Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion

Katalysatoreinfluss auf eine chemische Reaktion Übung

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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$~H_2O$.