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Wirkungsweise von Katalysatoren

Was aktiviert verschiedene chemische Reaktionen? Das ist korrekt - Katalysatoren! Katalysatoren sind chemische Stoffe, die die Aktivierungsenergie senken und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Homogene Katalysatoren befinden sich in derselben Phase wie die Ausgangsstoffe, heterogene in unterschiedlichen Phasen. Lerne alles, was du wissen musst über Katalysatoren - von Eigenschaften zu Beispielen im Alltag im folgenden Artikel!

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Chemie-Team
Wirkungsweise von Katalysatoren
lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Beschreibung zum Video Wirkungsweise von Katalysatoren

Weißt du, wie man eine chemische Reaktion beschleunigen kann? Mithilfe eines Katalysators kann man die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzen und sie so beschleunigen. Welche Formen von Katalysatoren es gibt und wie genau ein Katalysator funktioniert, erzählt dir dieses Video. Am Ende weißt du sogar um die Bedeutung des Autokatalysators. Ob du auch wirklich alles verstanden hast, kannst du mit unseren Übungsaufgaben und dem Arbeitsblatt herausfinden.

Grundlagen zum Thema Wirkungsweise von Katalysatoren

Katalysatoren – Definition

Durch die Verwendung eines Katalysators kann die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht werden.

Katalysatoren sind chemische Stoffe, die einer Reaktion hinzugefügt werden, um die Aktivierungsenergie herabzusetzen und somit die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Der Katalysator hat jedoch keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht, d. h. die Ausbeute an Produkten erhöht sich nicht, und er selbst wird bei einer Reaktion nicht verbraucht. Wir unterscheiden zwischen homogenen Katalysatoren, bei denen sich der Katalysator in derselben Phase (fest, flüssig, gasförmig, gelöst, …) wie die Ausgangsstoffe (Edukte) befindet, und heterogenen Katalysatoren, bei denen Katalysator und Edukte in unterschiedlichen Phasen vorliegen.

Katalysatoren – Eigenschaften

Es gibt viele verschiedene Stoffe, die als Katalysatoren für bestimmte Reaktionen verwendet werden können. Die wichtigsten Eigenschaften von Katalysatoren wollen wir uns jetzt ansehen:

  • Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit einer bestimmten chemischen Reaktion, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
  • Katalysatoren wirken meist spezifisch, d. h. ein ganz bestimmter Katalysator wird zur Beschleunigung einer ganz bestimmten Reaktion eingesetzt.
  • Katalysatoren können selektiv wirken, d. h. sie sorgen dafür, dass ein bestimmtes Produkt (von mehreren Reaktionsprodukten) bevorzugt gebildet wird.
  • Katalysatoren werden durch die Reaktion nicht verändert, d. h. sie liegen am Ende wieder im gleichen Zustand vor wie vor der Reaktion.
  • Es gibt auch negative Katalysatoren. Ein negativer Katalysator verlangsamt die Reaktion, die Aktivierungsenergie wird also erhöht.
  • Es werden homogene und heterogene Katalysatoren unterschieden. Ein homogener Katalysator liegt im gleichen Aggregatzustand vor wie die Edukte der jeweiligen Reaktion. Eine heterogener Katalysator liegt hingegen in einem anderen Aggregatzustand vor als die Edukte.

Katalysatoren – Wirkungsweise

Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion, d. h. sie sorgen dafür, dass diese schneller abläuft. Dies geschieht, indem der Katalysator die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzt. Es wird also weniger Energie benötigt, um die Reaktion in Gang zu setzen. So kann beispielsweise eine Reaktion, die normalerweise nur bei erhöhten Temperaturen ablaufen würde, durch das Hinzufügen eines Katalysators bereits bei Raumtemperatur ablaufen.
Wie das genau funktioniert, sehen wir uns im Folgenden noch genauer an.

