Erdöl

Dein Handy-Gehäuse, der Kraftstoff im Auto, die Regenjacke, sogar viele Medikamente – all das gäbe es ohne Erdöl nicht. Kaum ein anderer Rohstoff steckt in so vielen Dingen deines Alltags. In diesem Artikel lernst du, was Erdöl chemisch gesehen ist, wie es über Jahrmillionen entstanden ist, wie eine Raffinerie daraus Benzin und Kunststoff-Rohstoffe gewinnt und warum Erdöl gleichzeitig ein Klimaproblem ist.

Was ist Erdöl?

Erdöl ist ein natürlich in der oberen Erdkruste vorkommendes, gelbliches bis schwarzes Stoffgemisch, das hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen besteht – also aus Verbindungen, deren Moleküle nur Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atome enthalten. Es ist kein Reinstoff mit fester Formel, sondern ein Gemisch aus vielen tausend verschiedenen Verbindungen.

Das frisch geförderte, noch unbehandelte Erdöl nennt man Rohöl (englisch crude oil). Wegen seiner enormen wirtschaftlichen Bedeutung trägt Erdöl den Spitznamen „schwarzes Gold". Es ist ein fossiler Rohstoff: Es entstand vor Jahrmillionen aus abgestorbenen Lebewesen und bildet sich nicht in menschlichen Zeiträumen nach – die Vorräte sind also endlich.

Ein paar Eigenschaften, die du kennen solltest:

• Erdöl ist brennbar – deshalb dient es als Energieträger.
• Seine Dichte liegt bei etwa \(0{,}8\) bis \(0{,}9\,\text{g/cm}^3\) und damit unter der von Wasser. Erdöl schwimmt deshalb auf Wasser.
• Es ist hydrophob (wasserabweisend) und mischt sich nicht mit Wasser.

Merke: Erdöl ist ein Gemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen – kein Reinstoff. Deshalb hat es keine feste Siedetemperatur, sondern einen breiten Siedebereich.

Wie ist Erdöl entstanden?

Das meiste Erdöl entstand aus abgestorbenem Plankton – winzigen Meereslebewesen, vor allem Algen. Die Entstehung lief in mehreren Schritten ab:

1. In flachen, nährstoffreichen Meeren starben riesige Mengen Plankton ab und sanken zusammen mit feinen Tonpartikeln auf den Meeresgrund.
2. Am Grund war das Wasser ruhig und sauerstoffarm. Ohne Sauerstoff konnten Bakterien die Biomasse nicht vollständig zersetzen – es bildete sich ein Faulschlamm.
3. Über Jahrmillionen lagerten sich immer neue Sedimentschichten darüber. Der Faulschlamm geriet dadurch in immer größere Tiefe, wo Druck und Temperatur stiegen.
4. Bei Temperaturen bis etwa \(60\,^\circ\text{C}\) wandelte sich die organische Substanz zunächst in Kerogen um, eine feste, langkettige Kohlenstoffverbindung.
5. Oberhalb von etwa \(60\,^\circ\text{C}\) zerbrachen die Kerogen-Moleküle in kleinere, flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe – das eigentliche Erdöl und Erdgas.

Den Temperaturbereich, in dem vorwiegend Erdöl entsteht, nennt man das Erdölfenster. Es liegt grob zwischen \(60\,^\circ\text{C}\) und \(120\,^\circ\text{C}\), was einer Versenkungstiefe von etwa \(2000\) bis \(4000\,\text{m}\) entspricht. Wird es noch heißer, entsteht vor allem Erdgas (hauptsächlich Methan, \(CH_4\)).

Merke: Erdöl = Plankton + Sauerstoffmangel + Druck + Wärme + Jahrmillionen Zeit. Fehlt eine dieser Zutaten, entsteht kein Öl.

Vom Muttergestein zur Lagerstätte

Das feinkörnige Gestein, in dem das Öl entstanden ist, heißt Muttergestein. Weil Öl und Gas eine geringere Dichte haben als das umgebende Wasser im Gestein, wandern sie langsam nach oben – diesen Vorgang nennt man Migration. Dabei durchqueren sie poröse Gesteine wie Sandstein.

