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Seite 8 <strong>EMITEC</strong> (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)
Vollmer: KIS Köln <strong>EMITEC</strong> ( Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH) Seite 9 Kopiervorlage 4+5 Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität von Eisen und Porzellan (Auswertung des Joghurtbecherversuches). Die in der Tabelle dargestellten Ergebnisse sind von den Autorinnen nach Durchführung der Versuche gemäß Versuchsanleitung auf KV4 an der Universität Düsseldorf ermittelt worden. Zugabe Eisen oder Porzellan Aus den Meßpunkten ergibt sich folgende Berechnung: Für Porzellan: TR = 21,0 °C (Raumtemperatur) aus Diagramm ermittelt: TW = 49,0 °C TM = 41,4 °C 1. Q W = C W � m W � (T W -T M ) = 4,19 kJ/kgK� 0,150 kg � 7,6 K = 4,78 kJ 2. c Porzellan = = 0,94 kJ / kgK Exp. ermittelte spez. Wärmekapazität von Porzellan: 0,94 kJ/kgK Literatur: 1,1 kJ/kgK (dtv-Atlas zur Physik, Bd. 1, 1987) Für Eisen: TR = 20,0 °C (Raumtemperatur) aus Diagramm ermittelt: TW = 50,1 °C TM = 45,2 °C 1. Q W = C W � m W � (T W -T M ) = 4,19 kJ/kgK� 0,150 kg � 4,9 K = 3,08 kJ 2. c Porzellan = Q W m Porzellan � (T M -T R ) Q W m Porzellan � (T M -T R ) = 0,49 kJ / kgK Zeit [ Min. ] Temp. [ ° C] Eisen Temp. [ ° C] Porzel l an 0 53, 8 52, 3 0, 5 53, 2 51, 9 1, 0 52, 7 51, 3 1, 5 52, 0 50, 7 2, 0 51, 4 50, 2 2, 5 50, 8 49, 8 3, 0 50, 4 49, 2 3, 5 45, 2 40, 9 4, 0 44, 4 41, 3 4, 5 43, 9 41, 1 5, 0 43, 5 40, 9 5, 5 43, 4 40, 7 6, 0 43, 2 40, 5 3,08 kJ 0,25 Kg � (45,2 - 20,0) Exp. ermittelte spez. Wärmekapazität von Porzellan: 0,49 kJ/kgK Literatur: 0,45 kJ/kgK (Schülerduden „Die Physik“, Dudenverlag, 1974) = = 4,78 kJ 0,25 Kg � (41,4 - 21,0) Hintergrundinformationen Kopiervorlage 1 Kopiervorlage 4+5 Die Schüler lernen, daß der überwiegende Teil der Schadstoffe in der Startphase des Fahrzeuges emittiert wird. Ursache hierfür ist die Tatsache, daß die Betriebstemperatur des Katalysators erst einige Minuten nach dem Start des Fahrzeuges erreicht wird. Zu den Aufgaben Aufgabe 1 In der Phase I ist der Abgaskatalysator nahezu wirkungslos. Etwa eine Minute nach dem Start setzt die Wirkung des Katalysators mit zunehmender Erwärmung ein. In betriebswarmem Zustand ist die Wirkung am größten. Aufgabe 2 Für die motornahe Anordnung der Abgasanlage zeigen sich bessere Emissionswerte, weil der Katalysator die erforderliche Betriebstemperatur schneller erreicht. Sobald der betriebswarme Zustand erreicht ist, weisen beide Anordnungen (motornah und motorfern) vergleichbare Emissionswerte auf. Aufgabe 3 Die Schüler sollten leicht auf die Idee kommen, daß ein vor dem Start aufgeheizter Katalysator die besten Ergebnisse aufweisen würde. Ein solcher elektrisch aufheizbarer Katalysator ist bei Emitec bereits vor längerer Zeit entwickelt worden und wird in verschiedenen Fahrzeugen bereits eingesetzt. Aufgabe 4 Elektrofahrzeuge sind i.d.R. nicht besonders umweltfreundlich, weil die benötigte Stromenergie letztendlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohlekraftwerke) oder aus Atomkraftwerken stammt. Hintergrundinformationen Dreiwegekatalysator Der ständig zunehmende Verkehr in den hochindustrialisierten Ländern, aber auch mehr und mehr in den Entwicklungs- und Schwellenländern, hat Maßnahmen für eine Schadstoffreduzierung in den Autoabgasen unumgänglich gemacht. In den USA und in Japan wurden schon in den 70er Jahren Katalysatoren verbindlich vorgeschrieben. Im Jahre 1990 waren in der Bundesrepublik Deutschland von ca. 30 Millionen Pkws erst 4,5 Millionen mit einem Katalysator ausgerüstet. Mit dem geregelten Dreiwegekatalysator können in den Abgasen die Schadstoffe Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und nitrose Gase zu Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und elementarem Stickstoff umgewandelt werden. Der Name Dreiwegekatalysator bezieht sich auf die Umwandlung dieser drei Hauptschadstoffe. Der Katalysator besteht aus einem keramischen oder metallischen Wabenkörper, dessen Oberfläche mit den Edelmetallen Platin, Palladium und Rhodium belegt ist. Damit wird eine simultane Umsetzung der Schadstoffe (Oxidation von Kohlenstoffmonoxid sowie der Kohlenwasserstoffe und Reduktion der nitrosen Gase) erreicht. Inwieweit die Funktionstüchtigkeit des Katalysators über eine Betriebsstrecke von 80.000 Kilometern erhalten bleibt, hängt im wesentlichen davon ab, ob der Katalysator starken Erschütterungen oder thermischen Überlastungen (Fehlzündungen) ausgesetzt wird. Hierdurch wird seine Effektivität herabgesetzt. Die Regelung erfolgt über die Lambda-Sonde, die den Sauerstoffgehalt im Abgas vor dem Katalysator mißt. Sie arbeitet wie ein Konzentrationselement. Sie mißt die Potentialdifferenz, die sich durch den Konzentrationsunterschied des Sauerstoffs im Abgas und in der Luft an den Elektroden einstellt. Dadurch kann eine
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