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