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Unvollständige Verbrennung

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

05.01.2021

Letztes Update

28.07.2021

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  • Unvollständige Verbrennung

Unvollständige Verbrennung – Verlauf, Nachteile und Reaktionsgleichungen

Inhalt des Wiki-Artikels

Unvollständige Verbrennung – Voraussetzungen, Verlauf und Reaktionsgleichungen

Die unvollständige Verbrennung ist eine mögliche Form von Verbrennungsprozessen. Verbrennungen sind eine chemische Reaktion, Brennstoffe oxidieren, das bedeutet, dass sie eine chemische Verbindung mit Sauerstoff eingehen. Neben der unvollständigen gibt es die vollständige Verbrennung. Durch Verbrennungen wird Energie erzeugt, zum Beispiel in Heizkesseln, Wärmekraftwerken und Verbrennungsmotoren.1

Voraussetzungen und Verlauf einer Verbrennung

Damit eine Verbrennung erfolgen kann, müssen brennbares Material in genügender Menge und ein Oxidationsmittel, meistens ist dies Sauerstoff, vorhanden sein. Mit einem Katalysator kann der Verbrennungsprozess beschleunigt werden. Um die Verbrennung zu starten, kann ebenfalls ein Katalysator erforderlich sein, doch auch durch Wärme kann der Verbrennungsprozess ausgelöst werden. Brennstoffe können fest, flüssig, flüssig werdend oder gasförmig sein. Festbrennstoffe sind zum Beispiel Holz und Kohle, zu den flüssigen Brennstoffen gehören Benzin, Diesel, Ethanol und Heizöl. Wachs ist ein flüssig werdender Brennstoff, Erdgas und Biogas gehören zu den gasförmigen Brennstoffen. Bei der Verbrennung reagieren diese Stoffe mit Sauerstoff, in seltenen Fällen auch mit einem anderen Gas.

Bei Verbrennungsprozessen wird häufig Energie in Form von Licht freigesetzt. Begleitet werden Verbrennungsprozesse immer von einer starken Erhöhung der Temperatur, diese Wärmeenergie kann zum Heizen oder zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden. In Wärmeerzeugungsanlagen reagieren zumeist Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff aus der Luft. Dabei entstehen Luftstickstoff, Abgase wie Kohlenstoffdioxid und Wasser. Je nachdem, ob eine vollständige oder unvollständige Verbrennung erfolgt, unterscheiden sich die Reaktionsprodukte.2

Die vollständige und die unvollständige Verbrennung

Kennzeichen der vollständigen Verbrennung ist, dass die Kohlenwasserstoffe gänzlich mit Sauerstoff reagieren. Bei einer vollständigen Verbrennung entstehen Produkte mit der höchsten Oxidationsstufe, nämlich Wasser und Kohlenstoffdioxid. Dies gilt für alle Kohlenwasserstoffe. Wenn bei einem Verbrennungsprozess nicht ausreichend Sauerstoff für die vollständige Reaktion mit den Kohlenwasserstoffen vorhanden oder keine Durchmischung der Stoffe gegeben ist, handelt es sich um eine unvollständige Verbrennung. Bei dieser sind unter den Reaktionsprodukten neben Wasser und Kohlenstoffdioxid noch Reste der Ausgangsstoffe beziehungsweise nicht vollständig oxidierte Produkte zu finden. Bei der unvollständigen Verbrennung reicht der Sauerstoff für höchstmöglich oxidierte Produkte nicht aus, so dass Kohlenstoffmonoxid entsteht. Auch andere Reaktionsprodukte wie Ruß, der aus reinem Kohlenstoff besteht, können Resultat einer unvollständigen Verbrennung sein.