Trifft das aufsteigende Öl auf eine undurchlässige Schicht (zum Beispiel Ton oder Salz), kann es nicht weiter. Bildet diese Deckschicht eine geeignete geologische Form, etwa eine Aufwölbung, sammelt sich das Öl darunter in einer Falle. Das poröse Gestein, in dessen Hohlräumen sich das Öl anreichert, heißt Speichergestein – eine solche Ansammlung ist eine Lagerstätte. Ganz oben sammelt sich oft Erdgas als „Gaskappe", darunter das Öl, darunter Salzwasser – sortiert nach der Dichte.

Beispiel: In Norddeutschland haben aufsteigende Salzstöcke die Gesteinsschichten aufgewölbt und so viele Fallen geschaffen. Deshalb wurde 1859 ausgerechnet bei Wietze in Niedersachsen eine der ersten erfolgreichen Erdölbohrungen der Welt fündig – im selben Jahr wie die berühmte Bohrung von Edwin Drake in Titusville (USA), die den weltweiten Ölboom auslöste.

Woraus besteht Erdöl?

Rohöl enthält vor allem drei Gruppen von Kohlenwasserstoffen:

Stoffgruppe	Beschreibung	Beispiel
Alkane	ketten- oder verzweigtförmige Moleküle, nur Einfachbindungen	Octan \(C_8H_{18}\)
Cycloalkane	ringförmige Moleküle mit Einfachbindungen	Cyclohexan \(C_6H_{12}\)
Aromaten	ringförmige Moleküle mit besonders stabilem Bindungssystem	Benzol \(C_6H_6\)

Dazu kommen kleine Anteile an Verbindungen mit Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff. Schwefel ist unerwünscht, weil bei der Verbrennung schwefelhaltiger Kraftstoffe Schwefeldioxid entsteht – deshalb wird er in der Raffinerie weitgehend entfernt.

Die fraktionierte Destillation

Weil Erdöl ein Gemisch ist, muss es in der Raffinerie zuerst getrennt werden. Dazu nutzt man die fraktionierte Destillation: Sie trennt das Gemisch nach den unterschiedlichen Siedetemperaturen seiner Bestandteile.

Das Rohöl wird auf etwa \(400\,^\circ\text{C}\) erhitzt und in einen hohen Destillationsturm geleitet. Der Turm ist unten heiß und wird nach oben hin immer kühler. Die aufsteigenden Dämpfe kondensieren auf verschiedenen Ebenen – je nach Siedebereich. Jede so gewonnene Teilmenge heißt Fraktion:

Fraktion	Siedebereich	Kettenlänge (ungefähr)	Verwendung
Gase	unter \(20\,^\circ\text{C}\)	\(C_1\)–\(C_4\)	Heizen, Flüssiggas
Benzin	ca. \(20\)–\(180\,^\circ\text{C}\)	\(C_5\)–\(C_{10}\)	Kraftstoff, Chemie-Rohstoff
Kerosin	ca. \(180\)–\(250\,^\circ\text{C}\)	\(C_{10}\)–\(C_{13}\)	Flugzeugtreibstoff
Diesel/leichtes Heizöl	ca. \(250\)–\(350\,^\circ\text{C}\)	\(C_{13}\)–\(C_{20}\)	Kraftstoff, Heizung
Rückstand	über \(350\,^\circ\text{C}\)	über \(C_{20}\)	Schmieröle, Schweröl, Bitumen

Warum sieden kurze Ketten früher? Zwischen den Molekülen wirken schwache Anziehungskräfte, die Van-der-Waals-Kräfte. Je länger das Molekül, desto größer seine Oberfläche und desto stärker diese Kräfte – also muss man mehr Energie aufwenden, um die Moleküle voneinander zu trennen.

