Katalyse und Reaktionsbedingungen

Catalysis and Reaction Conditions

Chemie Klasse 10 9 Aufgaben

KatalyseKinetikAktivierungsenergieKerncurriculum

Warum brennt ein Zuckerwürfel, den man in etwas Asche gewälzt hat, ein sauberer aber nicht? Die Kinder deuten Reaktionsgeschwindigkeit im Stoßmodell: Temperatur, Konzentration und Zerteilungsgrad ändern, wie oft und wie heftig Teilchen zusammenstoßen; ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und geht unverändert aus der Reaktion hervor. Zwei dokumentierte Fehlvorstellungen stehen im Zentrum: der Katalysator werde verbraucht, und er verschiebe das Ergebnis der Reaktion (Taber 2002). Bezüge: Autokatalysator, Enzyme in der Verdauung (Biologie), Mehlstaubexplosion. Bereitet Reaktionskinetik und Gleichgewicht der Oberstufe vor.

Voraussetzungen (2)

Energie bei chemischen Reaktionen

Klasse 8

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Chemische Reaktion – Grundlagen

Klasse 8

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Leicht

Lückentext #1 15s ▶ Testen

Die Mindestenergie, die zwei Teilchen beim Stoß mitbringen müssen, damit eine Reaktion abläuft, heißt ___.

✓ Antwort: Aktivierungsenergie

Diese Energie braucht es, um alte Bindungen zu lockern, bevor neue sich bilden. Im Energiediagramm ist sie der "Berg" zwischen Edukten und Produkten. Symbol Eₐ. Eine niedrige Aktivierungsenergie bedeutet eine schnelle Reaktion bereits bei Raumtemperatur, eine hohe nur bei großer Hitze.

Lückentext #2 15s ▶ Testen

Spezielle Biokatalysatoren in Lebewesen heißen ___.

✓ Antwort: Enzyme

Enzyme sind hochspezifische Proteine, die Reaktionen oft millionenfach beschleunigen. Beispiele: Amylase im Speichel (spaltet Stärke), Pepsin im Magen (spaltet Eiweiß), Katalase (zersetzt H₂O₂). Sie arbeiten nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip am aktiven Zentrum und sind temperatur- und pH-empfindlich.

Mittel

Multiple Choice #1 25s ▶ Testen

Ozonabbau in der Stratosphäre: (1) Cl + O₃ → ClO + O₂, (2) ClO + O → Cl + O₂. Welches Teilchen wirkt als Katalysator?

○ ClO
○ O₂
● Cl

Ein Katalysator wird in einem Schritt verbraucht und im nächsten unverändert zurückgebildet – er taucht in der Gesamtgleichung O₃ + O → 2 O₂ nicht auf. Das trifft auf das Chlor-Atom zu: Es öffnet einen Weg mit niedrigerer Aktivierungsenergie und kann so Tausende Ozonmoleküle abbauen. ClO ist nur ein Zwischenprodukt (entsteht und verschwindet wieder), O₂ ist ein Produkt.

Multiple Choice #2 30s ▶ Testen

Welche Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit?

● Temperatur, Konzentration der Edukte, Oberfläche der Reaktionspartner und Anwesenheit eines Katalysators.
○ Nur die Temperatur.
○ Nur die Konzentration.
○ Nur die Anwesenheit von Wasser.

"Faktoren der Reaktionsgeschwindigkeit" ist ein zentrales Schulthema. Faustregel (RGT-Regel): 10 °C mehr ≈ doppelte bis dreifache Geschwindigkeit. Höhere Konzentration → mehr Stöße. Größere Oberfläche (z. B. zermahlen) → mehr Berührungspunkte. Katalysator → niedrigere Aktivierungsenergie.

Wahr / Falsch #3 20s ▶ Testen

Eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C verdoppelt bis verdreifacht meist die Reaktionsgeschwindigkeit.

✓ Wahr

Richtig — die "RGT-Regel" (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel), auch van-'t-Hoff-Regel genannt. Höhere Temperatur bedeutet, dass mehr Teilchen die Aktivierungsenergie überwinden — der Anteil der erfolgreichen Stöße wächst überproportional. Daher kocht man Speisen, kühlt Lebensmittel und betreibt großtechnische Synthesen oft bei erhöhter Temperatur.

Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Welcher Katalysator arbeitet heterogen?

○ NO-Gas in einem Gemisch aus SO₂ und O₂
● Festes Eisen in einem Gemisch aus N₂ und H₂
○ Gelöste Säure in einer Lösung von Alkohol und Essigsäure

Heterogen heißt: Katalysator und Edukte liegen in verschiedenen Phasen. Bei der Ammoniaksynthese (Haber-Bosch) reagieren die Gase N₂ und H₂ an der Oberfläche von festem Eisen – das lässt sich leicht abtrennen. Das NO im Gasgemisch (altes Bleikammerverfahren) ist dagegen selbst ein Gas, also homogen, obwohl es um eine Gasreaktion geht; ebenso die gelöste Säure in der Lösung.

Multiple Choice #5 30s ▶ Testen

Im Auto-Katalysator wandelt ein Pt/Pd/Rh-Edelmetall-Träger schädliche Abgase um. Welche Reaktionen laufen dort ab?

● Oxidation von CO zu CO₂, Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu CO₂ + H₂O, Reduktion von NOₓ zu N₂.
○ Vermehrung von CO₂.
○ Erzeugung von Strom.
○ Verflüssigung der Abgase.

Der "Drei-Wege-Katalysator" wandelt drei Schadstoffklassen gleichzeitig um — daher der Name. Die Edelmetalle wirken heterogen, die Reaktionen finden an der Oberfläche statt. Voraussetzung: λ ≈ 1 (stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch). Bleihaltige Kraftstoffe vergiften den Katalysator und sind deshalb verboten.

Wahr / Falsch #6 25s ▶ Testen

Die Zerkleinerung eines festen Edukts auf Pulver erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, weil mehr Oberfläche für den Reaktionspartner zugänglich ist.

✓ Wahr

Richtig. Reaktionen zwischen verschiedenen Phasen finden an Grenzflächen statt. Ein Würfel von 1 cm Kantenlänge hat 6 cm² Oberfläche; zermahlt man ihn in 1 mm³-Würfel, hat das gleiche Volumen 60 cm² Oberfläche. Daher Mehlstaub-Explosionen in Mühlen oder die feinpulvrigen Eduktformen in der Pharmaindustrie.

Schwer

Multiple Choice #1 30s ▶ Testen

Was bewirkt ein Katalysator NICHT?

● Er verschiebt die Lage des chemischen Gleichgewichts nicht — er beschleunigt nur die Hin- und die Rückreaktion gleichermaßen.
○ Er senkt die Aktivierungsenergie.
○ Er erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit.
○ Er liegt am Ende unverändert vor.

Ein Katalysator verkürzt die Zeit, bis sich das Gleichgewicht einstellt — aber er ändert nicht, *wo* dieses Gleichgewicht liegt. Will man die Produktausbeute erhöhen, muss man Druck, Temperatur oder Konzentration ändern (Prinzip von Le Chatelier).