Katalysatoren – Chemie der Katalyse

Wenn eine chemische Reaktion durch Hinzunahme eines Katalysator beschleunigt wird, spricht man von einer katalytischen Reaktion oder einfach Katalyse. Nehmen wir eine allgemein formulierte chemische Reaktion als Beispiel, bei der aus den Edukten $\ce{A}$ und $\ce{B}$ eine chemische Verbindung $\ce{AB}$ gebildet wird:

$\ce{A + B -> AB}$

Diese Reaktion soll nun mithilfe eines Katalysators $\ce{\color{red}{K}}$ beschleunigt werden. Dieser nimmt an der Reaktion teil, indem er beispielsweise mit dem Stoff $\ce{A}$ einen Übergangszustand $\ce{A\color{red}{K}}$ bildet:

$\ce{A + \color{red}{K} -> A\color{red}{K}}$

Der Übergangszustand $\ce{A\color{red}{K}}$ reagiert dann weiter mit Stoff $\ce{B}$ und es entsteht das gewünschte Reaktionsprodukt $\ce{AB}$:

$\ce{A\color{red}{K} + B -> AB + \color{red}{K}}$

Am Ende liegt der Katalysator $\ce{\color{red}{K}}$ also wieder im Ausgangszustand vor, obwohl er an der Reaktion teilgenommen hat. Betrachten wir noch einmal die beiden Reaktionsschritte zusammengefasst in einer Zeile:

$\ce{A + \color{red}{K} + B -> A\color{red}{K} + B -> AB + \color{red}{K}}$

Die Katalyse, also die Beteiligung des Katalysators $\ce{\color{red}{K}}$ an der Reaktion, bringt eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit mit sich, da die Aktivierungsenergie durch die Bildung des Übergangszustandes $\ce{A\color{red}{K}}$ insgesamt herabgesetzt wird.
Warum dies energietisch günstig ist, also zu einer Energieersparnis im Vergleich zur Reaktion ohne Katalysator führt, ist allerdings aus der Reaktionsgleichung allein nicht wirklich ersichtlich. Um das besser zu verstehen, müssen wir uns den Verlauf der Reaktion anhand eines Energiediagramms ansehen.

Reaktionsverlauf - Katalysator

Hier ist die freie Enthalpie der Edukte (Reaktanden) und Produkte über den zeitlichen Reaktionsverlauf dargestellt. Damit ist im Wesentlichen die chemische Energie gemeint, die in den Stoffen steckt. Die Reaktanden (auf der linken Seite, also zu Beginn der Reaktion) liegen energetisch höher als die Produkte (auf der rechten Seite, also am Ende der Reaktion). Das bedeutet, grundsätzlich wird durch die Reaktion Energie freigesetzt. Allerdings muss zuerst eine bestimmte Energiemenge zugeführt werden, damit die Reaktion in Gang kommt – das ist die Aktivierungsenergie. Sie ist als hügelartige Steigung im Diagramm zu erkennen, wobei mit $E_\text{a}$ der Betrag der Energiemenge markiert ist, die jeweils zugeführt werden muss.
Die beiden Kurven im Diagramm kennzeichnen den Energieverlauf einmal ohne Katalysator $\left( \text{\color{blue}{blau}} \right)$ und einmal mit Katalysator $\left( \text{\color{red}{rot}} \right)$. Die Aktivierungsenergie $\color{blue}{E_\text{a}}$, die für die Reaktion $\ce{A + B -> AB}$ benötigt wird, ist offensichtlich größer als die Aktivierungsenergie $\color{red}{E_\text{a}}$, die für die katalytische bzw. katalysierte Reaktion $\ce{A + \color{red}{K} + B -> A\color{red}{K} + B -> AB + \color{red}{K}}$ aufgewendet werden muss.
Die Auswirkung der herabgesetzten Aktivierungsenergie auf die Reaktionsgeschwindigkeit kann indirekt aus dem Energiediagramm abgeleitet werden: Obwohl am Ende der Reaktion bei beiden Varianten die gleiche Menge an Produkten entsteht, wird bei der katalysierten Reaktion bereits früher (also weiter links im Reaktionsverlauf) eine größere Menge des Produkts gebildet als bei der nichtkatalysierten Reaktion.

