Der brennende Zuckerwürfel
AFB I–IIEin bekannter Schauversuch: Ein Zuckerwürfel (Saccharose, \(\ce{C12H22O11}\)) lässt sich mit einem Streichholz nicht entzünden. Bestreut man ihn mit etwas Zigarettenasche, brennt er dagegen ruhig ab. Asche enthält unter anderem Metalloxide und -carbonate.
| Versuch | Durchführung | Beobachtung |
|---|---|---|
| 1 | Zuckerwürfel in die Brennerflamme halten | schmilzt, wird braun, erlischt außerhalb der Flamme |
| 2 | Zuckerwürfel mit 0,20 g Asche bestreuen, entzünden | brennt mit blauer Flamme weiter |
| 3 | Rückstand wiegen | 0,20 g grauweißer Rückstand |
| 4 | Rückstand auf neuen Zuckerwürfel streuen, entzünden | brennt erneut |
| Stoff | Saccharose(s) | CO₂(g) | H₂O(l) |
|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) (kJ/mol) | −2226,1 | −393,5 | −285,8 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Saccharose und berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\).
- Erklären Sie, warum der Zucker in Versuch 1 trotz dieses Wertes nicht weiterbrennt.
- Begründen Sie mit den Versuchen 3 und 4, dass die Asche als Katalysator wirkt.
- Skizzieren Sie ein Energiediagramm der Verbrennung mit und ohne Asche.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{C12H22O11 + 12 O2 -> 12 CO2 + 11 H2O}\); \(\Delta_r H^\circ = 12\cdot(-393{,}5) + 11\cdot(-285{,}8) - (-2226{,}1) = -5639{,}7\,\text{kJ/mol}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Verbrennung ist stark exotherm, hat aber eine hohe Aktivierungsenergie. Der Zucker schmilzt und zersetzt sich, ehe genug Teilchen die Hürde überwinden; ohne Flamme reicht die frei werdende Wärme nicht, um die Reaktion selbst zu unterhalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Masse der Asche ist nach dem Versuch unverändert (0,20 g), sie wird also nicht verbraucht. Sie wirkt erneut (Versuch 4), obwohl sie bereits benutzt wurde. Beides kennzeichnet einen Katalysator: beschleunigt, wird zurückgebildet, liegt unverändert vor.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Edukt-Niveau \(\ce{C12H22O11 + 12 O2}\) oben, Produkt-Niveau \(\ce{12 CO2 + 11 H2O}\) 5639,7 kJ/mol tiefer. Ohne Asche ein hoher Gipfel (große \(E_A\)); mit Asche ein Weg über niedrigere Gipfel mit Zwischenstufe(n). \(\Delta H\)-Pfeil für beide Wege gleich, beide \(E_A\)-Pfeile vom Edukt-Niveau aus.
Schwefeltrioxid im Kontaktofen
AFB II–IIISchwefelsäure ist die weltweit meistproduzierte Chemikalie. Zentraler Schritt ist die Oxidation von Schwefeldioxid im Kontaktofen bei 420–600 °C an Vanadium(V)-oxid auf einem porösen Träger: \(\ce{2 SO2 + O2 -> 2 SO3}\). Vereinfacht verläuft die Katalyse in zwei Schritten:
(1) \(\ce{V2O5 + SO2 -> V2O4 + SO3}\) (2) \(\ce{2 V2O4 + O2 -> 2 V2O5}\)
Bis etwa 1920 nutzte man Platin als Katalysator. Das Röstgas aus sulfidischen Erzen enthielt Arsenverbindungen; der Platin-Kontakt ließ danach rasch nach. Unterhalb von etwa 400 °C ist auch der \(\ce{V2O5}\)-Kontakt praktisch unwirksam.
| Stoff | SO₂(g) | O₂(g) | SO₃(g) |
|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) (kJ/mol) | −296,8 | 0 | −395,7 |
- Zeigen Sie, dass sich aus den Teilschritten die Gesamtgleichung ergibt und der Katalysator unverändert vorliegt.
- Berechnen Sie \(\Delta_r H^\circ\) der Gesamtreaktion.
- Zeichnen Sie ein beschriftetes Energiediagramm des Weges mit und ohne Katalysator.
- Beurteilen Sie den Wechsel von Platin zu Vanadium(V)-oxid und die Aussage „Mit Katalysator läuft die Reaktion bei jeder Temperatur rasch ab“.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(2\times\)(1): \(\ce{2 V2O5 + 2 SO2 -> 2 V2O4 + 2 SO3}\); plus (2): \(\ce{2 V2O4 + O2 -> 2 V2O5}\). Summe: \(\ce{2 SO2 + O2 -> 2 SO3}\); \(\ce{V2O5}\) und \(\ce{V2O4}\) kürzen sich heraus — \(\ce{V2O5}\) wird zurückgebildet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\Delta_r H^\circ = 2\cdot(-395{,}7) - 2\cdot(-296{,}8) - 0 = -197{,}8\,\text{kJ/mol}\) (exotherm).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Edukte \(\ce{2 SO2 + O2}\) und Produkte \(\ce{2 SO3}\) (197,8 kJ/mol tiefer) auf gemeinsamen Niveaus. Ohne Katalysator ein hoher Gipfel. Mit \(\ce{V2O5}\) zwei niedrigere Gipfel (Teilschritte 1 und 2), dazwischen die Zwischenstufe \(\ce{V2O4 + SO3}\)-Zustand als Tal. Pfeile: \(E_A\) ohne und mit Katalysator vom Edukt-Niveau zum jeweils höchsten Gipfel, \(\Delta H\) gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Arsenverbindungen sind Katalysatorgifte: Sie blockieren die aktiven Zentren des Platins dauerhaft. \(\ce{V2O5}\) ist unempfindlicher, billiger und lässt sich auf großen Oberflächen verteilen — der Wechsel ist technisch und wirtschaftlich sinnvoll. Die Aussage ist falsch: Der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie nur, beseitigt sie nicht. Auch der katalysierte Weg braucht Mindesttemperaturen (hier etwa 400 °C), damit genügend Teilchen die kleineren Hürden überwinden.