Neben den Anteilen von Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen spielen Druck und Temperatur eine Rolle bei der unvollständigen Verbrennung. Dadurch unterscheiden sich die Reaktionsverfahren, zum Beispiel können bei der unvollständigen Verbrennung von langkettigen Alkanen kurzkettige Alkane entstehen. Da verschiedene Reaktionen bei einer unvollständigen Verbrennung erfolgen können, müssen der Reaktionsablauf und Bedingungen des Verbrennungsprozesses im Detail bekannt sein, um eine Reaktionsgleichung aufstellen zu können.3

Nachteile der unvollständigen Verbrennung

Kohlenmonoxid, das bei einer unvollständigen Verbrennung entsteht, ist ein giftiges, farb-, geschmack- und geruchloses Gas. Eine Kohlenmonoxidvergiftung kann tödlich sein. Im Körper bindet sich Kohlenmonoxid an Hämoglobin, den Farbstoff der roten Blutkörperchen. Dadurch wird die Sauerstoffaufnahme blockiert. Infolgedessen kommt es zu einem Sauerstoffmangel im Blut, in den Organen, im Gewebe und im Gehirn. Zu den Symptomen einer Kohlenmonoxidvergiftung gehören unter anderem Kopfschmerzen, Herzrasen, Übelkeit und Benommenheit.

Ein weiterer Nachteil der unvollständigen Verbrennung ist, dass die Wärmeausbeute geringer ausfällt als bei einer vollständigen Verbrennung. Die in den Brennstoffen vorhandene Energie lässt sich nicht optimal nutzen, so dass die Heizkosten steigen. Einer unvollständige Verbrennung kann entgegengewirkt werden, indem ein Luftüberschuss beispielsweise am Brenner einer Heizung eingestellt wird. So wird mehr Sauerstoff zugeführt, als für den Verbrennungsprozess notwendig ist. Allerdings muss die zusätzliche Luft auch erwärmt werden, wofür Verbrennungswärme verbraucht wird. Außerdem steigen durch die zusätzliche Luftzufuhr die Abgasverluste und die Heizkosten.4

Unvollständige Verbrennung von Methan

Methan gehört zu den Alkanen, seine Summenformel ist CH4. Bei der Verbrennung von Methan mit Sauerstoff zeigt sich eine schwach leuchtende Flamme. Methangemische mit Sauerstoff sind leicht entzündlich und explosiv. Bei einer unvollständigen Verbrennung von Methan entsteht Gasruß. Dabei handelt es sich um einen sehr feinen Ruß, der unter anderem im Druckgewerbe und in der Kautschukfabrikation Verwendung findet. Die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Methan lautet:5

CH4+O2→C+H2O

Reaktionsgleichungen von Alkanen

Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, bei denen ausschließlich Einfachverbindungen zwischen den Atomen vorkommen. Sie setzen sich aus Kohlenstoff und Wasserstoff zusammen. Zu den Alkanen gehören neben Methan auch Ethan, Propan und Butan. Für diese Stoffe gelten die folgenden Reaktionsgleichungen bei der vollständigen Verbrennung:6

Ethan: 2 C2H6+7 O2→4 CO2+6 H2O

Propan: C3H8+5 O2→3 CO2+4 H2O

Butan: 2 C4H10+13 O2→8 CO2+10 H2O

Wird zu wenig Sauerstoff zugeführt, erfolgt eine unvollständige Verbrennung der Alkane. Dies kann zum Beispiel unter bestimmten Umständen bei einem mit Butan gefüllten Feuerzeug vorkommen. Ist das der Fall, greift zum Beispiel die nachstehende Reaktionsformel:7

2 C4H10+9 O2→2 CO2+4 CO+2 C+10 H2O

Entstehung von Ethin durch Verbrennung

Ethin gehört zu den sogenannten Alkinen – das sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer C-C-Dreifachverbindung in ihrer Kohlenstoffkette. Die Summenformel von Ethin lautet C2H2, seine Strukturformel ist die folgende:

H−C≡C−H

Unter den Alkinen ist Ethin die einfachste Verbindung. Es kommt auf der Erde nicht natürlich vor, wurde aber in der Atmosphäre des Jupiters, des größten Planeten unseres Sonnensystems, nachgewiesen. Ethin wird in der Industrie genutzt, zum Beispiel als Ausgangsverbindung bei der Herstellung von Grundchemikalien oder als Dissousgas beim autogenen Schweißen und Schneiden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Ethin zu gewinnen, etwa durch Pyrolyse, der Reaktion von Calciumcarbid mit Wasser oder durch Dehydrierung von Ethen. Darüber hinaus kann Ethan auch bei der unvollständigen Verbrennung von Methan entstehen, allerdings ist diese Methode nicht wirtschaftlich.8

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