Biokatalysatoren

Katalysatoren werden in vielen technischen Anwendungen eingesetzt, um die Herstellung von gewünschten Produkten zu vereinfachen. Aber Katalysatoren kommen auch in der Natur, insbesondere in Lebewesen, in vielfältiger Weise vor. Sogenannte Biokatalysatoren sind meistens Proteine, genauer gesagt Enzyme. Katalytische Reaktionen, die über Enzyme katalysiert werden, werden enzymatische Reaktionen genannt. Diese ermöglichen beispielsweise die Fotosynthese der Pflanzen und generell die Energiegewinnung aus Nährstoffen.

Beispiele für Katalysatoren in der Chemie

Katalysatoren findet man im Chemielabor, in der Industrie und auch im menschlichen Körper. Eine der bekanntesten technischen Anwendungen ist wohl der Autokatalysator.

Verbrennung von Kraftstoffen im Auto

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel im Auto entstehen unter anderem chemische Verbindungen wie Kohlenmonoxid $\left( \ce{CO} \right)$, unverbrannte Kohlenwasserstoffe $\left( \ce{C}_x \ce{H}_y \right)$ und verschiedene Stickoxide $\left( \ce{NO}_x \right)$. Diese sind giftig und sollten daher nicht in die Atmosphäre gelangen. Mithilfe eines Katalysators können diese Stoffe bereits innerhalb der Auspuffanlage des Autos effektiv weiterreagieren, wodurch deutlich weniger schädliche Stoffe wie Kohlenstoffdioxid $\left( \ce{CO2} \right)$, Stickstoff $\left( \ce{N2} \right)$ und Sauerstoff $\left( \ce{O2} \right)$ gebildet werden. Umgangsspranglich wird oft einfach die gesamte technische Vorrichtung als Katalysator bezeichnet. Darin werden die Autoabgase durch mit Platin $\left( \ce{Pt} \right)$ überzogene Keramikkammern hindurch geleitet. Hier laufen Redoxreaktionen ab, deren Aktivierungsenergie durch die Beteiligung von Platin gering gehalten wird. Platin wirkt hier also als chemischer Katalysator. Da das Platin zwar an den Redoxreaktionen teilnimmt, aber am Ende wieder im Ausgangszustand vorliegt, kann derselbe Katalysator über einen langen Zeitraum verwendet werden und wird nicht verbraucht.

Verbrennung von Wasserstoff

Auch Wasserstoff kann verbrannt werden, also mit Sauerstoff reagieren. Das kennst du vielleicht von der Knallgasreaktion bzw. Knallgasprobe:

Knallgasprobe.jpg

$\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}$

Ganz ohne Brennerflamme, also bereits bei Raumtemperatur, läuft die Reaktion ab, wenn ein Katalysator verwendet wird. Auch hier ist Platin $\left( \ce{Pt} \right)$ wieder ein guter Kandidat. Die katalytische Verbrennung von Wasserstoff lässt sich vereinfacht so formulieren:

$\ce{2 H2 + O2} \xrightarrow{\ce{Pt}} \ce{2 H2O}$

Mit dieser Schreibweise spart man sich die Formulierung eines Übergangszustandes, da der Katalysator am Ende ja ohnehin wieder unverändert vorliegt.

