wurden. Beide bestehen überwiegend aus Kohlenwasserstoffen, allerdings unterscheiden sie sich in der Anzahl der Kohlenstoffatome. Du fragst dich, wie genau das geht? Du möchtest mehr über ihre Entstehung, Zusammensetzung und Verwendung erfahren? Dann tauche jetzt tiefer ein und finde mehr in unserem nachfolgenden Text heraus!

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Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema 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.

Erdöl – Zusammensetzung Erdgas – Zusammensetzung
  • Kohlenwasserstoffe mit mehr als vier Kohlenstoffatomen
  • Zum Teil Schwefelwasserstoffe
  • Flüchtige Kohlenwasserstoffe: hauptsächlich Methan $\ce{CH4}$
  • Zum Teil Ethan $\ce{C2H6}$, Propan $\ce{C3H8}$ oder Butan $\ce{C4H10}$
  • Zum Teil Stickstoff $\ce{N2}$, Edelgase, Kohlenstoffdioxid $\ce{CO2}$ oder Schwefelwasserstoffe
  • 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 $\pu{19 MJ//kg}$.

    Erdöl Erdgas
    Aggregatzustand flüssig gasförmig
    Siedebereich mittlerer bis hoher Bereich $\pu{-160°C}$
    Geruch Benzingeruch geruchlos
    Farbe gelb bis schwarz farblos
    Besonderheiten brennbarer Stoff leicht entzündlich

    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.

    Erdöl Erdgas
    Rohstoff in der Chemieindustrie: Daraus lassen
    sich bis zu 300 Grundchemikalien herstellen, woraus wiederum fast alles andere hergestellt werden kann.

  • Lacke und Farben
  • Bestandteile von Waschmitteln
    und Reinigungsmitteln
  • Arzneimittel
  • Herstellung von Kunststoffen
  • Wärmeerzeugung für die Beheizung von Räumen und Industriewärme
  • Stromerzeugung
  • Treibstoff für Kraftfahrzeuge (Kraftstoff Zusammensetzung)
  • Energielieferant für die Eisenherstellung
  • 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.

    Wie setzt sich Erdöl zusammen? Verteilung der zehn größten Erdölverbraucher

    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.

    Bestandteile Erdöl: Zusammensetzung Erdöl einfach erklärt

    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!

    Teste dein Wissen zum Thema Erdöl und Erdgas!

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    Vorschaubild einer Übung

    Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe kannst du es wiederholen und üben.
    • Gib an, was Plankton ist.

      Tipps

      Bei Plankton handelt es sich um Lebewesen.

      Das Bild zeigt eine schematische Darstellung von Plankton.

      Lösung

      Die Entstehung von Erdöl und Erdgas begann bereits vor circa 500 Millionen Jahren.
      Zu dieser Zeit gab es noch keine Dinosaurier. Aber das Meer war von Plankton, den winzigen Lebewesen, die im Wasser schweben, bevölkert.

      Als diese winzigen Organismen starben, sanken sie auf den Meeresboden. Mit der Zeit sammelten sich immer mehr Schichten aus abgestorbenem Plankton und anderen organischen Materialien. Diese Schichten wurden von Sand, Schlamm und anderen Sedimenten bedeckt. Unter dem hohen Druck und der Hitze, die tief unter der Erde herrschen, wandelten sich diese organischen Materialien über Millionen von Jahren in Erdöl und Erdgas.

    • Stelle dar, wie aus Plankton Erdöl und Erdgas entstehen können.

      Tipps

      Die Geschichte der Entstehung von Erdöl und Erdgas beginnt mit Plankton, den winzigen Kleinstlebewesen.

      Lösung

      $\text{Bild 1:}$
      Plankton lebt in den Ozeanen. Wenn diese winzigen Organismen sterben, dann sinken sie auf den Meeresboden.

      $\text{Bild 2:}$
      Dort werden sie durch Mikroorganismen wie Bakterien zersetzt und es bildet sich sogenannter Faulschlamm.
      $\to$ Der Unterschied zur normalen Verwesung besteht darin, dass die Umgebung sauerstoffarm ist. Deshalb werden die kohlenstoffhaltigen Überreste der organischen Materie nicht gleich zu Kohlenstoffdioxid zersetzt.

      $\text{Bild 3:}$
      Nach Millionen von Jahren lagert sich Sedimentschicht über Sedimentschicht ab und es entsteht ein poröses Gestein in großer Tiefe.

      $\text{Bild 4:}$
      Dort wird der Faulschlamm unter hohem Druck und erhöhter Temperatur in ein flüssiges Stoffgemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen umgewandelt: Das ist Erdöl.
      $\to$ In größeren Tiefen können auch gasförmige Kohlenwasserstoffe gebildet werden. Diese steigen langsam nach oben durch das poröse Gestein, bis sie sich unter einer undurchlässigen Erdschicht sammeln. Dort finden wir dann Erdgas.

    • Vergleiche die Kohlenwasserstoffe.

      Tipps

      Das Bild zeigt ein Methan-Molekül.

      Im Vergleich zum Elektroauto ist der Verbrenner ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und nutzt Benzin oder Diesel als Kraftstoff.

