Benutzer:BirgitLachner/Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Vom Erdöl zu Seife und Tensiden
Benutzer:BirgitLachner/Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Vom Erdöl zu Seife und Tensiden
Schon auf der letzten Seite wurde erwähnt, dass im 20. Jahrhundert, die üblicherweise aus natürlichen Fetten gewonnenen Seife nach und nach durch ähnlich wirkende Stoffe ersetzt wurde, die aus Erdöl-Bestandteilen produziert wurden.
Das erscheint merkwürdig, denn sowohl die natürlichen Fette als auch Erdöl, sind ja nicht gerade Wasserlöslich und außerdem würde man beide eher mit "Verschmutzung" im Zusammenhang bringen.
Als Einstieg und auch als Vorbereitung für neue Erkenntnisse, sollst du erst einmal ein paar Experimente durchführen, die sich damit beschäftigen, wie unterschiedlich Öl und Wasser sind und wie unterschiedlich sie sich beim Vermischen mit anderen Stoffen verhalten.
Die Experimente werden in mehreren Stationen durchgeführt. Dabei nutzen wir nicht Erdöl, was ja ein Gemisch ist, sondern Pflanzenöle (weil ungiftig!) und einfache Bestandteile des Erdöls.
Die Experimente zeigen bestimmte Eigenschaften, die du bisher, mit deinem bisher erworbenem Wissen, noch nicht erklären kannst. Dabei sind dir einige Eigenschaften vermutlich durchaus aus dem Alltag bekannt. Damit du diese Eigenschaften am Ende dieses Kapitels erklären kannst, wirst du einiges an neuer Theorie erarbeitet werden müssen.
Wir steigen erst einmal mit dem Erdöl und seinen typischen Bestandteilen ein, klären deren Aufbau und den sich daraus ergebenden Eigenschaften. Der Vorteil bei den Erdöl-Bestandteilen ist außerdem, dass sie sehr viel einfachere Moleküle haben im Vergleich zu Pflanzen-Öl, sich aber sehr ähnlich verhalten. Daher können wir unsere Überlegungen zu den "neuen" Stoff-Eigenschaften rund um die Löslichkeit verschiedener Stoffe auch damit betrachten.
Erdöl - der wichtigste Rohstoff für die chemische Industrie
Wenn man Erdöl sieht - abgesehen von dem Geruch - was denkst du, könnte man daraus herstellen? Fällt dir da etwas anderes ein, als Benzin, Diesel und Heizöl ... also die typischen Treib- und Heizstoffe. Tatsächlich ist Erdöl mit über 70% der weitaus wichtigste Rohstoff, der die Grundlage für die Produkte der chemischen Industrie darstellt. Dazu kommt noch das Erdgas mit über 10%. Allerdings ist das nur ein relativ kleiner Anteil von der gesamten Erdöl-Produktion, denn der größte Teil wird zur Energie-Produktion eingesetzt.
Es gibt übrigens durchaus verschiedene Arten an Erdöl, je nachdem woher das Erdöl kommt.
Die Farbe, der Geruch und die Bestandteile hängen stark davon ab, wie das Erdöl entstanden ist. Willst du etwas mehr über Entstehung von Erdöl erfahren, dann kannst du dich ein bisschen mehr damit beschäftigen.
Die eigentlichen Rohstoffe, die erstmals innerhalb der chemischen Industrie verarbeitet werden, sind ausgesprochen vielfältig und reichen von Salzen über Edelmetalle, Erdölprodukte und nachwachsende Rohstoffe bis hin zu Seltenen Erden.
Entwicklung der Chemischen Industrie - Von der Steinzeit ...
In der Frühphase der Menschheit gehörten chemische Prozesse schon zum alltäglichen Handwerk. Die Ausgangsstoffe waren vor allem mineralische Substanzen, wie Salze und Erze, aber auch natürliche Rohstoffe, wie Pflanzen-Bestandteile und -Produkte oder tierische Stoffe.
