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Leser fragen: Was macht CO₂ so schwer?

 

Wie kann ein Pkw, der 8 Liter Benzin pro 100 Kilometer verbraucht, 186 Gramm CO₂ pro Kilometer ausstoßen? 8 Liter Benzin wiegen 5,76 Kilogramm, der Pkw gibt aber auf 100 Kilometer 18,6 Kilogramm ab. Woher kommen die zusätzlichen (fast) 13 Kilogramm?

Heiner Hülsken aus Havixbeck

9 Kommentare

  1.   Oliver Wißner

    Lieber Herr Heiner Hülsken,

    Ihre Frage erscheint auf den ersten Blick logisch: Wie kann etwas mehr wiegen, wenn es doch verbraucht wird? Der zweite Blick offenbart jedoch einen chemischen Vorgang und die Erklärung. Die Verbrennung von Benzin stellt eine Oxidation dar, bei der Stoffe unter Sauerstoffaufnahme und Energieabgabe umgewandelt werden. Hauptbestandteil des Benzins ist Octan (C8H18) wird dieses verbrannt, reagiert es (idealisiert) mit dem Sauerstoff der Luft zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf:

    C8H18 + 12,5 O2 à 8 CO2 + 9 H2O

    Mit einer angenommenen Dichte von 0,72 kg/Liter entsprechen die 8 Liter Verbrauch des PKW auf 100 Kilometer 5,76 Kilogramm. Unter Berücksichtigung der Molmasse von Octan (114 g) und Kohlenstoffdioxid (44 g), entstehen aus 5,76 Kilogramm Octan 17,7866 Kilogramm Kohlenstoffdioxid (siehe Rechnung). Die Differenz von 12,02 Kilogramm erklärt sich aus dem Oxidationsvorgang, der durch die Gleichung verdeutlicht wird: Das Octan verbrennt unter Sauerstoffaufnahme, was die Massenzunahme erklärt.

    Die Abweichung des berechneten Wertes (17,7866 kg) gegenüber ihrem genannten Wert (18,6 kg) ergibt sich m.E. nach aus der Vereinfachung, dass es sich bei dem Benzin um reines Octan handelt. Benzin stellt jedoch ein Gemisch aus ca. 150 unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen dar, die zwar eine ähnliche Summenformel haben, aber in Struktur und Bau etwas voneinander abweichen können.

    Oliver Wißner, Lahntal

  2.   Joachim Kerber

    Lieber Herr Hülsen,

    in Ihrer kleinen Rechnung zum CO2-Ausstoß eines Autos haben Sie eine
    Kleinigkeit vernachlässigt, die sich aber gewichtig auf das Ergebnis
    auswirkt. Der CO2-Ausstoß von 186 g/100km stimmt nämlich tatsächlich.

    In der Natur gelten die drei Erhaltungsgrößen Masse, Energie und Impuls.
    Diese Größen können daher bilanziert werden, d.h. die Masse, die Energie
    und der Impuls der in ein System eintretenden Ströme sind gleich der der
    austretenden Ströme. Betrachten wir nun lediglich die Massenerhaltung,
    nehmen das Auto als offenes System an und ziehen eine Bilanzgrenze um
    das Auto, so müssen wir uns noch genau überlegen, welche Massenströme
    durch diese Bilanzgrenze ein- und welche austreten. Und hier versteckt
    sich der Fehlerteufel: Neben dem Benzin, das in den Tank gefüllt wird,
    braucht der Motor auch Luft, genauer den Luftsauerstoff, um das Benzin
    zu verbrennen. Und diese Luft wiegt auch etwas!
    Legt man nun eine vereinfachte Reaktionsgleichung zugrunde, nach der
    Oktan (Hauptbestandteil des Benzins) vollständig zu Wasser und
    Kohlenstoffdioxid verbrannt wird, so lässt sich die benötigte
    Sauerstoffmasse leicht berechnen: für die Verbrennung von einem
    Kilogramm Benzin ist ungefähr die 3,5-fache (!) Menge, also 3,5 kg an
    Sauerstoff vonnöten. Dabei entweicht dem Auto neben dem klimaschädlichen
    CO2 auch noch ein nicht unerheblicher Teil an Wasserdampf durch den
    Auspuff und verlässt den Bilanzraum.
    Für Ihr Beispiel mit einem Verbrauch von 8 L/100km Benzin benötigt das
    Auto für 100 km neben knapp 6 kg Benzin also zusätzlich noch ca. 20 kg
    Sauerstoff und emittiert damit ungefähr 18 kg CO2 und 8 kg Wasserdampf!

