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Katalysatoren 11:34 min

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Transkript Katalysatoren

Hallo und herzlich willkommen! Heute geht es um das Thema Katalysatoren. Wir werden dabei die Fragen beantworten: Was ist ein Katalysator und wie wirkt ein Katalysator? Du solltest allerdings bereits wissen, was ein chemisches Gleichgewicht ist und auch was die Aktivierungsenergie ist.

Dennoch möchte ich an dieser Stelle doch etwas wiederholen. Und zwar die Darstellung einer Reaktion in einem Reaktionsdiagramm, bei dem die x-Achse den Reaktionsverlauf darstellt und die y-Achse die Energie. In dieses Diagramm trägt man die Energieniveaus der Edukte und der Produkte einer Gleichgewichtsreaktion ein. Der Reaktionsverlauf ist dann so, dass ausgehend von den Edukten ein sogenannter aktivierter Komplex gebildet wird, dessen Energie oberhalb der Energie der Edukte liegt. An dieser Stelle noch eine kleine Anmerkung. Ich verwende in diesem Video den Begriff aktivierter Komplex, möchte aber darauf hinweisen, dass es als Synonym von Übergangszustand eingesetzt wird. Erst von diesem aktivierten Komplex ausgehend können die Produkte, in diesem Fall C+D, gebildet werden. Die Aktivierungsenergie ist in diesem Diagramm dann jene Energie, die aufgebracht werden muss, damit die Edukte auf das Niveau des aktivierten Komplexes gebracht werden können, im Diagramm bezeichnet mit EA.

Und hier kommen wir endlich zu unserem eigentlichen Thema, nämlich Katalysatoren. Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöhen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, sprich: Katalysatoren werden dann eingesetzt, wenn man möchte, dass eine Reaktion schneller abläuft. In unserem Reaktionsdiagramm kann man das so veranschaulichen, dass wir wieder einen Reaktionsverlauf einzeichnen mit einem aktivierten Komplex, allerdings mit einem aktivierten Komplex, der niedriger liegt als der original aktivierte Komplex. Der eine ist der aktivierte Komplex ohne Katalysator, das ist der mit der hohen Aktivierungsenergie, und der andere ist der aktivierte Komplex mit Katalysator, der eben die niedrigere Energie hat.

Man kann den Katalysator auch in die Reaktionsgleichung eintragen, indem aus A+B wird C+D die Gleichung wird: Katalysator+A+B wird C+D+Katalysator. Damit ist einfach nur gemeint, dass der Katalysator vor der Reaktion und nach der Reaktion gleich vorliegt. Er hat nur, irgendwann mittendrin, an der ganzen Geschichte teilgenommen. Man sagt: Katalysatoren nehmen an einer Reaktion teil, indem sie Teil des aktivierten Komplexes sind, liegen nach der Reaktion aber wieder im selben Zustand vor wie zu Beginn. Sie werden also nicht verbraucht.

Ich möchte das mal anhand eines vielleicht etwas profanen Beispiels zeigen, wie das funktioniert. Sagen wir mal, wir haben eine Gruppe von Jungs und von Mädels bzw. wir haben zwei Gruppen, eine Gruppe von Jungs und eine Gruppe von Mädels, die mehr oder weniger voneinander getrennt sind. Die Jungs reden die ganze Zeit von Fußball und die Mädels dauernd von, was weiß ich was, Shoppen oder so und irgendwie finden sie keinen gemeinsamen Nenner. Natürlich interessieren sie sich schon füreinander, aber bis sie das auf die Reihe kriegen, zueinanderzufinden, können Jahre vergehen. Irgendwann jedoch findet eine Tanzparty statt, wo auf der Tanzfläche alle Jungs und Mädels lustig herumtanzen. Auf diese Weise hören sie auf, nur noch über Fußball oder Shoppen zu reden, sondern sie lernen sich gegenseitig kennen, kommen miteinander ins Gespräch und merken, hmm, es gibt ja auch noch andere Themen. Da hat also eine Veränderung stattgefunden aufgrund des Tanzens.