Im Gegensatz zur heutigen Forschung in der Chemie, waren Rezepte zur Herstellung bestimmter Produkte Ergebnisse von Versuch und Irrtum. Die Gewinnung von Metallen aus Erzen und Gestein wurde dabei schon seit sehr früher Zeit betrieben. Wir haben das schon bei der Kupfer-Gewinnung angesprochen. Die Alchemisten waren die damaligen "Forscher", die sich vor allem darum bemühten, das so begehrte Gold herzustellen. Die Rezepte waren recht merkwürdig, wenn wir sie uns heute anschauen.
Neben den wichtigen Metallen ist aber auch die Herstellung von Salben, Seifen, Öle, Milch und Quark, Wein, das Bierbrauen, Essig, die Herstellung von Papyrus zum Schreiben, die Lederherstellung und das Färben mit Farbstoffen wie Henna, Indigo, Krapprot, Safran und mineralischen Pigmenten, die Gewinnung von ätherischen Ölen, Salzen (z.B. Alaun und Kochsalz) bekannt.
Man nutze Schwefeldämpfe (Schwefeldioxid) wurden zum Räuchern, zum Reinigen von Stoffen, zur Konservierung von Wein, zur Zerstörung von Farbstoffen, zur Herstellung von Alaun.
Bei den Ägyptern, Griechen und Römern kannte man bereits verschiedene Arzneimittel wie Kupfervitriol (Kupfersulfat als Brechmittel), Alaun (zum Gurgeln), Eisenrost, Bleiglätte, Mohnextrakt (zum Einschläfern), Bilsenkraut, Mandragorawurzel, Hyoscyamin, Skopolamin (zum Berauschen, Betäuben).
Aber auch Erdöl ist bereits seit einigen Tausend Jahren bekannt und wurde auch genutzt. Wegen seiner geringen Dichte kann es beim Fehlen einer nach oben abdichtenden Gesteinsschicht aus größeren Tiefen bis zur Erdoberfläche aufsteigen. So wurde das zähflüssige Bitumen im Schiffbau, gemischt mit Sand, Schilf und anderen Materialien, zum Abdichten der Ritzen zwischen den hölzernen Schiffsplanken verwendet.
Alles in allem, war die Bedeutung der Chemie noch nichts so groß, denn der größte Teil des Alltags machte der Anbau und die Nutzung und Verarbeitung von natürlichen Materialien aus.
... über das Industriezeitalter ...
Ab etwa 1850 spricht man von einer chemischen Industrie, die sich damit zu einem eigenständigen Industrie-Zweig entwickelte. Die Industrialisierung wurde vor allem dadurch möglich, dass man das Verfahren zur Gewinnung von Eisen verbesserte, das wiederum Grundlage für die wichtigen Herstellungsmaschinen war.
Der wichtigsten Ausgangspunkt der anorganischen Chemie war aber das schon 1740 erfundene Verfahren Bleikammerverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure (H2SO4-Lösung).
Das zweites Schlüsselprodukt der Chemieindustrie war Soda (Na2CO3), für das 1791 ein großtechnisches Verfahren entwickelt wurde. Für die Soda-Herstellung wurde unter anderem die Schwefelsäure benötigt. Soda ist eines der vielseitigsten Produkte der chemischen Industrie und wird von fast allen Industriezweigen eingesetzt. So wird es benötigt für die Herstellung von Glas, Bleich- und anderen Reinigungsmitteln und man braucht es auch bei der Herstellung von Eisen, Papier, Leder und vielen anderen Stoffen. Obwohl das Soda im Namen der Badische Anilin- und Sodafabrik (BASF) vorkommt, war es doch "nur" ein Hilfsmittel, um künstliche Farbstoffe herzustellen, denn der Einkauf war zu teuer.
Das nächste wichtige Produkt der chemischen Industrie war die Salzsäure. War sie zuerst nur ein eher unerwünschtes Nebenprodukt bei der Schwefelsäure-Herstellung, so nutzt man sie seit 1890 zur Herstellung von Chlor, Wasserstoff und Natronlauge, was durch Elektrolyse aus Kochsalz (NaCl Natriumchlorid) möglich war.
Die organische Chemie, spielte in der chemischen Industrie ab 1833 ein Rolle, als man es schaffte, aus dem bei der Verarbeitung von Steinkohle anfallenden Steinkohleteer synthetischen Farbstoffe, Arzneimitteln und Kunststoffen.