Beispiel: Butan (\(C_4H_{10}\)) siedet schon bei etwa \(0\,^\circ\text{C}\) und ist bei Raumtemperatur ein Gas. Octan (\(C_8H_{18}\)) hat die doppelte Kettenlänge, stärkere Van-der-Waals-Kräfte und siedet erst bei etwa \(126\,^\circ\text{C}\) – es ist flüssig und ein typischer Benzin-Bestandteil.

Merke: Fraktionierte Destillation trennt nach Siedetemperatur: kurze Ketten → niedriger Siedebereich → oben im Turm; lange Ketten → hoher Siedebereich → unten im Turm.

Cracken: aus lang mach kurz

Die Nachfrage passt nicht zum Angebot: Der Markt will viel Benzin, die Destillation liefert aber auch große Mengen langkettiger Fraktionen. Die Lösung ist das Cracken (englisch to crack = spalten): Langkettige Alkane werden bei hoher Temperatur – oft mit Hilfe eines Katalysators – in kürzere Moleküle zerlegt.

Beispiel: Hexadecan (\(C_{16}H_{34}\)) aus der Dieselfraktion wird gespalten:

Prüfe die Bilanz: links \(16\) C-Atome und \(34\) H-Atome, rechts \(8+8=16\) C-Atome und \(18+16=34\) H-Atome – die Gleichung stimmt. Es entstehen ein Alkan (Octan, ein Benzin-Bestandteil) und ein Alken (Octen). Alkene besitzen eine C=C-Doppelbindung; sie entstehen beim Cracken zwangsläufig, weil für zwei gesättigte Bruchstücke die Wasserstoff-Atome nicht ausreichen. Gerade Alkene wie Ethen sind begehrt: Sie sind die Ausgangsstoffe für Kunststoffe wie Polyethylen (Petrochemie).

Tipp: Merke dir „Cracken = Kettenschere": ein langes Alkan zerbricht in ein kürzeres Alkan plus ein Alken.

Erdöl, Umwelt und Klima

Der größte Teil des Erdöls wird verbrannt – als Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl. Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser:

Das freigesetzte \(CO_2\) ist ein Treibhausgas und gilt als Hauptursache der globalen Erwärmung. Dazu kommen weitere Probleme:

• Endlichkeit: Erdöl bildet sich nicht nach; die leicht erreichbaren Vorkommen gehen zur Neige.
• Ölpest: Unfälle mit Tankern oder Bohrplattformen verschmutzen Meere und Küsten und zählen zu den größten Umweltkatastrophen.
• Abhängigkeit: Ölpreiskrisen zeigen, wie stark die Weltwirtschaft am Erdöl hängt.

Deshalb ist es sinnvoll, Erdöl vor allem als Rohstoff für die chemische Industrie zu nutzen statt es zu verbrennen – und Energie zunehmend aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen.

Zusammenfassung

• Erdöl ist ein fossiles Stoffgemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen (Alkane, Cycloalkane, Aromaten); ungefördert und unbehandelt heißt es Rohöl.
• Es entstand über Jahrmillionen aus abgestorbenem Plankton unter Sauerstoffabschluss, Druck und Wärme – im Erdölfenster bei etwa \(60\)–\(120\,^\circ\text{C}\).
• Öl wandert (Migration) vom Muttergestein ins poröse Speichergestein und sammelt sich unter einer dichten Deckschicht in einer Falle – der Lagerstätte.
• Die fraktionierte Destillation trennt Rohöl nach Siedebereichen in Fraktionen: Gase, Benzin, Kerosin, Diesel, Rückstand.
• Kurze Ketten sieden niedriger, weil ihre Van-der-Waals-Kräfte schwächer sind.
• Beim Cracken werden lange Alkane in kürzere Alkane und Alkene gespalten – Alkene sind Rohstoffe für Kunststoffe.
• Verbrennung von Erdölprodukten setzt das Treibhausgas \(CO_2\) frei; Erdöl ist endlich.

