Aufgabe Vorschlag B - Energetik chemischer Reaktionen · Abitur Hessen Chemie LK 2021

Abgase von Dieselmotoren

Dieselkraftstoff besteht aus einem Gemisch verschiedener flüssiger Kohlenwasserstoff-Verbindungen und bildet den Treibstoff der Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren.

Um die Entzündlichkeit von verschiedenen Dieselkraftstoffen beurteilen zu können, wurde die Cetanzahl eingeführt. Dabei wird ein Dieselkraftstoff mit verschiedenen Gemischen aus leicht entzündlichem Cetan (n-Hexadecan) und zündträgem 1-Methylnaphthalin verglichen.

Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff bilden sich ungewollt auch Stickstoffoxide. Aufgrund ihrer schädlichen Wirkung auf die Atmungsorgane sind diese Stoffe, die man oft unter dem Kürzel $\text{NO}_x$ zusammenfasst, immer wieder in der umweltpolitischen Diskussion. Um ihren Ausstoß zu reduzieren, setzt man in Dieselfahrzeugen seit einigen Jahren die sogenannte SCR-Technologie ein. Dabei wird Harnstoff in den heißen Abgas-Strom eingespritzt.

Aufgrund seines Molekülbaus kann man Harnstoff zur Stoffgruppe der sogenannten Carbonsäureamide zählen. Ein weiterer Vertreter dieser Gruppe ist Ethansäureamid.

Material 1

Mögliche Konstitutionsisomere von n-Hexadecan

Von der Verbindung Hexadecan existieren 10359 Konstitutionsisomere (Strukturisomere).

Konstitutionsisomer A ist ein Konstitutionsisomer der Verbindung, das drei verschiedene Alkyl-Substituenten sowie mindestens ein asymmetrisches C-Atom enthält.

Konstitutionsisomer B ist ein Konstitutionsisomer der Verbindung, das kein asymmetrisches C-Atom enthält.

Material 2

Abgasbehandlung im SCR-Katalysator

Die im Dieselmotor während des Verbrennungsprozesses entstehenden Stickstoffoxide (z. B. Stickstoffmonooxid und Stickstoffdioxid) werden im Rahmen der SCR-Technologie (Selective Catalytic Reduction oder Selektive katalytische Reduktion) zunächst über einen Sensor analysiert. Je nach Konzentration werden dann unterschiedliche Mengen an sogenanntem AdBlue®, einer wässrigen Harnstoff-Lösung, in den Abgastrakt des Fahrzeugs eingespritzt.

Der eingespritzte Harnstoff wird nun durch Hitze zu Isocyansäure (HNCO) und Ammoniak ($\text{NH}_3$) zersetzt (Thermolyse-Reaktion). Die gebildete Isocyansäure reagiert anschließend mit Wasser zu weiterem Ammoniak und Kohlenstoffdioxid (Hydrolyse-Reaktion).

Der gebildete Ammoniak ist Ausgangsstoff für die eigentliche Reaktion im SCR-Katalysator und reagiert in Redox-Reaktionen mit den Stickstoffoxiden zu den ungiftigen Stoffen Stickstoff und Wasserdampf.

Zu den Reaktionen im SCR-Katalysator existieren je nach Abgas-Temperatur unterschiedliche Varianten, so z. B. die Standard-SCR und die Schnelle SCR:

Bei der Standard-SCR-Reaktion reagieren $4\text{ mol}$ Ammoniak mit $4\text{ mol}$ Stickstoffmonooxid und $1\text{ mol}$ Sauerstoff zu $4\text{ mol}$ Stickstoff und $6\text{ mol}$ Wasserdampf.

Bei der Schnellen SCR-Reaktion reagiert Ammoniak mit Stickstoffmonooxid und Stickstoffdioxid zu Stickstoff und Wasserdampf.

Material 3

Thermodynamische Daten

Stoff · Molare Standardbildungsenthalpie

$\Delta_\text{f}H_\text{m}^0\;\left[\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]$

Ammoniak · $-46$

Sauerstoff · $0$

Stickstoff · $0$

Stickstoffmonooxid · $+90$

Wasser (gasförmig) · $-242$

Material 4

Cyanursäure und Isocyanursäure

Cyanursäure

Cyanursäure ist eine sogenannte heteroaromatische Verbindung. Eine solche heteroaromatische Verbindung leitet sich in ihrem Grundgerüst formal von Benzol ab, wobei hier drei Kohlenstoff-Atome durch Stickstoff-Atome ersetzt sind. Diese Stickstoff-Atome sind $\text{sp}^2$-hybridisiert.

Unter bestimmten Bedingungen kann sich Cyanursäure in einer Gleichgewichtsreaktion zur sogenannten Isocyanursäure umlagern, indem es im Molekül zu einer dreifachen intramolekularen Protonenwanderung kommt. Isocyanursäure zeigt keine aromatischen Eigenschaften.

Material 5

Herstellung eines Carbonsäureamids

Im Labor kann man ein Carbonsäureamid wie zum Beispiel Ethansäureamid unter anderem nach folgenden Reaktionsschritten herstellen:

Schritt 1:

Schritt 2:

Aufgabe 2.2 [13 BE]

Material 2 beschreibt die wesentlichen Vorgänge zur Abgasbehandlung in einem SCR-Katalysator.

a)

Formulieren Sie jeweils die Reaktionsgleichung für die Thermolyse-Reaktion von Harnstoff sowie für die Hydrolyse-Reaktion von Isocyansäure (Material 2).

b)

Formulieren Sie für die Standard-SCR-Reaktion die Reaktionsgleichung (Material 2) und berechnen Sie mit Hilfe von Material 3 die Standard-Reaktionsenthalpie.

c)

Formulieren Sie für die Schnelle SCR-Reaktion (Material 2) die Reaktionsgleichung und zeigen Sie unter Angabe der wesentlichen Oxidationszahlen und Elektronenübergänge, dass es sich um eine Redox-Reaktion handelt.