Raffination von Erdölfraktionen einfach erklärt: Cracken

Stell dir vor, du hast eine riesige Kiste mit einfachen, langen Legosteinen. Du möchtest aber ein schnelles, wendiges Rennauto bauen. Mit den langen Steinen allein funktioniert das nicht gut – du musst sie zerschneiden, umbauen und unbrauchbare Teile aussortieren.

Genau das passiert bei der Raffination von Erdölfraktionen in einer Erdölraffinerie! Das Rohöl, das aus der Erde kommt, ist wie diese Kiste voller unpassender Steine. In diesem Artikel lernst du, wie Chemiker die Moleküle des Erdöls durch Cracken, Entschwefeln und Reformieren so verändern, dass am Ende ein perfekter, leistungsstarker Kraftstoff für unsere Autos entsteht.

Vorwissen

• Alkane: Kohlenwasserstoffe, die nur aus Einfachbindungen bestehen. Beispiel: Butan ist ein kurzes Alkan, das als Gas in Feuerzeugen verwendet wird.
• Isomerie: Moleküle, die aus den exakt gleichen Atomen bestehen, aber unterschiedlich zusammengebaut sind (z. B. als gerade Kette oder verzweigt). Beispiel: Unverzweigtes Butan und verzweigtes Isobutan haben beide die Formel $\text{C}_4\text{H}_{10}$, aber eine völlig andere Form.
• Erdöldestillation: Die Trennung von Rohöl in verschiedene Gruppen (Fraktionen) anhand ihrer Siedepunkte. Beispiel: Benzin verdampft bei niedrigeren Temperaturen als schweres Heizöl.

Aufgabentyp 1: Das Cracken von Kohlenwasserstoffen

Beim Destillieren von Erdöl erhält man oft zu viele langkettige Moleküle (wie schweres Heizöl) und zu wenig von den kurzen Molekülen, die man für Benzin braucht. Um dieses Problem zu lösen, wendet man das Cracken an.

Beim Cracken werden langkettige Kohlenwasserstoff-Moleküle wie mit einer Schere in kürzere Moleküle zerschnitten. Dieser Prozess findet in einer speziellen Anlage statt, in der starker Druck und hohe Temperaturen herrschen. Zusätzlich helfen sogenannte Katalysatoren (chemische Werkzeuge), die Moleküle leichter zu spalten.

Wenn ein langes Molekül (z. B. Hexadecan) zerbricht, entstehen nicht nur kürzere Alkane, sondern auch ungesättigte Moleküle. Das bedeutet, dass diese neuen Moleküle Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen besitzen (wie z. B. Ethen oder Propen). Ein unerwünschtes Nebenprodukt bei diesem starken Erhitzen ist Ruß (reiner Kohlenstoff), der danach entfernt werden muss.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Entschwefelung von Benzin

Praxisbezug: Rohöl ist ein Naturprodukt und enthält oft Verunreinigungen, vor allem Schwefelverbindungen. Wenn diese im Benzin bleiben und im Motor verbrennen, entsteht giftiges und umweltschädliches Schwefeldioxid ($\text{SO}_2$). Dieses Gas ist mitverantwortlich für sauren Regen. Außerdem greifen die sauren Abgase das Metall des Motors an und verursachen Korrosion (Rost).

Um das zu verhindern, wird das Benzin entschwefelt. Dabei werden die Schwefelverbindungen gezielt entfernt. In der chemischen Reaktion reagiert ein Gemisch aus Schwefelwasserstoff ($\text{H}_2\text{S}$) und Schwefeldioxid ($\text{SO}_2$) zu harmlosem Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) und festem, gelbem Schwefel ($\text{S}$).

Die chemische Reaktionsgleichung dafür lautet:

$2 \text{ H}_2\textcolor{#FFCE51}{\text{S}} + \textcolor{#FFCE51}{\text{S}}\text{O}_2 \to 3 \textcolor{#FFCE51}{\text{S}} + 2 \text{ H}_2\text{O}$

Der so gewonnene Schwefel ist kein Abfall! Er wird in der Industrie weiterverwendet, zum Beispiel bei der Herstellung von Autoreifen oder um Schwefelsäure zu produzieren.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Notiere die Ausgangsstoffe (Edukte), die reagieren, wie Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid.
2. Schreibe die Endstoffe (Produkte) auf, die bei der Reaktion entstehen, wie fester Schwefel und Wasser.
3. Gleiche die Atome aus, indem du Zahlen vor die Moleküle setzt, bis beide Seiten gleich sind.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Reformieren von Kohlenwasserstoffstrukturen

Praxisbezug: Selbst wenn die Moleküle die richtige Länge für Benzin haben und entschwefelt sind, brennen sie manchmal nicht optimal. Kettenförmige, unverzweigte Kohlenwasserstoffe verbrennen im Motor oft zu explosionsartig. Das nennt man „Klopfen“, was die Motorleistung senkt und den Motor auf Dauer beschädigt.

Hier kommt das Reformieren ins Spiel. Bei diesem Verfahren werden die geradkettigen Moleküle unter hohem Druck und großer Hitze über einen Platin-Katalysator geleitet. Der Katalysator wirkt wie ein Umbau-Roboter: Er verändert die Form der Moleküle, ohne Atome wegzunehmen. Aus den geraden Ketten entstehen stark verzweigte und cyclische (ringförmige) Moleküle.

Diese neuen, kompakten Molekülformen haben deutlich bessere Verbrennungseigenschaften. Sie erhöhen die sogenannte Klopffestigkeit des Benzins. Das bedeutet: Der Motor läuft ruhiger, hat mehr Leistung und verschleißt weniger.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Cracken: Spaltet lange Kohlenwasserstoffe durch Hitze, Druck und Katalysatoren in kürzere Moleküle (für Benzin) und ungesättigte Moleküle auf.
• Entschwefelung: Entfernt Schwefelverbindungen, um giftiges $\text{SO}_2$ in der Luft und Rost im Motor zu verhindern.
• Reformieren: Ein Platin-Katalysator formt gerade Molekülketten in verzweigte oder ringförmige Moleküle um, um die Verbrennung (Klopffestigkeit) zu verbessern.