Interaktiv üben

Deine Lernziele

• Ich kann erklären, was Erdöl ist und warum es ein Stoffgemisch und ein fossiler Rohstoff ist.
• Ich kann die Entstehung von Erdöl vom Plankton bis zur Lagerstätte in Schritten beschreiben.
• Ich kann erklären, wie die fraktionierte Destillation Rohöl in Fraktionen trennt.
• Ich kann das Cracken beschreiben und eine einfache Crack-Gleichung prüfen.
• Ich kann die Umwelt- und Klimafolgen der Erdölnutzung benennen.

Was ist Erdöl?

Ohne Erdöl kein Benzin, keine Plastikflasche, keine Regenjacke – kaum ein Rohstoff steckt in so vielen Alltagsdingen. Zeit, ihn chemisch genau anzuschauen.

Definition

Erdöl

Erdöl ist ein natürlich in der oberen Erdkruste vorkommendes, gelbliches bis schwarzes Stoffgemisch aus vielen tausend Kohlenwasserstoffen (Verbindungen nur aus C- und H-Atomen). Frisch gefördert und unbehandelt heißt es Rohöl. Als fossiler Rohstoff entstand es vor Jahrmillionen aus Lebewesen und bildet sich nicht nach.

Beispiel

Warum schwimmt Öl auf Wasser? Die Dichte von Erdöl liegt bei etwa \(0{,}8\) bis \(0{,}9\,\text{g/cm}^3\), die von Wasser bei \(1{,}0\,\text{g/cm}^3\). Erdöl ist also leichter als das gleiche Volumen Wasser – bei einer Ölpest bildet es deshalb einen Teppich auf der Meeresoberfläche. Und weil es hydrophob (wasserabweisend) ist, mischt es sich nicht mit dem Wasser.

Merke

Erdöl ist ein Gemisch, kein Reinstoff: Es hat keine feste Siedetemperatur, sondern einen breiten Siedebereich – genau das nutzt die Raffinerie später aus.

Erdöl begleitet die Menschheit übrigens schon lange:

Wie ist Erdöl entstanden?

Erinnerst du dich an die Erklärung? Erdöl ist im Grunde uraltes Meeresplankton, das unter ganz besonderen Bedingungen umgewandelt wurde.

Definition

Entstehung von Erdöl

Abgestorbenes Plankton (vor allem Algen) sank in flachen Meeren auf den Grund. Unter Sauerstoffabschluss entstand Faulschlamm, der von Sedimenten überdeckt wurde. In der Tiefe wandelten Druck und Wärme die Biomasse erst in festes Kerogen und dann in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe um. Der Bereich von etwa \(60\)–\(120\,^\circ\text{C}\) (ca. \(2000\)–\(4000\,\text{m}\) Tiefe), in dem vor allem Öl entsteht, heißt Erdölfenster.

Definition

Lagerstätte

Öl entsteht im feinkörnigen Muttergestein. Wegen seiner geringen Dichte steigt es auf (Migration), bis eine undurchlässige Deckschicht es stoppt. Sammelt es sich darunter in den Poren eines Speichergesteins (z. B. Sandstein) in einer geologischen Falle, spricht man von einer Lagerstätte.

Beispiel

Eine typische Lagerstätte ist nach Dichte sortiert: Ganz oben sitzt Erdgas als „Gaskappe", darunter das Erdöl, ganz unten Salzwasser. In Norddeutschland haben aufsteigende Salzstöcke die Schichten aufgewölbt und so viele Fallen geschaffen – deshalb wurde 1859 bei Wietze eine der ersten Bohrungen der Welt fündig.

Merke

Die Erdöl-Rezeptur: Plankton + Sauerstoffmangel + Druck + Wärme + Jahrmillionen Zeit. Fehlt eine Zutat, entsteht kein Öl.

Die fraktionierte Destillation

Aus dem schwarzen Gemisch wird erst in der Raffinerie etwas Brauchbares. Der erste Schritt: das Gemisch trennen.

Definition

Fraktionierte Destillation

Die fraktionierte Destillation trennt Rohöl nach den Siedetemperaturen seiner Bestandteile. Das auf ca. \(400\,^\circ\text{C}\) erhitzte Öl steigt als Dampf im Destillationsturm auf, der nach oben kühler wird. Auf verschiedenen Ebenen kondensieren verschiedene Fraktionen: unten die langkettigen, oben die kurzkettigen Verbindungen.