Wichtige katalytische Verfahren

Es gibt einige wichtige katalytische Verfahren, die in der Industrie eingesetzt werden, um bestimmte Chemikalien wie Säuren und Basen energieeffizient und in großen Mengen herzustellen:

  • Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein katalytisches Verfahren, das zur großtechnischen Synthese von Ammoniak eingesetzt wird. Ursprünglich wurde Eisen $\left( \ce{Fe} \right)$ als Katalysator genutzt, heutzutage sind noch einige weitere Stoffe wie Ruthenium $\left( \ce{Ru} \right)$ im Einsatz.
  • Mit dem Ostwald-Verfahren wird aus Ammoniak in einem mehrstufigen, ebenfalls katalytischen Prozess Salpetersäure hergestellt. Hier kommt das uns bereits bekannte Platin $\left( \ce{Pt} \right)$ in Verbindung mit Rhodium $\left( \ce{Rh} \right)$ als Katalysator zum Einsatz.

Die so hergestellten Stoffe dienen als Grundstoffe zur Produktion vieler weiterer Produkte.

Katalysatoren – Verwendung

Sehen wir uns noch einmal die wichtigsten Anwendungsfelder von Katalysatoren an:

  • Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herab und können so die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.
  • Das ist bei der Synthese von Chemikalien zur Herstellung vieler verschiedener Produkte von großem Nutzen, denn so kann Energie gespart werden und es können in kürzerer Zeit größere Mengen produziert werden.
  • In der chemischen Industrie kommen Katalysatoren deshalb in der Mehrzahl aller Herstellungsverfahren und Prozesse zum Einsatz.
  • Auch Verbrennungsreaktionen laufen durch Katalyse schneller ab.
  • Im Autokatalysator werden verschiedene Redoxreaktionen durch Platin $\left( \ce{Pt} \right)$ katalysiert, um Schadstoffe in Abgasen zu vergleichsweise harmloseren Stoffen reagieren zu lassen.
  • Auch bei Reaktionen organischer Stoffe in Lebewesen spielt Katalyse eine große Rolle. So sind beispielsweise die Photosynthese und die Zellatmung sogenannte enzymatische Reaktionen, d. h. sie werden durch Enzyme katalysiert.
  • Eine Reaktion mit einem solchen organischen Katalysator lässt sich auch außerhalb von Lebewesen beobachten: Bei der alkoholischen Gärung reagiert mithilfe eines Hefepilzes Zucker, genauer gesagt Glucose $\left( \ce{C6H12O6} \right)$, zu Ethanol $\left( \ce{C2H5OH} \right)$ und Kohlenstoffdioxid $\left( \ce{CO2} \right)$.

Wenn im Alltag von Katalysator die Rede ist, ist damit oft der Autokatalysator gemeint – also die Vorrichtung, die im Auto zum Einsatz kommt, um den Ausstoß von Schadstoffen zu reduzieren. Chemisch gesehen ist der Katalysator allerdings ein bestimmter Reaktionsteilnehmer, der eine Reaktion beschleunigt – beim Autokatalysator ist das der Stoff Platin $\left( \ce{Pt} \right)$.

Geschichte und Bedeutung des Katalysators – von der Antike bis heute

Schon in der Antike wusste man die katalytische Wirkung einiger Stoffe zu nutzen. Aber erst im Jahr $1835$ formulierte der schwedische Chemiker Berzelius die Annahme, dass bestimmte Reaktionen nur ablaufen, sofern ein bestimmter Stoff, der dabei selbst nicht verbraucht wird, beteiligt ist. Heutzutage sind Katalysatoren nicht mehr aus der chemischen Industrie und der Verfahrenstechnik wegzudenken. Es wird geschätzt, dass ca. vier Fünftel aller chemischen Erzeugnisse in mindestens einem Produktionsschritt von einer Katalysatorwirkung profitieren. Ohne diese würden viele Reaktionen langsamer oder gar nicht ablaufen. Die Energieeinsparung hat dabei nicht nur den Effekt der Kosteneinsparung, sondern ist auch aus Sicht des Umweltschutzes, der Nachhaltigkeit und dem schonenden Umgang mit Ressourcen eine wichtige Verbesserung.

