Entstehung und Förderung von Erdöl

Die Entstehung von Erdöl beginnt mit abgestorbenen Kleinstlebewesen wie Algen oder Plankton, die auf den Meeresgrund sinken. Dort werden sie unter Sauerstoffmangel zunächst zu Faulschlamm und durch weiteren Druck zu Tonschiefer umgewandelt. Bakterien wandeln diesen Tonschiefer schließlich in einfache Kohlenwasserstoffe um.

Bei der Bildung von Erdöllagerstätten:

• Erdöl steigt aufgrund seiner geringen Dichte nach oben
• An der Erdoberfläche bildet es manchmal "Ölkuhlen" (natürliche Ölseen)
• Trifft es auf undurchlässiges Gestein, entstehen unterirdische Lagerstätten
• Gasförmige Bestandteile bilden Erdgasblasen über dem Öl

Die Förderung von Erdöl konzentriert sich hauptsächlich auf Vorkommen in:

• Venezuela
• Saudi-Arabien
• Kanada
• Iran

Für die Suche nach neuen Lagerstätten werden Spezialist*innen aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen benötigt. Bei einer Bohrung schießt das Öl zunächst unter Druck nach oben, später müssen Pumpen eingesetzt werden. Unter optimalen Bedingungen können bis zu 50% des vorhandenen Öls gefördert werden.

Um die Ausbeute zu erhöhen, wird das Öl entweder erhitzt, um es dünnflüssiger zu machen, oder mit Lösungsmitteln behandelt, um mehr Öl aus dem Gestein zu lösen.

Nach der Reinigung wird das gewonnene Rohöl über Pipelines oder per Schiff transportiert, während ein Teil des Erdgases in unterirdischen Speichern gelagert wird.

Wichtiges Konzept: Die Entstehung von Erdöl ist ein natürlicher Prozess, der Millionen Jahre dauert und bei dem organisches Material unter hohem Druck und ohne Sauerstoff in Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird.

Destillation und Aufbereitung von Erdöl

Die fraktionierte Destillation von Erdöl ist ein zentraler Prozess bei der Verarbeitung von Erdöl. In Raffinerien wird das Rohöl zunächst auf etwa 400°C erhitzt, wodurch es in verschiedene Bestandteile zerfällt.

Der Destillationsprozess läuft in einer Kolonne mit etwa 40 Etagen ab:

• Die Dämpfe steigen durch Rohre nach oben und kühlen dabei ab
• Weiter unten kondensieren Kohlenwasserstoffe mit höheren Siedetemperaturen
• Weiter oben sammeln sich leichtere Kohlenwasserstoffe mit niedrigeren Siedetemperaturen

Bei der Erdöl Destillation entstehen verschiedene Produkte mit unterschiedlichen Siedebereichen:

• Gase $C₁-C₄$: <30°C – verwendet als Heizgase
• Benzin $C₅-C₁₂$: 30-150°C – verwendet als Lösemittel und Autobenzin
• Kerosin $C₁₀-C₁₆$: 150-250°C – verwendet als Flugbenzin
• Gasöle $C₁₅-C₂₂$: 250-350°C – verwendet als Diesel- und Heizöl

Die verschiedenen Siedetemperaturen der Erdöl Destillation Produkte hängen von der molaren Masse der Kohlenwasserstoffe ab: Je größer die molare Masse, desto höher ist der Siedepunkt.

Zur Berechnung der molaren Masse folgt man diesen Schritten:

1. Indexzahl aus der Verbindung entnehmen
2. Molmassen der Elemente aus dem Periodensystem ablesen
3. Molare Massen addieren und ggf. mit Indexzahlen multiplizieren

Schlüsselprinzip: Die fraktionierte Destillation von Erdöl ermöglicht es, aus einem komplexen Gemisch verschiedene nutzbare Produkte zu gewinnen, indem die unterschiedlichen Siedepunkte der Kohlenwasserstoffe ausgenutzt werden. Diese atmosphärische Destillation ist der erste Schritt bei der Aufbereitung von Erdöl.