Beispiel

Warum siedet Benzin früher als Diesel? Zwischen den Molekülen wirken schwache Van-der-Waals-Kräfte. Je länger die Kette, desto stärker die Anziehung. Butan (\(C_4H_{10}\)) siedet schon bei ca. \(0\,^\circ\text{C}\) und ist bei Raumtemperatur ein Gas. Octan (\(C_8H_{18}\)) mit doppelter Kettenlänge siedet erst bei ca. \(126\,^\circ\text{C}\) – es ist flüssig und steckt im Benzin.

Merke

Kurze Kette → schwache Van-der-Waals-Kräfte → niedriger Siedebereich → kondensiert oben im Turm. Lange Kette → genau umgekehrt.

Cracken: aus lang mach kurz

Die Welt will Benzin und Kunststoffe – die Destillation liefert aber auch viele lange Ketten. Die Raffinerie greift zur „Kettenschere".

Definition

Cracken

Beim Cracken werden langkettige Alkane bei hoher Temperatur, oft mit Katalysator, in kürzere Moleküle gespalten. Dabei entstehen immer ein kürzeres Alkan und ein Alken – ein Kohlenwasserstoff mit einer C=C-Doppelbindung, weil der Wasserstoff für zwei gesättigte Bruchstücke nicht reicht.

Beispiel

Hexadecan aus der Dieselfraktion wird gecrackt:

$$ C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16} $$

Bilanz prüfen: links \(16\) C und \(34\) H, rechts \(8+8=16\) C und \(18+16=34\) H – stimmt. Es entstehen Octan (ein Benzin-Bestandteil) und Octen (ein Alken). Alkene wie Ethen sind die Ausgangsstoffe für Kunststoffe wie Polyethylen.

Gut zu wissen

Warum entsteht zwingend ein Alken? Ein Alkan hat die allgemeine Formel \(C_nH_{2n+2}\). Zerschneidet man es in zwei Alkane, bräuchte man insgesamt zwei H-Atome mehr, als vorhanden sind. Ein Bruchstück muss den Mangel ausgleichen – es bildet eine Doppelbindung und wird zum Alken (\(C_nH_{2n}\)).

Erdöl, Umwelt und Klima

Erdöl treibt die Welt an – und heizt sie zugleich auf. Zum Schluss geht es um die Schattenseiten des schwarzen Goldes.

Definition

Fossiler Energieträger

Ein fossiler Energieträger (Erdöl, Erdgas, Kohle) entstand über Jahrmillionen aus Biomasse und ist in menschlichen Zeiträumen nicht erneuerbar. Bei seiner Verbrennung wird Kohlenstoff, der lange im Boden gebunden war, als Kohlenstoffdioxid (\(CO_2\)) freigesetzt – ein Treibhausgas und Hauptursache der globalen Erwärmung.

Beispiel

Vollständige Verbrennung von Octan aus dem Benzin:

$$ 2\,C_8H_{18} + 25\,O_2 \rightarrow 16\,CO_2 + 18\,H_2O $$

Bilanz: links \(16\) C, \(36\) H und \(50\) O; rechts \(16\) C (im \(CO_2\)), \(36\) H (im Wasser) und \(32+18=50\) O – die Gleichung stimmt. Pro Tankfüllung entstehen so viele Kilogramm \(CO_2\).

Merke

Dreifaches Problem: Erdöl ist endlich, seine Verbrennung setzt das Treibhausgas \(CO_2\) frei, und Unfälle verursachen Ölpest-Katastrophen. Als Rohstoff für die Chemie ist Erdöl zu wertvoll, um es nur zu verbrennen.

Alles auf einen Blick

Bevor du zum Abschluss-Check gehst: Hier ist das ganze Thema als Bild und als Kartenstapel.

Abschluss-Check

Neue Situationen, alles Gelernte kombiniert. Wenn du hier sicher bist, sitzt das Thema.