Katalysatoren - Zusammenfassung

  • Ein Katalysator ist ein Stoff, mit dem die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht werden kann.
  • Durch den Katalysator wird die Aktivierungsenergie einer Reaktion über die Bildung eines Übergangszustandes herabgesetzt.
  • Der Katalysator nimmt zwar an der Reaktion teil, liegt aber am Ende der Reaktion wieder im Ausgangszustand, also unverändert, vor.
  • Katalysatoren spielen bei vielen chemischen Reaktionen eine wichtige Rolle, v. a. in großtechnischen Anwendungen in der chemischen Industrie, da sie es ermöglichen, Energie zu sparen und größere Mengen in kürzerer Zeit zu produzieren.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Katalysatoren

Was ist ein Katalysator?
Was ist Katalyse?
Was macht ein Katalysator?
Was sind Biokatalysatoren?
Was ist ein Katalysator und was bewirkt er?
Welche Eigenschaften haben Katalysatoren?
Wo gibt es Katalysatoren im Alltag?
Warum sind Katalysatoren wichtig?
Was ist das Haber-Bosch-Verfahren?
Was ist das Ostwald-Verfahren?
Was haben Katalysatoren mit Photosynthese zu tun?
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Transkript Wirkungsweise von Katalysatoren

Wirkungsweise von Katalysatoren

Hallo! Vielleicht hast du schon einmal etwas über einen Katalysator gehört.

Doch was ist das eigentlich? Tagtäglich hast du mit Katalysatoren zu tun, auch wenn du es nicht merkst. Katalysatoren kommen in Autos, in der Industrie, aber auch in deinem Körper vor! Sie können Reaktionen beschleunigen und dafür sorgen, dass man nicht so viel Energie benötigt, damit eine Reaktion aktiviert wird. Na, schon neugierig geworden? Schau dir dieses Video an, dann weißt du, was Katalysatoren sind und wie sie funktionieren.

Vielleicht kennst du ja schon den Autokatalysator. Das ist ein Katalysator, durch den die Abgase das Autos geleitet werden, ehe sie in die Atmosphäre gelangen. Doch wofür das ganze?

Wie du ja schon vorher gehört hast, können Katalysatoren Reaktionen beschleunigen. Und genau das passiert auch. Die Abgase aus dem Auto wären unbehandelt besonders giftig für den Menschen und unsere Umwelt. Darum werden die Abgase des Autos zuvor in einem Katalysator in einer chemischen Reaktion umgewandelt. Freiwillig, also ohne Katalysator würde diese Reaktion nicht ablaufen!

Nun wollen wir uns einmal genauer ansehen, wie so ein Autokatalysator funktioniert. Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen giftige Verbindungen wir zum Beispiel Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Alle diese Verbindungen werden durch Redoxreaktionen zu unbedenklichen Stoffen wie Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff umgewandelt. Dies erfolgt im Autokatalysator über Kammern die aus Keramik bestehen und mit Platin überzogen sind. Platin wirkt hier katalytisch und sorgt dafür, dass die Reaktionen ablaufen können.

Was macht also nun ein Katalysator? Um dies zu verstehen schauen wir uns ein Energiediagramm einer chemischen Reaktion ohne Katalysator an. Dabei wollen wir Stoff A mit Stoff B reagieren lassen. Es zeigt dir die Energien vor und nach der Reaktion, sowie die Energiezustände während der Reaktion.

Damit eine chemische Reaktion abläuft, muss ihr zunächst Energie beispielsweise in Form von Wärme hinzugefügt werden. Diese benötigte Energie bezeichnet man als Aktivierungsenergie. Möchtest du zum Beispiel ein Stück Kohle verbrennen, das heißt, Kohlenstoff mit Sauerstoff reagieren lassen, dann reicht es nicht, einfach nur Sauerstoff auf die Kohle zu pusten. Du musst mit einem Feuerzeug zunächst die Kohle erhitzen, erst dann erfolgt die Reaktion.

