Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion 07:14 min
Transkript Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion
Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt Katalysatoreneinfluss auf eine chemische Reaktion. Der Film gehört zur Reihe Reaktionen. Als Vorkenntnisse solltet ihr einfache chemische Reaktionen beherrschen, ihr kennt chemische Symbole und chemische Formeln. Mein Ziel ist es, euch in diesem Video die Begriffe Katalysator und Katalyse an einigen Beispielen zu erklären. Das Video ist in sechs Abschnitte unterteilt: 1. Die Reaktion läuft zu langsam ab, was tun? 2. Die Ammoniaksynthese 3. Schwefelsäureherstellung 4. Enzyme im Körper 5. Der Autokatalysator 6. Katalyse und Katalysator 1. Die Reaktion läuft zu langsam ab, was tun? Zucker brennt doch. Oder nicht? Was kann man da tun? Wir geben etwas Zigarettenasche hinzu und versuchen es noch mal. Hurra! Der Zucker brennt. Warum wohl? Die Zigarettenasche hat bewirkt, dass die Verbrennung von Zucker schneller abläuft. Die Beschleunigung einer chemischen Reaktion nennt man Katalyse. Der Stoff, der die Reaktion beschleunigt, heißt Katalysator. 2. Die Ammoniaksynthese Ammoniak hat die Formel NH3 und ist giftig. Es ist ein Gas. Unter anderem wird er verwendet, um Düngemittel herzustellen. Bei der Ammoniaksynthese reagieren Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. In Formelschreibweise: N2+3H2->2NH3. Die Reaktion läuft nur ganz langsam ab. Was tun? Hier hilft ein Katalysator. In unserem Fall ist Eisen gut geeignet. Mit Katalysator bildet sich Ammoniak schnell. Wie wirkt der Katalysator? Das metallische Eisen spielt hier eine große Rolle. Wie wir wissen, liegt Wasserstoff als Molekül, das aus zwei Atomen besteht, vor. Diese Moleküle stoßen auf das Eisen. Es entstehen Wasserstoffatome. Wasserstoffatme sind sehr reaktionsfähig. So wird die Katalyse eingeleitet. 3. Schwefelsäureherstellung Schwefel brennt mit blauer Flamme. Im Ergebnis entsteht Schwefeldioxid. In Formelgleichung: S+O2->SO2. Diese Reaktion läuft einfach, schnell und gut ab. Für die Schwefelsäureherstellung muss Schwefeldioxid weiter mit Sauerstoff reagieren. Die Reaktion verläuft jedoch ganz langsam. Wenn wir jedoch einen Katalysator einsetzen, bildet sich sehr viel und sehr schnell Schwefeltrioxid. Dieses braucht man für die Herstellung von Schwefelsäure. Wie funktioniert nun dieser Katalysator? In Formelschreibweise lautet die Reaktion: 2SO2+O2->2SO3. Der Katalysator ist V2O5, sein Name ist Vanadium(V)oxid. Bei der Reaktion spaltet Vanadium(V)oxid ein Sauerstoffatom ab. Atomarer Sauerstoff ist sehr reaktiv. Er kann direkt mit Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid reagieren. Das entstandene andere Vanadiumoxid kann mit dem Sauerstoff der Luft Vanadium(V)oxid bilden. Und wieder entsteht atomarer Sauerstoff. 4. Enzyme im Körper Der Mensch benötigt, damit alle seine Lebensfunktionen erfüllt werden können, sogenannte Enzyme. Enzyme sind sind Biokatalysatoren. Ein wichtiges Enzym ist die Amylase, man findet sie im Mundspeichel. Sie spaltet einen Stoff, der in Brot und in Kartoffeln enthalten ist. Es ist die Stärke. Die großen Stärkemoleküle werden in kleine Moleküle aufgespalten. Es erfolgt eine Spaltung zu Glucose. 5. Der Autokatalysator Im Autokatalysator wirken Edelmetalle. Ohne Katalysator würden Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe den Auspuff verlassen. Mit Katalysator werden diese in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser umgewandelt. 