Übertragen auf unsere Reaktion, unsere chemische Reaktion, könnte man sagen, die Edukte waren die getrennten Gruppen von Jungs und Mädels, die Produkte sind die Pärchen, die sich dann finden, und die Tanzfläche mit den Tanzenden darauf, ist der aktivierte Komplex. Und die Tanzfläche selbst ist in diesem Beispiel der Katalysator. Der Katalysator ist Teil des aktivierten Komplexes und bietet sozusagen die Fläche, damit die Edukte miteinander reagieren können, um die Produkte zu bilden. Aber hinterher liegt die Tanzfläche genauso vor wie vorher.

Okay okay, hier geht's um Chemie und nicht um Tanzen, deshalb ein fachbezogeneres Beispiel noch, und zwar die katalytische Hydrierung von Ethen. Sie folgt der Reaktionsgleichung C2H4+H2->C2H6. Oder in Worten: Ethen + Wasserstoff reagiert zu Ethan. Und anbei dann auch noch die Strukturformeln dieser Stoffe. Das Ethenmolekül besteht aus 2 Kohlenstoffatomen, die mit einer Doppelbindung miteinander verbunden sind, und 4 Wasserstoffatomen. Das Wasserstoffmolekül besteht aus 2 Wasserstoffatomen und das Ethan besteht aus 2 Kohlenstoffatomen, die miteinander verbunden sind, und drum herum mit 6 Wasserstoffatomen verbunden sind.

Was passiert nun während der Reaktion? Das Ethen und der Wasserstoff liegen am Anfang nebeneinander vor, aber wollen nicht so recht miteinander reagieren, weil die Aktivierungsenergie einfach zu hoch ist. Zum Glück befindet sich in der Nähe ein geeigneter Katalysator, das ist in diesem Falle ein Stück Nickel oder Platin oder Palladium, und an diesen Katalysator vermögen sich die Moleküle zu binden. Das heißt, das Wasserstoffmolekül wird aufgespalten und jedes einzelne Wasserstoffatom bindet sich an den Katalysator, und das Ethenmolekül verändert sich so, dass die Doppelbindung aufgespalten wird und die beiden frei gewordenen Plätze sich an den Katalysator binden. In diesem Zustand haben wir den aktivierten Komplex vorliegen. Das heißt, die Edukte, die an den Katalysator gebunden sind, bilden zusammen den aktivierten Komplex. Was dann passiert, kann man sich folgendermaßen vorstellen: Die Edukte, die an diesen Katalysator gebunden sind, können nun auf der Oberfläche dieses Katalysators herumlaufen oder herumtanzen, könnte man sagen, wie vorhin unsere Tanzenden auf der Tanzfläche, irgendwann treffen sie aufeinander und verbinden sich zum eigentlichen Produkt, zum Ethan, und in dem Moment, wo das passiert, verlässt das Ethanmolekül die Oberfläche des Katalysators und der Katalysator liegt wieder so vor wie zu Beginn.

Einen wichtigen Punkt sollte man noch festhalten zu diesem Thema. Katalysatoren beschleunigen die Hin- und die Rückreaktion einer Gleichgewichtsreaktion gleichermaßen. Man kann das auch wieder anhand eines Diagramms darstellen, bei dem auf der x-Achse der Reaktionsverlauf dargestellt ist, diesmal aber auf der y-Achse die Konzentration, und zwar jeweils von Produkten und Edukten. Wie bei Gleichgewichtsreaktionen üblich, sinkt am Anfang der Reaktion die Konzentration der Edukte und es steigt im selben Maße die Konzentration der Produkte, bis sie sich beide auf einem bestimmten Niveau einpendeln, welches man die Gleichgewichtskonzentration nennt. Da, wo die Konzentrationen von Edukten und Produkten anfangen, einen horizontalen Verlauf zu nehmen, da hat sich das Gleichgewicht eingestellt.

Trägt man nun das Gleiche für eine Reaktion mit Katalysator ein, dann sieht diese Kurve fast gleich aus - mit einem Unterschied: Der Gleichgewichtszustand stellt sich wesentlich früher ein bzw. die Zunahme der Produkte und die Abnahme der Edukte verlaufen zu Beginn der Reaktion wesentlich steiler. Man sagt: Der Katalysator bewirkt eine schnellere Einstellung des chemischen Gleichgewichts. Und: Am Konzentrationsverhältnis von Produkten zu Edukten, also an der Gleichgewichtskonstanten K, ändert er aber nichts.

