Telekolleg - Chemie


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Chemie - 8. Folge Beeinflussung chemischer Reaktionen

Chemische Reaktionen lassen sich beeinflussen - zum Beispiel mit Katalysatoren. Diese Folge von Telekolleg Chemie zeigt in Experimenten und am Modell, was dabei passiert.

Stand: 07.09.2016 | Archiv

Katalysator Platinasbest | Bild: BR

Ausgehend von dem Bedarf der Landwirtschaft an Mineraldüngern, die ein kräftigeres und schnelleres Wachstum ermöglichen, beschäftigt sich die Folge vor allem mit jenen Faktoren, die chemische Reaktionen beeinflussen können. Sie gliedert sich in vier Sequenzen.

Synthese von Ammoniak

Ammoniak als Gas und in Wasser gelöst ("Salmiakgeist")

Pflanzen brauchen zum Wachstum Stickstoff. Doch dieses in der Luft reichlich vorhandene Element können sie nicht aus der Luft aufnehmen, es muss ihnen in Form des Stickstoffdüngers zugeführt werden. Dazu benötigt man in großen Mengen Ammoniak (NH3), das in Wasser gelöst als Salmiakgeist im Handel ist. Die Synthese von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff verläuft bei Zimmertemperatur allerdings sehr langsam, da das Stickstoffmolekül (N2) durch seine stabile Dreifachbindung sehr reaktionsträge ist. Großtechnisch arbeitet man daher in den sogenannten Kontaktöfen bei Temperaturen von 500 °C. Da die hohe Temperatur jedoch noch nicht ausreicht, setzt man auch noch Katalysatoren ein.

Die Wirkung von Katalysatoren

Am Beispiel von Platinasbest wird demonstriert, wie sich Wasserstoff "von selbst" entzündet (siehe Bild ganz oben). Ein Modellexperiment demonstriert dabei, wie ein Katalysator die Aktivierungsenergie herabsetzt und so die chemische Reaktion einleitet oder beschleunigt. Auch ein Abgaskatalysator wird gezeigt, der die Auspuffgase - etwa Stickstoffoxid oder Kohlenstoffmonooxid - in harmlose Substanzen wie Kohlenstoffdioxid, Wasser oder Stickstoff umformt.

Schließlich geht die Sequenz noch darauf ein, dass man auch bei der Ammoniaksynthese Katalysatoren verwendet und erklärt an einem Modell, wie diese die Bindungen innerhalb der Stickstoff- und Wasserstoffmoleküle lösen (Katalyse), ohne bei diesem Vorgang selbst verbraucht zu werden.

Der Einfluss des Drucks

Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (braun) und Distickstofftetraoxid (farblos)

Ein Experiment zeigt, dass braunes Stickstoffdioxid (NO2) und farbloses Distickstofftetraoxid (N2O4) in einem geschlossenen System (z. B. in einem Kolbenprober) in einem Gleichgewicht stehen und sich ständig ineinander umwandeln.

Gleichgewicht zwischen Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid

Übt man nun auf das Gleichgewicht einen Zwang - beispielsweise in Form von Druck - aus, dann verschiebt es sich in der Weise, dass es dem Druck ausweicht. Im Experiment und an einem Modell ist zu sehen, dass das Gleichgewicht auf die Seite des Distickstofftetraoxids verschoben wird:

Das Gasgemisch im Kolbenprober hellt sich auf. Dies ist möglich, weil durch den Druck eine Volumenänderung stattfindet, bei der aus zwei Volumenteilen Stickstoffdioxid ein Volumenteil Distickstofftetraoxid entsteht. Diese Eigenschaft chemischer Systeme, flexibel auf äußere Bedingungen zu reagieren, ist als das Prinzip vom kleinsten Zwang oder nach einem seiner Entdecker als Le-Chatelier-Prinzip bekannt.

Der Einfluss der Temperatur

Auch Temperaturänderungen können chemische Gleichgewichte verschieben.

Gasgemisch (Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid): Entfärben durch das Abkühlen ...

Dies zeigt ein Experiment, bei dem ein Gasgemisch aus Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid zunächst stark abgekühlt und dann wieder erwärmt wird, wobei sich die Farbe von zunächst braun zu farblos und dann wieder zu braun ändert.

... und Braunfärbung beim Erwärmen

Zusätzliche Schemata erklären, dass die Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes zu Distickstofftetraoxid ein exothermer und die Verschiebung zum Stickstoffdioxid ein endothermer Vorgang ist.

Die Sendung endet mit einer Zusammenschau, bei der die Faktoren, die eine chemische Reaktion beeinflussen, können auf die Ammoniak-Synthese bezogen werden. So arbeitet man großtechnisch mit Katalysatoren, sowie mit einem Druck von 300 bar und einer Temperatur von 500 °C.

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Wirkung von Katalysatoren | Bild: BR zum Quiz Telekolleg Chemie Beeinflussung chemischer Reaktionen

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