6. Katalyse und Katalysator Sinnbildlich kann man sich ein Bergmassiv vorstellen. Es symbolisiert die Reaktionsmöglichkeiten. Und wir haben einen Bergführer. Der Bergführer ist der Katalysator. Er geleitet uns über den niedrigsten Gipfel des Berges. Wenn wir uns vorstellen, wie sich Energie während der Reaktion verändert, so haben wir zwei Möglichkeiten. Die schwarze Linie über einen hohen Berg: Das ist der Weg ohne Katalysator. Mit Katalysator gehen wir über einen bedeutend niedrigeren Gipfel. Wir können somit feststellen, dass der Katalysator eine chemische Reaktion beschleunigt. Wenn keine Reaktion abläuft, so ist auch ein Katalysator nutzlos. Ein Katalysator verbraucht sich nicht, er nutzt sich höchstens ab und muss dann erneuert werden. Das ist wie mit einem Auto. Es fährt eine ganze Zeit, doch wenn es alt ist, muss es durch ein Neues ersetzt werden. Mit diesen netten Aussichten möchte ich mich von euch verabschieden. Alles Gute, auf Wiedersehen!
Videobeschreibung
In diesem Video geht es um den Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion. Dazu wird zuerst geklärt, was man tun kann, wenn eine chemische Reaktion zu langsam abläuft. Außerdem werden die Begriffe Katalyse und Katalysator erklärt. Zum besseren Verständnis werden dann noch wichtige Beispiele zum Thema (Ammoniaksynthese, Schwefelsäureherstellung, Enzyme im Körper, Autokatalysator) gezeigt. Am Ende des Videos werden die Energiediagramme einer Reaktion mit und ohne Katalysator verglichen.
Der Tutor:
Dr. rer. nat.
Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion
Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion kannst du es wiederholen und üben.
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Definiere die Begriffe Katalyse und Katalysator.
Tipps
Ein Katalysator wird meist eingesetzt, wenn die Reaktion zu langsam abläuft.
Lösung
Das oben gezeigte Bild ist ein Ausschnitt eines Katalysators wie er unter anderem in Autos verwendet wird. Er dient dazu, Reaktionen zu beschleunigen, die sonst sehr lange brauchen würden, bis das Produkt in ausreichender Menge entstanden ist.
Ein klassischer Fall für eine katalytisch beschleunigte Reaktion ist die Estersynthese. Ester werden in einer Gleichgewichtsreaktion aus Alkoholen und Carbonsäuren hergestellt. Die Einstellung des Gleichgewichts dauert allerdings sehr lange. Um das Produkt kostengünstig zu erhalten, muss aber schnell und in großer Menge produziert werden. Dabei hilft der Katalysator.
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Benenne die Bereiche, in denen Katalysatoren eine große Rolle spielen.
Tipps
Besitzt unser Körper auch Katalysatoren?
Zur Synthese von einigen Chemikalien werden Katalysatoren eingesetzt.
Lösung
Sehr bekannt ist der Katalysator im Auto. Durch ihn werden Schadstoffe im Abgas zur Reaktion gebracht und so unschädlich gemacht.
Sehr wichtig sind auch Katalysatoren bei der Synthese von wichtigen Chemikalien wie Ammoniak und Schwefelsäure.
Um Energie aus Nahrung zu gewinnen, besitzt der Mensch einen Verdauungstrakt. Hier sind Enzyme, die als Biokatalysatoren wirken, unersetzlich. Sie spalten die Nährstoffe und ermöglichen auf diese Weise erst, dass sie vom Körper weiter aufgenommen und verwertet werden können.
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Gib an, welche Merkmale ein Katalysator besitzt.
Tipps
Kann ein Katalysator nur einmal oder öfter benutzt werden?
Denke an die Verbrennung von Zucker. Durch die Asche konnte man den Zucker viel einfacher anzünden.
