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Katalyse – homogen, heterogen und Autokatalyse

ChemieKinetik und GleichgewichtAlter 15–16Virtuelles Labor

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Fünf Ansichten zur Wirkungsweise von Katalysatoren: Adsorption, Schwächung der Bindungen und Desorption an Eisen (Haber-Bosch-Verfahren) und der Redoxzyklus von V₂O₅ (Kontaktverfahren) mit Katalysatorvergiftung; Katalyse von S₂O₈²⁻ + 2I⁻ durch Fe²⁺/Fe³⁺; Autokatalyse durch Mn²⁺ bei der Reaktion MnO₄⁻/C₂O₄²⁻ mit ihrer Geschwindigkeit-Zeit-Kurve; ein Versuchsstand, der H₂O₂ mit Fe³⁺, MnO₂, Platin oder Katalase zersetzt und den festen Katalysator zurückgewinnt; und Energiediagramme des Wegs mit und ohne Katalysator.

Lektion: Katalysatoren: homogene, heterogene und Enzymkatalyse; Autokatalyse

Was sie zeigt

Ein Katalysator beschleunigt eine Reaktion, indem er einen anderen Weg mit kleinerer Aktivierungsenergie ermöglicht, und liegt am Ende chemisch unverändert vor. Ein heterogener Katalysator liegt in einer anderen Phase vor als die Edukte: Gase werden an einer festen Oberfläche adsorbiert, ihre Bindungen werden geschwächt, neue Bindungen entstehen und die Produkte desorbieren; Katalysatorgifte blockieren aktive Zentren. Ein homogener Katalysator liegt in derselben Phase vor und wirkt oft durch einen Wechsel seiner Oxidationsstufe, wie Fe²⁺/Fe³⁺. Bei der Autokatalyse ist ein Produkt der Katalysator, daher wird die Reaktion im Verlauf schneller. Enzyme wie die Katalase sind Biokatalysatoren.

So funktioniert es

Wählen Sie unter „Oberfläche“ die Katalysatoroberfläche, klicken Sie auf Start und verfolgen Sie das markierte Zentrum durch die Schritte; erhöhen Sie Vergiftete Zentren und vergleichen Sie die Geschwindigkeit. Testen Sie unter „Lösung“ Ohne Katalysator, Fe²⁺ und Fe³⁺. Arbeiten Sie unter „Autokatalyse“ bei 60 °C und aktivieren Sie dann Mn²⁺ zu Beginn zugeben. Wählen Sie am „H₂O₂-Versuchsstand“ einen Katalysator, starten Sie und klicken Sie auf Katalysator filtrieren, trocknen und wiegen. Wählen Sie unter „Energiediagramme“ eine Reaktion.

Einstellbare Parameter

  • Ansicht Oberfläche, Lösung, Autokatalyse, H₂O₂-Versuchsstand, Energiediagramme
  • Katalysatoroberfläche Eisen (Haber-Bosch), V₂O₅ (Kontaktverfahren)
  • Vergiftete Zentren 0–100 %
  • Zugegebener Katalysator (Lösung) Ohne Katalysator, Fe²⁺, Fe³⁺
  • Temperatur (Autokatalyse) 20–80 °C
  • Mn²⁺ zu Beginn zugeben
  • Katalysator (H₂O₂-Versuchsstand) Ohne Katalysator, Fe³⁺-Lösung (homogen), MnO₂-Pulver (heterogen), Platinnetz (heterogen), Leber (Katalase, Enzym), Kartoffel (Katalase, Enzym)
  • H₂O₂-Konzentration 0,1–0,8 mol/L
  • Leber oder Kartoffel vorher kochen
  • Reaktion (Energiediagramme) Zersetzung von H₂O₂, Haber-Bosch (Eisen), Kontaktverfahren (V₂O₅), S₂O₈²⁻ + I⁻ (Fe²⁺/Fe³⁺)
  • Katalysierten Weg zeigen

Fragen zum Erkunden

  1. Warum ändert ein Katalysator weder ΔH noch die Lage des Gleichgewichts?
  2. Warum können sowohl Fe²⁺ als auch Fe³⁺ die Reaktion zwischen S₂O₈²⁻ und I⁻ katalysieren?
  3. Warum beginnt die Reaktion zwischen MnO₄⁻ und C₂O₄²⁻ langsam und wird dann schneller?

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