Wirkungsweise von Katalysatoren
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Grundlagen zum Thema Wirkungsweise von Katalysatoren
Was sind Katalysatoren?
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, bei denen die Komponenten in unterschiedlichen Phasen vorliegen.
Nutzung von Katalysatoren – Beispiel
Katalysatoren findet man nicht nur im Chemielabor, sondern auch zum Beispiel in der Industrie und im Körper. Ein bekanntes Beispiel ist hier der Autokatalysator. Die bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehenden chemischen Verbindungen wie Kohlenmonoxid ($CO$), unverbrannte Kohlenwasserstoffe ($KW$) und verschiedene Stickoxide ($NO_x$) sind giftig und dürfen daher nicht in die Atmosphäre gelangen. Um die Aktivierungsenergie für die im Katalysator ablaufenden Redoxreaktionen möglichst gering zu halten, werden die Gase durch mit Platin überzogene Keramikkammern geleitet. Platin wirkt hier als Katalysator und sorgt dafür, dass die Reaktionen zu ungefährlicheren Verbindungen wie Sauerstoff ($O_2$), Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) und Stickstoff ($N_2$) ablaufen können.
Bedeutung von Katalysatoren
Katalysator – Chemie
Um die Wirkungsweise von Katalysatoren zu verstehen, ist es sinnvoll ein Energiediagramm zu betrachten. Hier werden die Energien der Ausgangsstoffe (Edukte) und der Produkte eingetragen, sowie der Verlauf und die benötigte Aktivierungsenergie. Um eine Reaktion in Gang zu bringen, muss häufig Energie durch Wärme zugeführt werden.
Das heißt für $A+B \rightarrow AB$ benötigen wir die Aktivierungsenergie $E_A$. Wird ein Katalysator verwendet, laufen zwei Reaktionen ab:
$A+Kat \rightarrow AKat$ mit $E_{Kat}$ und $AKat+B\rightarrow AB + Kat$
Die für die Teilreaktion benötigte Aktivierungsenergie $E_{Kat}$ ist deutlich geringer als $E_A$.
Biokatalysatoren
Katalysatoren kommen auch in der Natur in vielfältiger Weise vor. Biokatalysatoren sind meistens Proteine, genauer gesagt Enzyme, diese ermöglichen zum Beispiel die Fotosynthese und Energiegewinnung aus der Nahrung.
Geschichte: Von der Antike bis heute
Schon seit der Antike wurde sich die katalytische Wirkung von einigen Stoffen zunutze gemacht. Aber erst 1835 kam der schwedische Chemiker Berzelius zu der Annahme, dass bestimmte Reaktionen nur ablaufen, sofern ein Stoff, der selbst nicht verbraucht wurde, beteiligt ist. Heutzutage sind Katalysatoren nicht mehr aus der Chemietechnik und der Industrie wegzudenken. Es wird geschätzt, dass ca. vier Fünftel aller chemischen Erzeugnisse in mindestens einem Produktionsschritt von der Katalysatorwirkung profitieren. Denn ohne sie würden viele Reaktionen langsamer oder gar nicht ablaufen. Die Energieeinsparung hat nicht nur den Effekt der Kosteneinsparung, sondern ist auch aus Sicht des Umweltschutzes eine wichtige Verbesserung.
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!
Wirkungsweise von Katalysatoren Übung
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Nenne die Funktion eines Autokatalysators.
TippsEin Autokatalysator wird aus Gründen des Umweltschutzes eingebaut.
LösungBei 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.
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Bestimme das Diagramm, welches den Reaktionsverlauf mit Katalysator dieser Reaktion darstellt.
TippsEin Katalysator kann eine Reaktion beschleunigen.
LösungEin 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.
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Erkläre, welche wirtschaftlichen Vorteile ein Katalysator in der Industrie haben kann.
TippsÜberlege dir, was ein Katalysator macht.
LösungEin 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.
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Stelle die Reaktionsgleichungen auf, die im Autokatalysator stattfinden.
TippsÜberlege 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.
LösungIm 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.
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Definiere den Begriff Katalysator.
TippsEin Katalysator stabilisiert Übergangszustände, die energetisch nicht ganz so hoch liegen.
Schau dir einmal das Energiediagramm an.
LösungEin 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.
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Beurteile, ob die beschriebenen Vorgänge katalytisch sind.
TippsErinnere dich an die Definition eines Katalysators.
In Obst befinden sich Enzyme.
Im Video wurde gesagt, wobei Platin auch verwendet wird. Erinnerst du dich?
LösungKatalysatoren 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.
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Hallo Leonie,
wenn du die Sauerstoffatome auf der linken Seite zählst sollten es 50 sein.
Liebe Grüße aus der Redaktion.
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
Danke. 😊
nice
@Karsten Schedemann Sorry war mein fehler. Ich hatte gestern die Lösungen nicht erkannt, die leicht grün markiert waren. Funktioniert alles. Haben den Test heute geschrieben und hat alles super gut geklappt. LG Hendrik