    Damit haben wir die Massenbilanz geschlossen und Sie können den Angaben
    der Autohersteller wieder trauen.
    Wird nun noch berücksichtigt, dass Luft lediglich aus 20 % Sauerstoff
    besteht, wird deutlich, wie viel Luft ein Motor zieht. Für die Strecke
    von 100 km ergeben sich ungefähr 100.000 Liter Luft, die den Motor
    durchströmen!

    Dipl.-Ing. Joachim Kerber aus Berlin

  3.   Willi Mößel

    Ein schönes Beispiel, dass ein bisschen naturwissenschaftliche Schulbildung auch im realen Leben Bedeutung haben kann 😉
    Den wichtigsten Teil der Antwort hat Herr Hülsken in seiner Frage selbst vorgegeben: das Gesetz von der Erhaltung der Masse, dass also bei jeder chemischen Reaktion die Masse der Ausgangsstoffe gleich der Masse der Endstoffe ist. Brauchen wir also “nur” noch die Reaktion selbst: Benzin (fast ausschließlich ein kompliziertes Gemisch von Kohlenwasserstoffen) wird im Motor zu Kohlenstoffdioxid (und anderen Oxiden, vor allem Wasser) verbrannt, wozu immer Sauerstoff (aus der Luft) notwendig ist, vereinfacht also:
    Benzin + Sauerstoff(zusammen “Masse A”) –> Kohlenstoffdioxid + Wasser
    (zusammen “Masse B”), wobei “Masse A” = “Masse B”. Alles klar?
    Vielen Dank auch für die Anregung; werde das Problem im Unterricht in meinen 9. Klassen einsetzen.
    Willi Mößel, Herzogenaurach

  4.   Klasse 9e

    Hallo Herr Mößel,

    wir sind ihre Klasse 9e und haben diesen Artikel beim Googeln ihres Namens gefunden.

    Wir sehen uns.

    PS: Zucker ist kein Salz

  5.   Franz-Josef Elmer

    Lieber Herr Hülsken

    Die Antwort auf Ihre Frage ist einfach: Aus der Luft. Für ein CO2 Molekül kommt ein Kohlenstoffatom C aus dem Benzin und zwei Sauerstoffatome O aus der Luft. Aus den atomaren Massen von ca. 12 bzw. 16 Einheiten für ein Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffatom folgt also, daß der Anteil an Kohlenstoff im CO2 nur ca. 27.3% beträgt. D.h. von den ausgestossenen 18.6 kg CO2 stammen nur 5.08 kg aus dem Benzin. Übrigens, die restlichen 0.69 kg des Benzins sind hauptsächlich Wasserstoff. Er wird zu Wasser verbrannt, welches manchmal aus dem Aupuff tropft.

  6.   Peter Walking

    Ganz einfach: Sie kommen aus der Luft. Und das geht so: 12 Gramm C (Kohlenstoff, aus dem Benzin) und 32 Gramm O (Sauerstoff, aus der vom Motor angesaugten Verbrennungsluft) verbinden sich zu 44 Gramm CO₂. 18,6 Kilogramm CO₂ entstehen also aus 5,073 Kilogramm C und 13,257 Kilogramm O. Die restlichen 0,687 Kilogramm des Benzins sind Wasserstoff und Sauerstoff (aus der Zumischung von Alkoholen und Ethern) und verlassen den Motor als Wasserdampf. Das sind die weißen Wölkchen, die man an einem kalten Morgen am Auspuff mancher Autos
    sehen kann.

    Peter Walking, Dorsten

  7.   Wolfgang Noichl

    Das ist so nicht richtig. Die zugemischten Alkohole und Ether machen nur einen geringen Anteil des Benzins aus, nachzulesen z.B. hier:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Motorenbenzin#Spezifikationen

    Der Hauptanteil sind Kohlenwasserstoffe, diese liefern wie schon in der ersten Antwort erwähnt, den Hauptanteil des Wasserstoffes. Der Sauerstoff für das Wasser aus dem Auspuff stammt aus der Luft, nicht wie fälschlich behauptet aus Alkoholen und Ethern.

    Schade, dass die „Zeit“ unter allen Antworten die einzige falsche ausgewählt und abgedruckt hat…

  8.   Hnofclbri

    Hallo Herr Mößel,

    wir sind ihre Klasse 9e und haben diesen Artikel beim Googeln ihres Namens gefunden.

    Wir sehen uns.

    PS: Kakamoob

  9.   Blog.zeit.de

    KAKA

 

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