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Katalyse

Datum: 20.02.2013

Einleitung:
Katalysatoren sind enorm wichtig für die chemische Industrie, weil mit ihnen die Möglichkeit besteht neue Produkte herzustellen oder Produkte kostengünstiger herzustellen. Am Beispiel der Knallgasreaktion soll das untersucht werden.
Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wird hier einmal ohne (1) und einmal mit Katalysator (2) durchgeführt.

Geräte/Chemikalien:
Wasserstoff, Sauerstoff, Luftballon und Platinkatalysator

Versuchsaufbau (1):

Versuchsdurchführung (1):

Zuerst wird ein Luftballon zu zwei Dritteln mit Wasserstoff und einem Drittel mit Sauerstoff gefüllt und anschließend losgelassen.

Versuchsbeobachtung (1):
Der Luftballon steigt an die Decke des Raumes - es passiert nichts weiter.

Versuchsaufbau (2):

Versuchsdurchführung (2):
Das Wasserstoffgas wird durch eine Düse auf den Platinkatalysator gerichtet.

Versuchsbeobachtung (2):
Der Platinkatalysator fängt an zu glühen und danach entzündet sich das Wasserstoffgas an seiner Oberfläche.




Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an einem Platinkatalysator


Versuchsbeobachtung (1) 2. Teil:




Knallgasreaktion mit Aktivierungsenergie


Versuchserklärung:
Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff in einer exothermen Reaktion:
2H 2 + O 2 2H 2 O
Wasserstoff und Sauerstoff reagieren aber erst miteinander, wenn die nötige Aktivierungsenergie zugeführt wird.
Der Einsatz des Platin-Katalysators senkt die Aktivierungsenergie, so dass die Reaktion schon bei Raumtemperatur ablaufen kann.


Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einem Pt-Katalysator.


Vorgänge an der Oberfläche:
Die Wasserstoffmoleküle landen auf der Platinoberfläche. Die Bindung der Wasserstoffatome wird schwächer und sie verbinden sich mit den frei beweglichen Elektronen des Platinmetalls. Dadurch wird die innermolekulare Bindung zwischen den Wasserstoffatomen aufgebrochen.
Weil die Elektonen frei beweglich sind, können die Wasserstoffatome auf der Oberfläche des Platins wandern.
Sauerstoffmoleküle aus der Luft landen ebenfalls auf der Oberfläche des Platins und reagieren mit den Wasserstoffatomen. Dabei löst sich die Bindung zwischen den Wasserstoffatomen und Platin, so dass die Wasserstoffatome das Sauerstoffmolekül angreifen können. Zuerst bricht eine innermolekulare Bindung auf, wobei zwei Wasserstoffatome angelagert werden. Anschließend wird die zweite Bindung angegriffen. Wenn insgesamt vier Wasserstoffatome mit dem Sauerstoffmolekül reagiert haben sind zwei Wassermoleküle entstanden.
Wegen der bei der exothermen Reaktion entstandenen Wärme besitzen die Wassermoleküle eine große kinetische Energie. Sie verlassen deshalb die Oberfläche des Platins.


Reaktionsverlauf der exothermen Reaktion mit und ohne Katalysator.

Versuchsergebnis:
Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion. Der Katalysator wird bei der Reaktion nicht verbraucht. Einige Reaktionen sind auch erst möglich, wenn ein Katalysator eingestzt wird.
Diese Reaktion ist ein Beispiel für heterogene Katalyse. Weil der Katalysator und die Edukte in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen. Bei gleichen Aggregatzuständen würde man von einer homogenen Katalyse sprechen.

Text von Adrian K. mit Ergänzungen von Herrn Ecker.


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