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Seite 8 EMITEC (Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Vollmer: KIS Köln
Didaktische Kopiervorlage Bemerkungen 1
Einsatzmöglichkeiten der Arbeitsblätter im Unterricht und Anbindung an die Lehrpläne
Die Kopiervorlagen lassen sich im Mittelstufenunterricht im Rahmen der Behandlung des Themas „Wärmelehre“ (Physik) und des
Themas „Chemische Reaktion, Aktivierungsenergie, Katalysator“ (Chemie) verwenden.
Eine vertiefende Behandlung läßt sich im Oberstufenunterricht Chemie im Rahmen der Behandlung des Themenkomplexes „Chemisches
Gleichgewicht, Aktivierungsenergie/Katalysator“ realisieren.
Informationen, Bemerkungen, Lösungen zu den Kopiervorlagen
Kopiervorlage 2
Problemorientierter Einstieg in das Thema „Autoabgaskatalysator“.
Die Schüler sollen im Verlauf eines dreistufigen Prozesses
zunächst erarbeiten, welche Stoffe im Motor zur Reaktion
gebracht werden, welche Stoffe als Motoremissionen zum Katalysator
gelangen und zu welchen Stoffen die Motoremissionen im
Katalysator umgesetzt werden.
Anschließend sollen sie die ablaufenden Redoxreaktionen unterscheiden
lernen. Ihnen soll deutlich werden, daß der Kohlenstoff
bei der Reaktion unverbrannter Kohlenwasserstoffe (CxHy) zu
Kohlenstoffdioxis (CO2 ) und Wasser sowie bei der Umsetzung
von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2 )
oxidiert wird. Andererseits wird der Stickstoff in den Stickoxiden
(NOx) reduziert, wenn diese zu gasförmigen Stickstoffmolekülen
(N2 ) umgesetzt werden.
Schließlich sollen die Schüler aus den Daten in der „Info-Box“
schlußfolgern können, daß die Reaktionsprodukte der Umsetzungen
im Katalysator geringer toxisch sind als die Ausgangsstoffe.
Bei der Behandlung des Themas sollte allerdings auch das Problembewußtsein
geschaffen werden, daß in großen Mengen
Kohlenstoffdioxid gebildet wird, welches zwar für Tiere und
Menschen wenig toxisch ist, das aber ein hohes Potential zur Erwärmung
der Erdatmosphäre (Treibhauseffekt) aufweist.
Kopiervorlage 3
Die Schüler lernen u.a., daß die Größe der inneren Oberfläche
eines Katalysators sehr wichtig für dessen Wirksamkeit ist. Damit
die Schadstoffteilchen umgesetzt werden können, müssen sie mit
der inneren Oberfläche des Katalysators in Kontakt treten. Aus
diesem Grunde ist eine möglichst große innere Oberfläche notwendig.
Andererseits sollen die äußeren Abmessungen des
Katalysators für eine platzsparende Anordnung unter dem Auto
möglichst klein sein.
Zur besseren Veranschaulichung bietet sich der Hinweis auf Analogien
in der Natur an. In natürlichen Systemen ergibt sich häufig
das Problem bei möglichst geringer räumlicher Ausdehnung (kleine
äußere Oberfläche) eine möglichst große innere Oberfläche zu
realisieren. Gute Beispiele hierfür sind u.a. der menschliche Darm
oder die Lunge.
Im menschlichen Dünndarm hat die Natur das Problem mit beeindruckendem
Ergebnis gelöst. Bei einer äußeren Oberfläche von
nur 0,4 m2 weist er eine innere Oberfläche von 200-300 m2 auf.
Die innere Oberfläche ist damit um das 500fache größer als die
äußere Oberfläche.
Vorschlag für ein Gedankenexperiment
Um die Unterschiede der inneren Oberfläche eines Keramik- und
eines Metallkatalysators anschaulich herauszustellen, bietet es sich
an, daß die Schüler selber Katalysatormodelle erstellen: Dazu
werden sie aufgefordert, dünne und dickere Papierstreifen so aufzurollen,
daß die Streifen - in einer Papierrolle untergebracht -
eine möglichst große Oberfläche aufweisen, die gleichmäßig von
Luft durchströmt werden kann. Dabei lernen die Schüler verschiedene
Grundsätze nachzuvollziehen, die beim Katalysatorbau berücksichtigt
werden:
Zum einen läßt sich selbstverständlich bei gleichem Materialverbrauch
(gleiches Papiergewicht) eine größere Oberfläche erzeugen,
wenn das Papier möglichst dünn ist (Analogie: Vorteile Metall
gegenüber Keramik). Dabei bietet sich die spiralige Aufwicklung
der Papierstreifen als Lösungsansatz an (Analogie: Metallkatalysator).
Es zeigt sich aber, daß bei spiraliger Aufwicklung
die Flächen unterschiedlich und z.T. sehr eng aufeinanderliegen,
sodaß bei sehr enger Lagenfolge keine ausreichende Luftdurchströmung
gewährleistet ist. Um einen gleichmäßigen Abstand
zwischen den Schichten zu erzeugen, ist es sinnvoll, zick-zack
förmige Papier- oder in Analogie zum Katalysatormodell, Metallstreifen
zu verwenden. Ein solches Bauprinzip können die Schüler
anhand der Querschnittskizze eines Edelmetallkatalysators auf
der Kopiervorlage 3 wiedererkennen.
Modell eines Metallkatalysators
Spiralig aufgewickelter Papierstreifen
in einer Rolle (Toilettenpapier-
Innenrolle)
Die Schüler erfahren, daß ein Katalysator eine Betriebstemperatur
von 250°C bis 300°C aufweisen sollte, um wirksam zu sein, d.h.
um die angestrebten Reaktionen ablaufen lassen zu können. Hierzu
bietet sich folgender Versuch an, der unbedingt vorher erprobt
werden sollte, weil manchmal Schwierigkeiten auftauchen:
Versuch: Das „katalytische“ Feuerzeug als Autokat-Effekt
Chemikalien und Geräte:
Feuerzeug, Platinwendel (l = 15 cm, d = 0,2 mm), Streichhölzer
Durchführung:
An einem Feuerzeug wird eine Platinwendel so angebracht, daß
sie sich im Gasstrom des Feuerzeugs befindet. Nun entzündet
man das Feuerzeug und wartet, bis die Platinwendel glüht. Man
bläst jetzt die Flamme aus, läßt aber das Butangas weiter strömen.
Ergebnis:
Zunächst scheint die Reaktion erloschen, aber nach kurzer Zeit
glüht der Draht wieder.
Deutung:
Man beobachtet eine katalytische „Nachverbrennung“. Das (nicht
reagierte) Butangas wird am noch warmen Platindraht unter starker
Wärmeentwicklung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert.
(aus D. Büttner, S. Bär: Experimente zum Thema Katalyse; NiU-
Ch 8 (1997) Nr. 39, S.11-13)