Der Ethanolgehalt in Kraftstoffen im Vergleich: Super und E10

Eine Projektarbeit von Sebastian Benz, Laura Geppert, Silvan Hild und Nadin Sarajlic Betreuung: Dr. Jürgen Koch, Technische Hochschule Mittelhessen Patrick Röder, Goetheschule Wetzlar

Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort ................................................................................................... S.3 2. Theoretische Grundlagen ....................................................................... S.4 2.1. Radioaktive Zerfälle ......................................................................... S.4 2.2. Radiokohlenstoffdatierung ............................................................... S.6 2.3. Szintillationsspektrometrie ............................................................... S.8 3. Versuchsreihe ........................................................................................ S.11 3.1. Versuchsaufbau und Materialien ..................................................... S.11 3.2. Messergebnisse ............................................................................... S.12 3.3. Auswertung und Interpretation der Messergebnisse ........................ S.13 4. Fazit und Danksagungen ........................................................................ S.18 5. Quellen ................................................................................................... S.19

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1. Vorwort Heutzutage sind Autos, Roller, Busse et cetera nicht mehr wegzudenken. Egal ob sie uns zur Schule, in die Stadt oder auf die Arbeit bringen- sie erleichtern uns das Leben ungemein. Eines haben all diese Fahrzeuge gemeinsam: ohne Benzin können sie nicht in Bewegung gebracht werden. Oft hört man die in den Medien aufkommende Diskussion, „Super“ sei mit Ethanol gestreckt, sodass sich der Ethanolgehalt von dem des sogenannten „E10“ nicht mehr unterscheidet. Dies würde aufgrund des preisgünstigeren Ethanols einen Vorteil für Tankstellen bedeuten. Mit dieser Diskussion haben wir uns näher beschäftigt- wie kann man herausfinden, wie viel Ethanol in E10 und Super enthalten ist? Wird Super tatsächlich mit Ethanol gestreckt? Und vor allem- wo kommt dabei Strahlung ins Spiel? Mithilfe der C14-Methode haben wir daraufhin mehrere Benzinproben verschiedener Tankstellen auf deren Ethanolgehalt untersucht. Die Ergebnisse haben wir im Folgenden festgehalten.

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2. Theoretische Grundlagen 2.1.

Radioaktive Zerfälle

Hauptsächlich wird zwischen drei verschiedenen Zerfallsarten unterschieden: Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall. Nur instabile Atomkerne sind davon betroffen. Ein Nuklid ist stabil, wenn es keine Zerfallsart mehr gibt, die zu einem energetischen niedrigeren Zustand führen würde. Als Übersicht über alle stabilen und instabilen Nuklide und die möglichen Zerfallsarten, sowie der Halbwertszeiten wird die Nuklidkarte verwendet.

Alpha-Zerfall Beim Alpha-Zerfall werden zwei 4He-Kerne, welche aus zwei Neutronen und zwei Protonen bestehen, aus dem Quell- oder Mutterkern herausgeschleudert. Diese werden auch Alpha-Teilchen genannt und sind aufgrund der Protonen zweifach positiv geladen. Der durch den Alpha-Zerfall entstehende Tochterkern hat eine um vier verringerte Nukleonenzahl und eine um zwei verringerte Kernladungszahl. Diese Veränderungen kann man an der Formel für den Alpha-Zerfall erkennen:

Beta-Zerfall Der Beta-Zerfall tritt bei einem ungünstigen Verhältnis von Neutronen zu Protonen auf. Grundsätzlich kann man zwischen dem Beta-Minus- und dem Beta-Plus-Zerfall unterscheiden.

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Beta-Minus-Zerfall Beim Beta-Minus-Zerfall werden Elektronen aus dem Mutterkern herausgelöst. Lange waren sich Physiker unklar, warum ein negativ geladenes Elektron aus einem positiv geladenen Kern herausgelöst wird. Später stellte man fest, dass Neutronen Quellen für die Elektronen sind, denn die Neutronen werden durch Abspaltung eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos in Protonen umgewandelt. Für den Beta-Minus-Zerfall gibt es folgende Formel:

Beta-Plus-Zerfall Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton durch Abspaltung eines Positrons und eines Elektronen-Neutrinos zu einem Neutron. Auch

die

Vorgänge

beim

Beta-Plus-Zerfall

kann

man

in

einer

Formel

zusammenfassen:

Gamma-Umwandlung Der „Gamma-Zerfall“ ist möglich, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem energetisch angeregten Zustand bleibt. Weshalb er meist direkt nach dem Alphaoder Beta-Zerfall stattfindet. Wenn der Atomkern in einen energetisch niedrigeren Zustand übergeht, gibt er hochfrequente Gamma-Strahlung ab.