Lösung
Um eine Reaktion zu starten, wird Aktivierungsenergie benötigt. Der Katalysator geht temporär Zwischenverbindungen, die sich leichter bilden als das eigentliche Produkt der Reaktion, ein und senkt so die Aktivierungsenergie.
Die Zwischenverbindungen zerfallen wieder und das Produkt wird gebildet. Die Reaktion läuft also über energetisch günstigere Umwege ab. Am Ende liegt der Katalysator wieder in seiner Ausgangsform vor und kann erneut verwendet werden.
Dieser Prozess hat außerdem eine Beschleunigung des Einstellens des Gleichgewichts zur Folge. Der Katalysator hat aber keinen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts, also wie hoch die Ausbeute bei der Reaktion ist. Um diese zu steigern, muss man auf andere Mittel zurückgreifen.
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Bestimme, welches Energie-Diagramm einen katalysierten Reaktionsverlauf zeigt.
Tipps
Es gibt endotherme und exotherme Reaktionen. Bei einer exothermen Reaktion besitzen die Edukte mehr Energie als die Produkte.
Um eine Reaktion zu starten, benötigt man eine bestimmte Menge Energie, die sogenannte Aktivierungsenergie.
Lösung
Das Bild hier zeigt eine exotherme Reaktion. Es wird Energie, in Form von Wärme und Licht, abgegeben. Im Diagramm siehst du, dass die Edukte mehr Energie aufweisen (Beginn des Graphs) als die Produkte, die am Ende der Reaktion (Ende des Graphs) vorliegen.
Der Berg in der Mitte des Graphs stellt die Aktivierungsenergie dar. Ohne Katalysator ist sie sehr hoch. Die blaue Linie zeigt die Aktivierungsenergie mit Katalysator. Du siehst, dass sie deutlich flacher ist und somit die Energie zum Starten der Reaktion viel geringer ist. Das liegt an den Zwischenverbindungen, die der Katalysator eingeht. Sie bilden sich schon unter viel geringerem energetischen Aufwand.
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Beschreibe, wie der Katalysator bei der Schwefelsäure-Herstellung wirkt.
Tipps
Zu Beginn bildet der Katalysator eine Zwischenverbindung.
Am Ende liegt der Katalysator wieder unverbraucht vor.
Lösung
Bei der Produktion von Schwefelsäure greift man auf die Katalyse zurück. So kann man in kürzerer Zeit mehr dieser Chemikalie herstellen.
Schwefelsäure $H_2SO_4$ wird in vielen Bereichen eingesetzt, unter anderem zur Herstellung von Düngemitteln und für den Aufschluss von Erzen, um aus ihnen Metalle zu gewinnen.
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Erläutere die Wirkungsweise eines Katalysators in einem Auto.
Tipps
Platin wird oft als Katalysator verwendet.
Achte auf die richtige Stöchiometrie. Auf der Eduktseite müssen genauso viele Atome einer Sorte sein wie auf der Produktseite.
Lösung
Die immer sichtbarer werdende Umweltverschmutzung hat den Gesetzgeber veranlasst, Abgasnormen zu verabschieden. Das bedeutet, dass Autos den Schadstoffausstoß deutlich reduzieren mussten. Ein großer Schritt in Richtung Umweltschutz war die Einführung des Katalysators, kurz Kat, am Auto.
Im Motor kommt es aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke zur Reaktion zwischen Stickstoff und Sauerstoff. Es entstehen Stickoxide ($NO,~NO_2~$und$~N_2O$). Diese begünstigen unter anderem die bodennahe Ozonbildung. Durch unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs enthalten Abgase außerdem unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid.
Diese 3 Schadstoffe werden bei der richtigen Betriebstemperatur im Kat nahezu vollständig in ungefährliche Produkte umgewandelt. Das saubere Abgas enthält fast nur noch $N_2,~CO_2~$und$~H_2O$.
1 Kommentar
Super Video, vielen Dank jetzt kann die Chemie Arbeit kommen ;)