Im Energiediagramm erkennst du die Aktivierungsenergie als eine Art Hügel im Kurvenverlauf. Mit der hinzugefügten Wärme kannst du also diese Hürde, also die Aktivierungsenergie, überwinden. Danach erfolgt die Reaktion ganz freiwillig. Bei manchen Reaktionen ist diese Hürde so hoch, dass du enorme Energien benötigst, ehe die Reaktion abläuft.

Und hier kommt der Katalysator ins Spiel. Er ermöglicht es, die Aktivierungsenergie herabzusetzen, indem er Übergangszustände, die energetisch nicht ganz so hoch liegen, stabilisiert. Dadurch benötigen Reaktionen weniger Energie zum Aktivieren und die Reaktionen laufen schneller ab. Der Katalysator beeinflusst nur die Reaktionsgeschwindigkeit, jedoch nicht das Gleichgewicht der Reaktion. Das heißt, dass du durch deinen Katalysator nicht mehr deiner Produkte erhältst, sondern nur schneller. Deiner Reaktionsausbeute bleibt also gleich.

Um dir nochmal zu verdeutlichen, wie sich das mit der Energie der Reaktion verhält, kannst du dir vorstellen, dass du eine Kugel vom Edukt zum Produkt entlang der Kurve rollen magst. Zum Hinaufrollen benötigst du Energie. Das Hinabrollen verläuft hingegen freiwillig. Je höher die Aktivierungsenergie liegt, desto schwieriger wird es, diese Hürde zu überwinden. Ein weiterer Vorteil des Katalysators ist es, dass er unverändert aus der Reaktion hervor geht. Das heißt, er wird nicht mit der Reaktion verbraucht. Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Katalysatoren, den homogenen und den heterogenen Katalysator.

Bei dem homogenen Katalysator, handelt es sich um einen Katalysator, der in der selben Phase vorliegt, wie auch das Reaktionsgemisch. Sind deine Edukte zum Beispiel gelöst in einem Lösungsmittel, muss sich dein Katalysator auch in dem Reaktionsgemisch lösen. Für den heretrogenen Katalysator hatten wir bereits ein Beispiel besprochen. Erinnerst du dich? Genau, es ist der Autokatalysator.

Deine Reaktionspartner, also die Abgase und der Sauerstoff sind gasförmig, dein Autokatalysator hingegen fest. An der festen Oberfläche reagieren dann die Gase miteinander. Durch den unterschied der Phasen handelt es sich um einen heterogenen Katalysator.

Du hast heute gelernt, dass ein Katalysator die Aktivierungenergie einer chemischen Reaktion herabsetzt und somit deren Ablauf ermöglich und zugleich beschleunigt. Der verwendete Katalysator wird mit der Reaktion nicht verbraucht und kann daher ständig weiterverwendet werden. Man unterscheidet bei den Katalysatoren zwischen homogenen und heterogenen Katalysatoren. Der Autokatalysator ist ein heterogener Katalysator, bei dem sich die Phase des Reaktionsgemisches von der des Katalysators unterscheidet. Beim homogenen Katalysator treten beide Komponenten in der selben Phase auf.

Tschüss und bis zum nächsten mal!

9 Kommentare
9 Kommentare
  1. 👍 Super!

    Von Andrea, vor etwa einem Monat
  2. Hallo Leonie,

    wenn du die Sauerstoffatome auf der linken Seite zählst sollten es 50 sein.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten S., vor mehr als 4 Jahren
  3. Hallo,
    bei Aufgabe 4, der letzten Gleichung, verwirrt mich folgendes: ich habe auf der linken Seite insgesamt 66 Sauerstoffatome und auf der rechten Seite 50. Ist das ein Fehler oder habe ich irgendetwas übersehen?
    LG Leonie

    Von Leonie B., vor mehr als 4 Jahren
  4. Danke. 😊

    Von Msk Physio, vor mehr als 5 Jahren
  5. nice

    Von Jeremytaiwan, vor mehr als 7 Jahren
Mehr Kommentare

Wirkungsweise von Katalysatoren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wirkungsweise von Katalysatoren kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Funktion eines Autokatalysators.