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Die Neutronen- und Protonenzahl wird dadurch nicht beeinflusst, vielmehr erfolgt ein Übergang zwischen zwei angeregten Kernzuständen. Die allgemeine Formel für den Gamma-Zerfall lautet:

2.2.

Radiokohlenstoffdatierung

Die Radiokohlenstoffdatierung oder auch

14

C-Methode wird hauptsächlich in der

Archäologie dazu verwendet, um das Alter von Funden zu bestimmen. 1946 entdeckte der Chemiker Willard Frank Libby, dass alle organischen Stoffe das Kohlenstoff-Isotop 14C enthalten. Das Isotop ist radioaktiv und wird daher unter anderem als Radiokohlenstoff bezeichnet. Treffen

in

der

äußeren

Atmosphärenschicht hochenergetische, von kosmischer Strahlung ausgehende, Neutronen

14

auf

N

Isotope

des

Stickstoffs, entstehen unter Abspaltung eines Protons 14C Isotope, die aus sechs Protonen und acht Neutronen bestehen. 14

N + Neutron  14C + Proton

Durch atmosphärische Durchmischung gelangt das Kohlenstoff Isotop in die Troposphäre

und

wird

dann

durch

Photosynthese in Form von CO2 von Pflanzen

und

über

Nahrung

von

Menschen und Tieren aufgenommen. Abbildung 1: Wie kommt

14

C in Organismen?

Beim Ausatmen werden die Isotope

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wieder abgegeben. Aufgrund dieses Kreislaufs beinhaltet jeder lebende Organismus ständig einen relativen Anteil an

14

C Atomen – auf ein

14

C Isotop kommen etwa 1012

12

C Isotope.

Tote Organismen nehmen kein

14

C mehr auf, dadurch nimmt mit der Zeit der Gehalt

des Isotops in diesen ab. Die Abnahme geschieht durch den Zerfall des Radiokohlenstoffs und kann durch dessen Halbwertszeit von etwa 5730 Jahren beschrieben werden. Der Zerfall wird als Beta-Minus-Zerfall beschrieben. Dabei gibt das 14C Isotop ein Elektron und ein Antineutrino ab und zerfällt zum

14

N Isotop:

14

C  14N + e- +

Durch den

14

C Gehalt in der Probe kann nun über die Halbwertszeit der

Sterbezeitpunkt des Organismus beziehungsweise das Alter der Probe bestimmt werden. Der Gehalt des Isotops kann unter anderem mithilfe der BeschleunigerMassenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry = AMS) ermittelt werden. Für diese äußerst aufwendige Methode wird lediglich eine Probe von wenigen Milligramm benötigt. Durch die spezifische Masse des

14

C Isotops kann dessen Gehalt bestimmt

werden. Die Messungen müssen entsprechend einiger Faktoren kalibriert werden: 

Der Anwendungsbereich liegt zwischen einem Alter von 300 bis 60.000 Jahren. Darüber hinaus ist kein 14C Gehalt mehr feststellbar.



Die Konzentration des Isotops innerhalb der Atmosphäre schwankt.



Weitere Faktoren, die den 14C Gehalt in der Atmosphäre beeinflussen, sind der Suess-Effekt (CO2 -Emission durch industrielle Prozesse), Atomwaffentests und das Klima.

Eine weitere Methode zur Messung bietet die (Flüssig-) Szintillationsspektrometrie. Diese Methode haben wir für unsere Versuche genutzt und gehen im Folgenden näher darauf ein.

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2.3.

Szintillationsspektrometrie

Die zur Szintillationsspektrometrie genutzten Szintillationszähler können die Energie und

Intensität

ionisierender

Neutronenstrahlung)

Strahlung

bestimmen.

Für

(Alpha-,

verschiedene

Beta-,

Gamma-

Strahlungsarten

gibt

und es

verschiedene Szintillatoren. Szintillatoren sind Stoffe, die Lichtblitze aussenden, wenn sie angeregt werden. In unserem Fall benutzen wir einen Szintillatorcocktail bestehend aus mehreren Szintillatoren und einem lipophilen Lösungsmittel, in dem sich die unpolaren Kraftstoffproben lösen lassen. Löst man die Kraftstoffproben im Szintillatorcocktail, geben die

14

C Isotope

besonders energiereiche Elektronen (β-Teilchen) ab. Diese treffen auf die Moleküle des Lösungsmittels und regen diese an. Diese geben wiederum ihre Energie an die Moleküle der Szintillatoren ab, welche Photonen abgeben, die sich in Form eines Lichtblitzes äußern. Dieses Licht wird in einem Photomultiplier intensiviert und basierend auf dem Photoeffekt in Spannung umgewandelt. Im Szintillationszähler müssen

die

Lichtblitze

in

einem

bestimmten

Zeitraum

(t