Gaschromatographie und Zwischenmolekulare Kräfte

Die Gaschromatographie ist eine wichtige Analysemethode zur effektiven Trennung und Identifizierung von Substanzgemischen. Der Gaschromatographie Ablauf umfasst folgende Schritte:

1. Die zu analysierende Substanz wird in den Injektor gegeben und auf 450°C erhitzt
2. Die gasförmige Probe gelangt in die Trennsäule (stationäre Phase)
3. Einzelsubstanzen lösen sich unterschiedlich schnell aus dem Gasstrom (mobile Phase)
4. Durch Adsorption erreichen die Einzelsubstanzen den Detektor zu verschiedenen Zeiten
5. Die Substanzen werden einzeln erfasst und können identifiziert werden

Das Gaschromatographie Trennprinzip basiert auf zwischenmolekularen Kräften, die in drei Haupttypen unterteilt werden:

Van-der-Waals-Kräfte:

• Schwächste Form der zwischenmolekularen Kräfte
• Entstehen durch temporäre Dipole aufgrund von Ladungsverschiebungen
• Werden in drei Arten unterteilt: Keesom-, Debye- und London-Wechselwirkungen
• Die Stärke nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen den Teilchen ab

Wasserstoffbrückenbindungen:

• Stärkste zwischenmolekulare Kraft
• Anziehung zwischen einem gebundenen Wasserstoffatom und einem freien Elektronenpaar

Für die Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen folgt man diesem Schema:

1. Hauptkette bestimmen und Namen des Alkans festlegen
2. Seitenketten benennen (Methyl, Ethyl, usw.)
3. Seitenketten alphabetisch ordnen
4. Positionen der Seitenketten nummerieren

Anwendungsbeispiel: Die Gaschromatographie findet vielfältige Anwendung bei der Analyse von Erdölprodukten, Umweltproben und in der forensischen Chemie. Als Trägergase (mobile Phase) werden häufig Helium oder Stickstoff verwendet, während als stationäre Phase meist spezielle Polymere oder Silikagel zum Einsatz kommen.

Homologe Reihe der n-Alkane

Alkane sind die einfachsten Kohlenwasserstoffe und bilden die Grundlage der organischen Chemie. Was sind Alkane?

• Sie bestehen nur aus den Elementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H)
• Es handelt sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe mit ausschließlich Einfachbindungen
• Früher wurden sie auch als Paraffine bezeichnet
• Alle Alkane sind schlecht wasserlöslich

Die homologe Reihe der n-Alkane beginnt mit Methan (CH₄) und setzt sich mit steigender Kettenlänge fort: Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan und Decan.

Die physikalischen Eigenschaften der Alkane ändern sich systematisch mit der Kettenlänge:

• Methan bis Butan sind bei Raumtemperatur gasförmig
• Alkane von Pentan bis etwa C₁₉ sind flüssig
• Alkane mit mehr als 20 C-Atomen sind fest
• Mit zunehmender Kettenlänge steigen Schmelz- und Siedetemperatur

Interessanterweise haben isomere Alkane (gleiche Summenformel, aber unterschiedlicher Aufbau) unterschiedliche Eigenschaften:

• Verzweigte Alkane haben niedrigere Siede- und Schmelzpunkte als unverzweigte
• Grund: Die verzweigte Struktur führt zu einer geringeren Moleküloberfläche
• Dadurch wirken weniger zwischenmolekulare Kräfte
• Folge: niedrigerer Siedepunkt bei verzweigten Isomeren

Alkane lassen sich in verschiedenen Schreibweisen darstellen: als Summenformel, Strukturformel, Halbstrukturformel oder Skelettformel.

Wichtige Erkenntnis: Alkane sind wesentliche Bestandteile von Erdöl und dienen als Ausgangsstoffe für zahlreiche Produkte der chemischen Industrie. Die Eigenschaften der Alkane, besonders ihre Siedepunkte, sind entscheidend für die fraktionierte Destillation von Erdöl, bei der die verschiedenen Bestandteile des Rohöls getrennt werden.