    Tipps

    Ein Autokatalysator wird aus Gründen des Umweltschutzes eingebaut.

    Lösung

    Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen für Mensch und Umwelt giftige Abgase. Deshalb müssen sie in ungiftige Stoffe umgewandelt werden. Dies geschieht jedoch nicht freiwillig. Deshalb werden die Abgase durch einen Katalysator geleitet, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Der Katalysator besteht aus vielen Kammern, die aus Keramik bestehen und mit Platin überzogen sind. Platin wirkt dabei katalytisch und sorgt dafür, dass die Redoxreaktionen von beispielsweise Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid, einem unbedenklicheren Stoff, ablaufen können.

  • Bestimme das Diagramm, welches den Reaktionsverlauf mit Katalysator dieser Reaktion darstellt.

    Tipps

    Ein Katalysator kann eine Reaktion beschleunigen.

    Lösung

    Ein Energiediadramm einer chemischen Reaktion zeigt die Energiezustände vor, während und nach einer Reaktion an. Die Energie, die zugeführt werden muss, damit die Reaktion ablaufen kann, nennt man Aktivierungsenergie. Bei manchen Reaktionen ist diese Aktivierungsenergie so groß, dass man enorme Energie zuführen muss. Dabei kann man einen Katalysator einsetzen. Wie du in diesem Video gelernt hast, setzt ein Katalysator die Aktivierungsenergie herab. Das schafft er dadurch, dass er Übergangszustände, die energetisch nicht ganz so hoch liegen, stabilisiert. Dadurch benötigen diese Reaktionen dann weniger Energie zum Ablaufen und die Reaktionen verlaufen deshalb schneller.

    Bei dieser Aufgabe musstest du dir die Diagramme und das Diagramm der Reaktion ohne Katalysator ganz genau anschauen. Du musst natürlich darauf achten, dass der Reaktionsverlauf gleich bleibt. Hier ging die Reaktion von $A+B \rightarrow AB$. Deshalb muss weiter rechts im Reaktionsverlauf auch $AB$ stehen.

    Richtig ist es, wenn der Reaktionsverlauf von Edukt zu Produkt gleich bleibt, die Kurve allerdings etwas niedriger ihr Maximum hat als die Kurve der normalen Reaktion.

  • Erkläre, welche wirtschaftlichen Vorteile ein Katalysator in der Industrie haben kann.

    Tipps

    Überlege dir, was ein Katalysator macht.

    Lösung

    Ein Chemiekonzern, der für eine Reaktion einen Katalysator nutzt, während die Konkurrenz keinen nutzt, produziert in der gleichen Zeit mehr von dem Produkt, da die Reaktionsgeschwindigkeit durch den Katalysator erhöht wird. Außerdem spart der Chemiekonzern jede Menge Energiekosten, da der Katalysator die Aktivierungsenergie herabsetzt. Dabei wird der Katalysator nicht verbraucht, weshalb er immer wieder verwendet werden kann.

  • Stelle die Reaktionsgleichungen auf, die im Autokatalysator stattfinden.

    Tipps

    Überlege dir, welche giftigen Stoffe entstehen können und worin sie umgewandelt werden.

    Denke daran, dass in einer chemischen Reaktion niemals etwas verloren geht. Was links steht, muss auch rechts auftauchen und umgekehrt.

    Lösung

    Im Autokatalysator werden für Mensch und Umwelt schädliche Stoffe in unbedenklichere Stoffe umgewandelt. Dies geschieht nicht freiwillig. Dafür gibt es den mit Platin überzogenen Katalysator. Das Platin sorgt dafür, dass die Aktivierungsenergie der Reaktionen herabgesetzt wird und diese Reaktionen stattfinden können.

