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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!

Alle Inhalte sind von Lehrkräften & Lernexperten erstellt
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Die Autor*innen
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Chemie-Team
Wirkungsweise von Katalysatoren
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

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.