Der Abgaskatalysator
AFB I–IIDer geregelte Drei-Wege-Katalysator eines Benzinmotors besteht aus einem Keramikträger mit wabenförmigen Kanälen, die mit einer dünnen Schicht aus Platin, Palladium und Rhodium belegt sind. Er setzt drei Schadstoffe gleichzeitig um. Direkt nach einem Kaltstart arbeitet er kaum; erst ab etwa 300 °C erreicht er seine volle Wirkung.
| Stoff | \(\ce{CO(g)}\) | \(\ce{NO(g)}\) | \(\ce{CO2(g)}\) | \(\ce{N2(g)}\) |
|---|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | −110,5 | +91,3 | −393,5 | 0 |
- Nennen Sie die drei Schadstoffgruppen, die ein Drei-Wege-Katalysator umsetzt, und die jeweils entstehenden Produkte.
- Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für die Umsetzung von Kohlenstoffmonooxid mit Stickstoffmonooxid und für die vollständige Oxidation von unverbranntem Octan (\(\ce{C8H18}\)) auf.
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie für \(\ce{2 CO(g) + 2 NO(g) -> N2(g) + 2 CO2(g)}\).
- Erläutern Sie, warum der Katalysator direkt nach dem Kaltstart kaum wirkt, obwohl er die Aktivierungsenergie senkt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kohlenstoffmonooxid → Kohlenstoffdioxid; unverbrannte Kohlenwasserstoffe → Kohlenstoffdioxid und Wasser; Stickstoffoxide → Stickstoff.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{2 CO + 2 NO -> N2 + 2 CO2}\)
\(\ce{2 C8H18 + 25 O2 -> 16 CO2 + 18 H2O}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta_r H^\circ = 2(-393{,}5) - [2(-110{,}5) + 2(+91{,}3)] = -787{,}0 + 221{,}0 - 182{,}6 = -748{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Reaktion ist stark exotherm.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie, beseitigt sie aber nicht. Bei niedriger Temperatur besitzen nur sehr wenige Teilchen genügend Energie, um auch die kleinere Barriere zu überwinden, außerdem ist die Oberfläche noch mit adsorbierten Teilchen belegt. Erst wenn das Abgas den Katalysator aufgeheizt hat, erreicht ein großer Anteil der Teilchen die Aktivierungsenergie. (Deshalb verursachen Kurzstrecken einen großen Teil der Schadstoffe.)
Chlor und die Ozonschicht
AFB II–IIIIn der Stratosphäre entsteht Ozon und wird dort auch wieder abgebaut, z. B. durch \(\ce{O3 + O -> 2 O2}\). Chlor-Atome aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) beschleunigen den Abbau stark: (1) \(\ce{Cl + O3 -> ClO + O2}\) und (2) \(\ce{ClO + O -> Cl + O2}\). Die Aktivierungsenergie des unkatalysierten Abbaus beträgt etwa 17 kJ/mol, die der Schritte (1) und (2) etwa 2 bzw. 0 kJ/mol.
| Teilchen | \(\ce{O3(g)}\) | \(\ce{O(g)}\) | \(\ce{Cl(g)}\) | \(\ce{ClO(g)}\) | \(\ce{O2(g)}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | +142,7 | +249,2 | +121,3 | +101,8 | 0 |
- Zeigen Sie, dass Chlor-Atome in diesem Mechanismus als Katalysator wirken.
- Ermitteln Sie die Reaktionsenthalpien der Schritte (1) und (2) sowie des Gesamtvorgangs.
- Skizzieren Sie ein Energiediagramm, das den unkatalysierten und den katalysierten Ozonabbau vergleicht.
- Bewerten Sie das weltweite Verbot von FCKW (Montrealer Protokoll, 1987) unter Bezug auf die katalytische Wirkung der Chlor-Atome.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
(1) + (2): \(\ce{Cl + O3 + ClO + O -> ClO + O2 + Cl + O2}\); gekürzt: \(\ce{O3 + O -> 2 O2}\). Das Chlor-Atom wird in Schritt (1) verbraucht und in Schritt (2) zurückgebildet, taucht in der Summengleichung nicht auf und senkt die Aktivierungsenergie (17 → 2 bzw. 0 kJ/mol). Es erfüllt damit alle Merkmale eines (homogenen) Katalysators.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
(1): \(101{,}8 - (121{,}3 + 142{,}7) = -162{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
(2): \(121{,}3 - (101{,}8 + 249{,}2) = -229{,}7\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Gesamt: \(-162{,}2 + (-229{,}7) = -391{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); Kontrolle: \(0 - (142{,}7 + 249{,}2) = -391{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Achse „Energie“. Start: \(\ce{O3 + O}\), Ziel: \(\ce{2 O2}\), 391,9 kJ/mol tiefer. Unkatalysiert: eine Barriere von etwa 17 kJ/mol. Katalysiert: kleine Barriere (≈ 2 kJ/mol), Absinken auf die Zwischenstufe \(\ce{ClO + O2 + O}\) (−162,2 kJ/mol), zweite, praktisch verschwindende Barriere, dann Absinken auf das Endniveau. Beide Wege enden auf demselben Niveau.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Weil das Chlor-Atom nach jedem Zyklus zurückgebildet wird, kann ein einziges Atom Zehntausende Ozonmoleküle abbauen, bevor es in eine stabile Verbindung übergeht. Schon kleine FCKW-Mengen schädigen die Ozonschicht daher erheblich; ihre Wirkung hält wegen der langen Lebensdauer der FCKW jahrzehntelang an. Das Verbot war deshalb fachlich gut begründet und wirksam (die Ozonschicht erholt sich langsam). Kritisch: Die Erholung dauert Jahrzehnte, und Ersatzstoffe mussten selbst auf Klimawirkung geprüft werden. Insgesamt überwiegt die positive Bewertung.