Aufgaben: Aktivierungsenergie und Katalysatorwirkung

Erkläre mit eigenen Worten, was man unter der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion versteht, und warum ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff bei Raumtemperatur nicht von selbst reagiert.

Ein Katalysator beschleunigt eine Reaktion.

1. a) Gib an, wie sich die Aktivierungsenergie durch einen Katalysator verändert.
2. b) Gib an, ob der Katalysator bei der Reaktion verbraucht wird.
3. c) Gib an, ob sich die Energiebilanz der Reaktion (Edukte gegenüber Produkten) durch den Katalysator verändert.

Beim Auto-Katalysator werden giftige Abgase umgesetzt, zum Beispiel $2\ \text{CO} + 2\ \text{NO} \rightarrow 2\ \text{CO}_2 + \text{N}_2$.

1. a) Nenne zwei Metalle, die als Katalysatormaterial eingesetzt werden.
2. b) Nenne den Zweck dieser Reaktion.
3. c) Benenne die entstehenden Produkte.

Ein Energiediagramm einer exothermen Reaktion ohne Katalysator wird so beschrieben: Edukte bei $0\ \text{kJ}$, Energiemaximum bei $+80\ \text{kJ}$, Produkte bei $-50\ \text{kJ}$ (Energie pro Formelumsatz). Mit Katalysator liegt das Maximum bei $+45\ \text{kJ}$.

1. a) Gib die Aktivierungsenergie ohne und mit Katalysator an.
2. b) Gib die Reaktionsenergie an und begründe, ob sie sich durch den Katalysator ändert.
3. c) Skizziere das Diagramm in Worten (Achsen, Kurvenverlauf, Lage der Maxima).

Wasserstoffperoxid zerfällt langsam: $2\ \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$. Gibt man etwas Braunstein ($\text{MnO}_2$) hinzu, schäumt die Lösung stark auf.

1. a) Erkläre die Beobachtung mit dem Begriff Katalysator.
2. b) Beschreibe, wie man mit dem Glimmspan nachweisen kann, welches Gas entsteht.
3. c) Erkläre, wie du nach dem Versuch zeigen könntest, dass der Braunstein nicht verbraucht wurde.

Im Modell stellt man sich vor, dass Teilchen auf der Oberfläche eines festen Katalysators vorübergehend gebunden werden.

1. a) Beschreibe in drei bis vier Sätzen, wie dadurch die Reaktion zwischen zwei Gasen erleichtert wird (Anlagerung, Lockerung von Bindungen, Reaktion, Ablösen).
2. b) Erkläre, warum man Katalysatoren oft als feines Pulver oder Netz einsetzt.

Zwei Reaktionen A und B haben dieselbe Reaktionsenergie von $-100\ \text{kJ}$, aber A hat eine Aktivierungsenergie von $50\ \text{kJ}$, B von $120\ \text{kJ}$.

1. a) Beurteile, welche Reaktion bei Raumtemperatur schneller abläuft, und begründe mit dem Teilchenmodell.
2. b) Erkläre, warum ein Katalysator für B die Reaktionsenergie nicht verändert, aber die Reaktion beschleunigen kann.
3. c) Ein Mitschüler sagt: „Ein Katalysator liefert Energie für die Reaktion.“ Widerlege die Aussage.

Beschreibe in Worten ein Energiediagramm für eine endotherme Reaktion mit Reaktionsenergie $+30\ \text{kJ}$ und einer Aktivierungsenergie von $90\ \text{kJ}$ ohne Katalysator sowie $60\ \text{kJ}$ mit Katalysator.

1. a) Setze die Energie der Edukte auf $0\ \text{kJ}$. Gib die Energiewerte der Edukte, des Maximums und der Produkte jeweils ohne und mit Katalysator an.
2. b) Bestimme die aufzuwendende aktivierende Energie für die Rückreaktion ohne Katalysator.
3. c) Begründe, warum der Katalysator auch die Rückreaktion beschleunigt.

Katalysatorgifte wie Blei oder Schwefelverbindungen machen Katalysatoren unwirksam. Bleihaltiges Benzin ist deshalb für Fahrzeuge mit Katalysator ungeeignet.

1. a) Erkläre mithilfe des Oberflächenmodells, wie ein Katalysatorgift wirken kann.
2. b) Erkläre, warum ein Katalysator in der Industrie trotz seines hohen Preises (z. B. Platin) wirtschaftlich sinnvoll ist.
3. c) Bewerte, welche Rolle Katalysatoren für den Umweltschutz im Straßenverkehr spielen.