Um die Jahrhundertwende galten die Chemie und die chemische Industrie als friedens- und damit staatserhaltend, denn Düngemittel, Pflanzenschutzmittel und Unkrautvernichter steigerten die Erträge in der Landwirtschaft. Farbstoffe und Pigmente brachten Farben für Kleidung, Druckerzeugnisse, Häuserfassaden, und die Fotografie. Kunstfasern erhöhten das Angebot an preiswerten Textilien. Kunststoffe brachten neue Güter für Haushalte und Gewerbe. Arzneimittel verbesserten den Gesundheitszustand und senkten das Infektionsrisiko bei gefährlichen und ansteckenden Krankheiten wie Tuberkulose, Syphilis oder Diphtherie.
... bis hin zur Petrochemie
Viele Materialien wurden aus Naturstoffen hergestellt, deren Gewinnung teilweise sehr aufwendig und auch abhängig von den Wetterbedingungen war. Das führt zu hohen Rohstoffpreisen und eine Abhängigkeit von Erzeugern in fernen Ländern. Diese Sicherung der Rohstoff-Märkte war eines Anlässe der Kolonialisierungs-Bestrebungen der Europäischen Großmächte.
Während des Ersten und Zweiten Weltkriegs verlor das Deutsche Reich den Zugang zu seinen Kautschuk-Quellen, wodurch die Suche nach Alternativen gefördert wurde. Im Ersten Weltkrieg wurde der Methyl-Kautschuk hergestellt, der auf der Verwendung von Braunkohle und Kalk beruhte, zwei Stoffe, die es ´im ansonsten eher rohstoffarmen Deutschland in großen Mengen gibt.
Die Buna-Werke in Schkopau, zwischen Merseburg und Halle (Saale), wo Methyl-Kautschuk zuerst herstellt wurde.
Herstellung von Synthesekautschuck 1941 in Amerika.
Als während des Zweiten Weltkriegs das Japanische Reich die asiatischen Kautschuck-Plantagen besetzte, wurde auch bei den Allierten der Kautschuck knapp. Die USA begannen daher ab 1941 staatlich finanzierte Fabriken für Buna-Kautschuk aufzubauen. Ab 1960 folgte der Wechsel zur Herstellung von einem Kautschuck-Ersatz auf Kohlebasis hin zum Erdöl. Dies war erst mit der groß angelegten Erschließung von Erdöl- und Erdgasfeldern möglich. Der Vorteil war, dass Erdöl und Erdgas billiger waren, besser zu transportieren und leichter zu verarbeiten sind als Kohle. Mit diesem Rohstoffwechsel, der sich nach und nach weltweit durchsetzte, wurde ein neuer Zweig der Chemie begründet: die Petrochemie.
Typische Raffinerie, mit den Destillationstürmen, zur Auftrennung der Erdöl-Bestandteile.
Erdöl besteht zu nahezu 100% aus Verbindungen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten. Diese Kohlenwasserstoffe können nahezu beliebig lange Ketten von Kohlenstoff-Atomen haben.
Unterscheiden können sich die Kohlenwasserstoffe, neben der Anzahl der Kohlenstoffatome, noch durch die Arten der enthaltenen Bindungen. Denn zwischen den Kohlenstoff-Atomen sind auch Doppel- oder sogar Dreifachbindungen möglich.
- Das einfachste Alkan Methan in verschiedenen Darstellungen
Kugelmodell, wie die Atomehüllen überlappen
Wie die Elektronenpaare zwischen den Atomen angeordnet sind
Elektronenpaare als Striche gezeichnet (Lewisschreibweise)
- Das einfachste Alken Ethen in verschiedenen Darstellungen
Kugelmodell, wie die Atomhüllen überlappen
Wie die Elektronenpaare zwischen den Atomen angeordnet sind
Elektronenpaare als Striche gezeichnet (Lewisschreibweise)
Aber auch ringförmige Verbindungen sind möglich. Ein spezielle Variante der Kohlenwasserstoff sind die Aromaten, bei denen man ringförmige Grundgerüste mit mehreren Doppelbindungen hat, die immer abwechselnd zu Einfachbindungen vorliegen. Dazu gehört das Benzol.