    So wird Kohlenstoffmonoxid mit Sauerstoff und auch mit Stickstoffmonoxid in Kohlenstoffdioxid umgewandelt.

    $2~CO + O_2 \rightleftharpoons 2~CO_2$

    $CO + 2~NO \rightleftharpoons 2~CO_2 + N_2$

    Die schädlichen Kohlenwasserstoffe reagieren mit Sauerstoff im Autokatalysator zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

    $2~C_8H_{18} + 25~O_2 \rightleftharpoons 16~CO_2 + 18~H_2O$

    Beim Aufstellen der Gleichung solltest du stets darauf achten, dass die Gleichung ausgeglichen ist, also genauso viele Kohlenstoffatome rechts wie links vom Pfeil stehen. Dies gilt für alle Atome.

  • Definiere den Begriff Katalysator.

    Tipps

    Ein Katalysator stabilisiert Übergangszustände, die energetisch nicht ganz so hoch liegen.

    Schau dir einmal das Energiediagramm an.

    Lösung

    Ein Katalysator ist ein chemischer Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit durch Senken der Aktivierungsenergie erhöht, ohne dabei verbraucht zu werden. Das Absenken der Aktivierungsenergie wird durch Stabilisierung von energetisch nicht ganz so hoch liegenden Übergangszuständen erreicht. Dabei werden allerdings nicht das chemische Gleichgewicht oder die Ausbeute der Reaktion verändert.

  • Beurteile, ob die beschriebenen Vorgänge katalytisch sind.

    Tipps

    Erinnere dich an die Definition eines Katalysators.

    In Obst befinden sich Enzyme.

    Im Video wurde gesagt, wobei Platin auch verwendet wird. Erinnerst du dich?

    Lösung

    Katalysatoren beschleunigen die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne das chemische Gleichgewicht zu verändern oder verbraucht zu werden.

    Enzyme sind Biokatalysatoren, die biochemische Prozesse in Organismen katalysieren. In Obst sind solche Enzyme enthalten, die in Verbindung mit Luftsauerstoff wirken. Dies beschleunigt das „Braunwerden“ des Apfels.

    Das Aufplatzen von Kirschen bei Regen hat damit allerdings nichts zu tun. Erinnere dich an deinen Biologie-Unterricht. Dies hat etwas mit dem osmotischen Druck zu tun.

    Zucker ist eigentlich nicht gut brennbar. Wenn du versuchst, ein Stück Würfelzucker mit einem Streichholz zu verbrennen, karamellisiert der Zucker höchstens. Anders verhält es sich, wenn Asche auf diesem Stück Würfelzucker liegt. Eisenreste in der Asche wirken katalytisch und sorgen dafür, dass die Aktivierungsenergie herabgesetzt wird und nun ein Streichholz ausreicht, um den Zucker zu verbrennen. Träufelt man auf ein Stück Würfelzucker Alkohol, brennt es zunächst ebenso gut. Ist jedoch der Alkohol verbrannt, brennt es kaum oder gar nicht weiter. Dies ist also eine Reaktion ohne Katalysator.

    Knallgas ist ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch, das bei Kontakt mit offenem Feuer explosionsartig reagiert. Das Anzünden dieses Knallgasgemisches ist keineswegs katalytisch, da es keine Herabsenkung der Aktivierungsenergie gibt. Anders ist es, wenn man Wasserstoff an einem Platinschwamm vorbeileitet. Wie du im Video schon gesehen hast, kann Platin in verschiedenen Reaktionen katalytisch wirken. Wie beim Autokatalysator wirkt Platin also auch hier katalytisch, beginnt zu glühen und entzündet das Gemisch aus Wasserstoff und Luftsauerstoff. Es entzündet sich also selbst.