Nun seien noch ein paar konkrete Beispiele für Katalysatoren vorgestellt. Zum Beispiel der Katalysator im Auto, der die Zersetzung schädlicher Stickstoffoxide bewirkt. Konkret besteht dieser Autokatalysator aus einem wabenartigen Gebilde, das hinten am Auspuff hängt und dessen Innenseiten mit Platin oder Palladium beschichtet sind. An diesen Metalloberflächen spielt sich dann der katalytische Prozess ab, wie er vorhin beschrieben wurde. Ein zweites Beispiel für Katalysatoren wären sogenannte Enzyme, das sind Eiweiße, die in der Biologie als Katalysatoren fungieren, indem sie alle möglichen Prozesse, die in unserem Körper ablaufen, überhaupt ermöglichen. Und nicht zuletzt werden auch in der chemischen Industrie jede Menge Katalysatoren eingesetzt, wie das Eisenaluminiumoxid, das bei der Ammoniaksynthese, dem sogenannten Haber-Bosch-Verfahren, Verwendung findet. Ohne diesen Katalysator gäbe es keinen Kunstdünger auf der Welt und ohne diesen Kunstdünger wäre es schwierig, die Weltbevölkerung zu ernähren.

So, wir haben in diesem Video gelernt, was ein Katalysator ist und wie ein Katalysator funktioniert. Danke fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

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9 Kommentare
  1. L%c3%a4cheln2

    Hallo Antonia,

    man kann natürlich auch die Reaktionsgeschwindigkeit über der Zeit darstellen - aber das wäre ein völlig anderes Diagramm als dieses hier. Sinnvoll sind solche Diagramme aber eher bei Kinetikuntersuchungen, weniger bei Gleichgewichtsbetrachtungen.

    Es ist auch nicht wichtig, ob (in diesem Diagramm hier) die Kurven für Edukte und Produkte sich wirklich kreuzen. Wichtig ist nur, dass beide im Zuge des Reaktionsverlaufes (=Zeit) einen horizontalen Verlauf einnehmen, was dann den Gleichgewichtszustand anzeigt.

    Von Götz Vollweiler, vor etwa 2 Jahren
  2. 2014 07 19 22.15.16

    Hallo :)
    Erstmal vielen dank für das Video, ich habe eine Frage zu dem Diagramm ab Minute 8:30. Müsste an der y-Achse nicht Geschwindigkeit stehen? Wir hatten im Unterricht die gleiche Abbildung, nur mit Zeit/Reaktionsgeschwindigkeit. Die Abbildung mit der Konzentration stellte dann dar, wie sich Edukte und Produkte kreuzen und sich erst danach ein Gleichgewicht einstellt. Liebe Grüße :)

    Von Antonia L., vor etwa 2 Jahren
  3. Default

    echt super bsp mit der taanzflächen !!!!

    dank dem verstehe ich jetzt !
    danke

    Von K Bidenbach, vor mehr als 2 Jahren
  4. Default

    Richtig gut, nur ich finde dieses giff am rand lenkt ab...:/

    Von Sofatutor 27, vor mehr als 2 Jahren
  5. Default

    Klasse Video, vielen Dank!!

    Von Jonas Haarke, vor fast 3 Jahren
  1. Default

    Danke,sehr gutes Video:)

    Von Andreas Goering, vor fast 3 Jahren
  2. L%c3%a4cheln2

    Das ist nur ein Beispiel (in diesem Falle eine exotherme Reaktion). Bei einer endothermen Reaktion wäre es andersherum gewesen - aber der Katalysator hätte auch da die Kurve "flacher" gemacht.

    Von Götz Vollweiler, vor fast 5 Jahren
  3. Default

    Das Beispiel mit der Tanzfläche war klasse! Immer wenn man solche Beispiele benutzt ist derselbe ein wenig verunsichert weil es sich nicht so anhört wie die Bücher es zeigen, die Wahrheit ist, dass sich alle Schüler freuen weil sie es verstanden haben und es dann auch in fachliche umsetzen können. Weiter so!

    Eine Frage habe ich noch: weshalb werden die Edukte auf dem Energie-Diagramm über die Produkte positioniert?
    also:

    ------
    / )
    / )
    / )
    A+B )
    C+D

    Von Taz, vor fast 5 Jahren
  4. Default

    sehr gut.Danke...solltest lehrer werden

    Von Renzo008, vor fast 6 Jahren
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