- Benzol - der einfachste Aromat
Der einfachste Aromat mit der Formel C6H6 hat abwechselnd Einfach- und Doppelbindungen
Die Darstellung im Kalottenmodell zeigt, wie kompakt das Benzol-Molekül tatsächlich ist.
Die Petrochemie bevorzugt aber für die Herstellung von anderen Produkten eher kurzkettige Kohlenwasserstoffe und auch mit Doppelbindungen, da diese Alkene reaktiver als die Alkane sind.
Hier einige Begriffe, die du kennen solltest
- Alkane = Kohlenwasserstoff, die nur Einzelbindungen enthalten
- Alkene = Kohlenwasserstoff, die mindestens eine Doppelbindung enthalten
- Alkine = Kohlenwasserstoff, die mindestens eine Dreifach enthalten
- Cyclo-Alkane = Alkane, die mindestens eine Ring enthalten
- Aromaten = Ringförmige Verbindungen mit mehreren Doppelbindungen, die im Ring abwechselnd mit Einfachbindungen vorkommen.
Die Alkane sind eine Gruppe, der sogenannten Kohlenwasserstoffe. Die Eigenschaften, ihre Namen und die Verarbeitung wirst du nun etwas genauer betrachten.
Die wichtigsten Ausgangsstoffe der Petrochemie sind die folgenden Kohlenwasserstoffe, die allerdings keine Alkane sondern Alkene sind. Die Namen kann man, wenn die Namen der Alkane kennt, ganz gut verstehen.
Ethylen oder auch Ethen ... der Name Ethen kommt von Ethan, wobei die Endung "en" andeutet, dass eine Doppelbindung enthalten ist.
Propylen oder Propen ... wie vorher, der Name ergibt sich aus "Prop-" für drei Kohlenstoff-Atome und die Endung "-en" für eine Doppelbindung
Buten ... hier ist die Benennung wie vorher.
Ein anderes Alkan, dass von großere Bedeutung ist, ist das sogenannte Isooctan. Und zwar ist es einer der Hauptbestandteile des Benzins.
Das ist die Lewissschreibweise von Isooctan.
Hier als Kugel-Stab-Modell. Hier sieht man auch die räumliche Anordnung.
Wenn man das Kalottenmodell betrachtet, so sieht das Molekül sehr "knubbelig" und eher rund aus.
Woher kommt hier der Name Isooctan? Octan heißt ja ein Alkan, dass 8 Kohlenstoff-Atome hat. Das ist hier auch der Fall. Die Vorsilbe "Iso-" ist noch nicht angesprochen worden. Im Grund ist "Isooctan" auch eher ein Trivialname, der sich eingebürgert hat. Ganz genau betrachtet, müsste man das Isooctan eigentlich 2,2,4-Trimethylpentan nennen. Hört sich kompliziert an, ist es aber eigentlich gar nicht. Die Vorsilbe "Iso-" kommt übrigens von Isomer.
Als Isomerie bezeichnet man die Existenz von zwei oder mehreren chemischen Verbindungen mit gleicher Summenformel, die sich jedoch in der Verknüpfung oder der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden. Die entsprechenden Verbindungen werden Isomere genannt und lassen sich durch unterschiedliche Strukturformeln darstellen.
- WICHTIG: Es gibt kein einzelnes Isomer!
Die Benennung von verschiedenen Alkan-Isomeren ist eine wichtige Grundlage der Kohlenstoff-Chemie, die du zukünftig öfters gebrauchen kannst. Die ganze systematische Benennung der Moleküle in der Organischen Chemie beruht darauf.
Die Kohlenstoff-Atome können sich, wie die vorgestellten Beispiele zeigen, nicht nur zu langen Ketten anordnen. Die Benennung dieser verzweigten Alkane ist ein wichtige Grundlage zur Kohlenstoff-Chemie, daher wirst du das nun lernen.
Was macht den Unterschied zwischen einem Wasser- und einem Methan-Molekül?
Was führt dazu, dass sich Wassermoleküle offensichtlich stärker anziehen als Methanmoleküle? Dahinter steckt die Idee der "Elektronegativität". Was das bedeutet und wie sie sich auswirkt, wird auf der Unterseite genau besprochen.