      Lösung

      Erdgas besteht vor allem aus Methan, neben anderen kurzkettigen Kohlenwasserstoffen wie Ethan, Propan und Butan. Diese Kohlenwasserstoffe sind leicht entzündliche Gase und werden zur Stromerzeugung in Gaskraftwerken sowie in Heizungen und Öfen verwendet.

      Aus Erdöl lassen sich weniger flüchtige Gemische wie Benzin, Kerosin, Diesel und Schweröl gewinnen. Darin enthalten sind Kohlenwasserstoffe mittlerer Kettenlänge, die unter Normalbedingungen flüssig sind. Sie werden als Treibstoffe für Verbrennungsmotoren in Autos, Lkw, Flugzeugen, Zügen und Schiffen genutzt.

    • Erläutere die Vor- und Nachteile der Verbrennung von Erdöl und Erdgas.

      Tipps

      Das ist die Reaktionsgleichung einer vollständigen Verbrennung.

      Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde.

      Lösung

      Zu Beginn des vorigen Jahrhunderts wurde das Verbrennen von Erdöl und Erdgas als eine vielversprechende Lösung angesehen. Heute betrachten wir die Verbrennung von Erdöl und Erdgas deutlich kritischer. Denn neben den Vorteilen hat das Verbrennen erhebliche negative Auswirkungen, vor allem für unsere Umwelt.

      Ein Vorteil der Verbrennung von Erdöl und Erdgas ist deren sehr hohe Energiedichte: Schon bei der Verbrennung von relativ geringen Mengen wird viel Energie freigesetzt, die in Wärme und dann wiederum in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.

      Ein großer Nachteil der Verbrennung ist allerdings die Entstehung von Kohlenstoffdioxid. Das ist ein Problem, da es in der Atmosphäre als Treibhausgas wirkt. Dadurch wird die vom Menschen verursachte Erderwärmung weiter beschleunigt.

    • Bestimme, welche Stoffe zum Teil aus Erdöl bestehen.

      Tipps

      Erdöl wird unter anderem zur Produktion von Kunststoffen genutzt.

      Es gibt drei richtige Antworten.

      Lösung

      Erdöl ist ein wichtiger Rohstoff, der in etlichen Bereichen unseres Lebens eine Rolle spielt. Aus Erdöl werden Treibstoffe wie Benzin und Kerosin hergestellt, die Autos und Flugzeuge antreiben. Es wird auch zur Produktion von Kunststoffen verwendet, die in zahlreichen Alltagsgegenständen vorkommen. Zudem dient Erdöl als Basis für viele Chemikalien, die in der Medizin und Industrie genutzt werden. Trotz seiner Vorteile hat Erdöl auch negative Auswirkungen auf die Umwelt.

      Erdöl findet vielseitige Anwendung in unserem Alltag. Zu den wichtigsten Verwendungszwecken zählen:

      • Kunststoffe, etwa Verpackungsmaterialien,
      • Medikamente,
      • Textilien und synthetische Kleidungsstoffe,
      • Kosmetikprodukte sowie
      • Lacke und Farben.

      $\to$ Lebensmittel bestehen nicht direkt aus Erdöl. Aber Erdöl spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung und Verarbeitung vieler Lebensmittel. Einige Lebensmittelzusatzstoffe können aus erdölbasierten Verbindungen hergestellt werden.

    • Begründe, wieso auf Plastik so weit wie möglich verzichtet werden sollte.

      Tipps

      Es gibt drei richtige Antworten.

      Obwohl der Pfand für Plastikflaschen in Deutschland höher als der für Glasflaschen ist, ist die Herstellung von Plastikflaschen weitaus günstiger als die von Glasflaschen.

      Lösung

      Plastikflaschen sind praktisch, weil sie billig, leicht und haltbar sind. Aber sie sind eher schlecht für die Umwelt. Deshalb versuchen immer mehr Leute, Alternativen zu finden und weniger Plastik zu nutzen.

      Das sind einige der Gründe, warum wir auf Plastik verzichten sollten:

      Kunststoffe bestehen aus Erdöl und Erdgas: Plastikflaschen werden aus Erdölprodukten hergestellt und Erdöl ist eine nicht erneuerbare Ressource. Die Förderung und Verarbeitung von Erdöl hat zusätzliche Umweltbelastungen zur Folge.

      Kunststoffe sind sehr langlebig und können in der Umwelt Hunderte von Jahren verweilen, wobei sie schädliche Auswirkungen auf die Umwelt haben können: Sie zersetzen sich nicht vollständig, sondern zerfallen in kleinere Partikel (Mikroplastik), die weiterhin Umweltrisiken darstellen.
      Nur ein kleiner Teil des produzierten Plastiks wird recycelt: Ein großer Teil landet auf Mülldeponien oder in der Umwelt. Zusätzlich sind die Recyclingkosten für Plastik oft sehr hoch.

      Viele Meerestiere sterben aufgrund der Aufnahme von Mikroplastik: Meerestiere verwechseln oft Plastikmüll mit Nahrung. Wenn sie das Plastik verschlucken, dann kann dies ihren Verdauungstrakt blockieren. Das heißt, das Tier fühlt sich satt, obwohl es keine Nährstoffe aufgenommen hat, was zu Hunger und Tod führen kann.

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