Katalysatoren im Unterricht

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1 Ludwigsburger Gymnasien als Mentoring-Schulen:

2 Was ist ein guter Versuch?

3 Was ist ein guter Versuch? lehrreich wenig aufwändig funktionssicher

4 Was ist ein guter Versuch? lehrreich wenig aufwändig funktionssicher Die Lehrkraft entscheidet, was ein guter Versuch ist!

5 Organisation der Versuche Versuchsdurchführung 33% Präsentation 33% schriftliche Ausarbeitung 33%

6 Ausgewählte Versuche zum Thema Katalyse 1. Der Klassiker: Oxidation von Wasserstoff in Variationen 2. Quantitative Untersuchung. Wasserstoffperoxid- Zersetzung 3. Mehr oder weniger selektiv: Dehydratisierung und Hydrierung 4. Regelung statt Steuerung: Die λ- Sonden- Steuerung

7 Katalysatoren im Schülerversuch: Der bekannteste Versuch zur Katalyse: Wasserstoffoxidation 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Fragestellung: Was treibt diese Reaktion an?

8 kj/mol 200 Thermodynamische Daten ΔH r ΔG r = ΔH- ΔT* ΔS

9 Wasserstoffoxidation in der Brennstoffzelle 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Fragestellungen: - Leistung - Wirkungsgrad

10 Wasserstoffoxidation in der Brennstoffzelle 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Fragestellungen: - Leistung? - Wirkungsgrad? Problem: Wasserstoff ist nur ein Energieträger

11 Energetik und Kinetik des H 2 O 2 - Zerfalls H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 Vergleich der praktischen Ergebnisse mit den energetischen Werten und den möglichen kinetischen Gesetzmäßigkeiten

12 kj/mol 200 Thermodynamische Daten ΔG r ΔH r -200

13 Energetik: Energetik des H 2 O 2 - Zerfalls H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 - Bestimmen der Stoffmenge an Sauerstoff - Verfolgen der Temperatur

14 Kinetik des H 2 O 2 - Zerfalls H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 Kinetik: Reaktionsordnungen: 0. Ordnung: c (t) = k t v= konst. 1. Ordnung: c (t) = c (0) e -kt Wassermenge / g ln(c(h 2 O 2 ))*40 (Der Faktor 40 dient hier lediglich der besseren Darstellung) 2. Ordnung v (t) = k c (t) v (t) = k c (t) 2

15 Kinetik des H 2 O 2 - Zerfalls H 2 O 2 H 2 O + ½ O 2 Kinetik: Reaktionsordnungen: 0. Ordnung: c (t) = k t v= konst. 1. Ordnung: c (t) = c (0) e -kt Wassermenge / g ln(c(h 2 O 2 ))*40 (Der Faktor 40 dient hier lediglich der besseren Darstellung) 2. Ordnung v (t) = k c (t) v (t) = k c (t) 2

16 2-Butanol - Butene - Butane Vorüberlegungen: H 3 C-CH-CH 2 -CH 3 -OH - Energetik dieser Reaktion? - Beeinflussung durch Temperaturerhöhung? - Sind verschiedene Reaktionsprodukte möglich?

17 2-Butanol - Butene - Butane Butene aus 2-Butanol Butane aus Butenen

18 kj/mol 200 Thermodynamische Daten 100 ΔG r 0 ΔH r -100 ΔH r ΔG r -200

19 Katalytische Nachverbrennung: Regelung der Luftzufuhr mit Hilfe einer λ-sonden- Steuerung Aufgabenstellung: - Energetik der katalytischen Verbrennung - Regelung der Verbrennung mit Hilfe einer λ-sonde Teilreaktionen: C x H y + (x+y/4) O 2 x CO 2 + H 2 O 2 CO + O 2 2 CO 2

20 Katalytische Nachverbrennung: Regelung der Luftzufuhr mit Hilfe einer λ-sondensteuerung

21 kj/mol 200 Thermodynamische Daten ΔG r -100 ΔH r -200

22 Physik und Chemie der Spritzenkanone Schieße mit der Kanone mit einer Butan/Luft Mischung (Butangehalt ca. 5 % ) Problem: Sek I: Butan (C 4 H 10 ) soll mit Luft reagieren. Volumenverhältnis der Gase für eine vollständige Reaktion? Sek II / Studis: Wo wird mehr Energie frei? (bei gleichem Volumen): Knallgasgemisch oder stöchiometrisches Butan/ Sauerstoffgemisch? Energetische Begründung!

23 Physik und Chemie der Spritzenkanone Schieße mit der Kanone mit einer Butan/Luft Mischung (Butangehalt ca. 5 % ) Problem: Es gibt (noch) keinen geeigneten Katalysator Sek I: Butan (C 4 H 10 ) soll mit Luft reagieren. Volumenverhältnis der Gase für eine vollständige Reaktion? Sek II / Studis: Wo wird mehr Energie frei? (bei gleichem Volumen): Knallgasgemisch oder stöchiometrisches Butan/ Sauerstoffgemisch? Energetische Begründung!

24 Materialien zum downloaden unter: Anregungen / Wünsche / Bemerkungen an:

25 Noch Fragen?

26

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