Ein Stoff, der mitmacht und am Ende unverändert herauskommt — wie kann das eine Reaktion beschleunigen?
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Stimmt's? — Fünferserie
AFB I
Geben Sie für jede Aussage an, ob sie stimmt.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Ein Katalysator ändert den Weg, nicht Start und Ziel: Die Aktivierungsenergie sinkt, die Reaktionsenthalpie bleibt.
Denken Sie an den Satz von Hess: Hängt ΔrH vom Weg ab?
Katalysatoren wirken in allen Aggregatzuständen.
A2
Homogen, heterogen oder biologisch?
AFB I
Ordnen Sie die Katalysatoren der passenden Art der Katalyse zu.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1homogene Katalyse
2heterogene Katalyse
3Biokatalyse (Enzym)
Homogen: Katalysator und Edukte in derselben Phase. Heterogen: meist ein Feststoff, an dessen Oberfläche Gase oder Flüssigkeiten reagieren. Enzyme sind Proteine, die in Lebewesen katalysieren.
Liegen Katalysator und Edukte in derselben Phase vor?
Metalle und Metalloxide wirken meist über ihre Oberfläche.
A3
Was ein Katalysator kann
AFB I
Nennen Sie alle zutreffenden Merkmale eines Katalysators.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Die drei falschen Aussagen widersprechen alle demselben Prinzip: Anfangs- und Endzustand bleiben gleich, also auch \(\Delta_r H\). Katalysatoren können sich allerdings durch Nebenreaktionen oder Katalysatorgifte mit der Zeit abnutzen.
Ein Katalysator verändert den Weg, nicht Start und Ziel.
Drei Aussagen treffen zu.
A4
Zwei Wege im Diagramm
AFB II
Bestimmen Sie aus dem Energiediagramm die gesuchten Größen (gestrichelt: mit Katalysator).
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Größe
Wert in kJ/mol
\(E_A\) ohne Katalysator
\(E_A\) des ersten Teilschritts
\(E_A\) des zweiten Teilschritts (ab Zwischenstufe)
\(\Delta_r H\) mit Katalysator
Ohne Katalysator muss eine Barriere von 180 kJ/mol überwunden werden, mit Katalysator zwei Barrieren von 70 und 60 kJ/mol. Die Zwischenstufe liegt bei +20, die zweite Barriere also bei \(80 - 20 = 60\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Start und Ziel sind gleich: \(\Delta_r H = -90\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) auf beiden Wegen.
Jede Barriere wird vom Niveau davor gemessen.
Der zweite Teilschritt beginnt bei der Zwischenstufe (+20).
A5
Katalyse an der Oberfläche
AFB II
Beschreiben Sie die Oxidation von Kohlenstoffmonooxid an einer Platinoberfläche, indem Sie die Schritte ordnen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1CO- und O₂-Moleküle lagern sich an die Platinoberfläche an (Adsorption)
2Die O=O-Bindung wird an der Oberfläche gelockert und gespalten
3Adsorbiertes CO reagiert mit einem O-Atom zu CO₂
4CO₂ löst sich von der Oberfläche (Desorption)
5Die freie Oberfläche steht für neue Teilchen bereit
Die Oberfläche übernimmt die Rolle des Reaktionspartners in den Zwischenschritten. Weil sie am Ende wieder frei ist, genügen kleine Mengen Edelmetall für sehr viele Umsätze — allerdings nur, solange keine Katalysatorgifte die Oberfläche blockieren.
Heterogene Katalyse beginnt mit der Anlagerung an die Oberfläche.
Am Ende muss der Katalysator wieder frei sein.
A6
Kohlenstoffmonooxid im Abgas
MixAFB II
Im Abgaskatalysator wird Kohlenstoffmonooxid oxidiert: \(\ce{2 CO(g) + O2(g) -> 2 CO2(g)}\) (\(\Delta_f H^\circ\): \(\ce{CO}\) −110,5; \(\ce{CO2}\) −393,5 kJ/mol; \(M(\ce{CO}) = 28{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)). Ermitteln Sie die Wärme, die bei der Umsetzung von 1,00 g CO frei wird.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
\(\Delta_r H^\circ\) der GleichungkJ/mol
Stoffmenge CO in 1,00 gmol
frei werdende Wärme (Betrag)kJ
\(\Delta_r H^\circ = 2(-393{,}5) - 2(-110{,}5) = -566{,}0\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) für 2 mol CO, also 283,0 kJ je mol CO: \(0{,}0357\cdot283{,}0 = 10{,}1\,\mathrm{kJ}\). Der Katalysator ändert diesen Wert nicht — er sorgt nur dafür, dass die Reaktion schon bei Abgastemperatur abläuft.
Produkte minus Edukte (1.2.3); \(\ce{O2}\) hat \(\Delta_f H^\circ = 0\).
Die Gleichung enthält 2 mol CO — teilen Sie \(\Delta_r H^\circ\) durch 2.
A7
Die Summengleichung
AFB II
Bei der Herstellung von Schwefeltrioxid wirkt Vanadium(V)-oxid über zwei Teilschritte: \(\ce{2 SO2 + 2 V2O5 -> 2 SO3 + 2 V2O4}\) und \(\ce{2 V2O4 + O2 -> 2 V2O5}\). Stellen Sie die Summengleichung auf.
Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
Beim Addieren kürzen sich \(\ce{V2O5}\) und \(\ce{V2O4}\) heraus: Der Katalysator wird im ersten Schritt verbraucht und im zweiten zurückgebildet. Deshalb taucht er in der Summengleichung nicht auf — höchstens über dem Reaktionspfeil.
Addieren Sie beide Teilgleichungen und kürzen Sie, was links und rechts steht.
Der Katalysator erscheint nicht in der Summengleichung.
A8
Trickaufgabe: Was ändert der Katalysator?
TrickAFB III
Für \(\ce{2 SO2(g) + O2(g) -> 2 SO3(g)}\) gilt ohne Katalysator \(\Delta_r H^\circ = -197{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Mit Vanadium(V)-oxid sinkt die Aktivierungsenergie deutlich. Begründen Sie, welchen Wert \(\Delta_r H^\circ\) mit Katalysator hat, und tragen Sie ihn ein.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
kJ/mol
\(\Delta_r H^\circ\) bleibt \(-197{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Edukte und Produkte sind dieselben, und die Enthalpie ist eine Zustandsgröße (Satz von Hess). Die Falle: den Betrag der gesenkten Aktivierungsenergie von \(\Delta_r H\) abziehen.
Ändern sich Anfangs- oder Endzustand?
Denken Sie an den Satz von Hess.
A9
Fehlersuche im Referat
AFB III
Sechs Sätze aus einem Referat über Katalysatoren — drei davon sind falsch. Überprüfen Sie die Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Der häufigste Denkfehler steckt in Zeile 4: „nicht verbraucht“ heißt nicht „nicht beteiligt“. Der Katalysator ist am Reaktionsgeschehen beteiligt, taucht aber in der Summengleichung nicht auf.
Unterscheiden Sie „wird nicht verbraucht“ und „nimmt nicht teil“.
Was bleibt beim Katalysieren gleich — was ändert sich?
A10
Eingriffe und ihre Wirkung
AFB III
Entscheiden Sie für jeden Eingriff bei einer exothermen Gasreaktion, welche Aussagen zutreffen (Vergleich jeweils mit dem Zustand davor).
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
Eingriff
\(E_A\) des genutzten Wegs sinkt
\(\Delta_r H\) ändert sich
Reaktion wird schneller
Ein geeigneter Katalysator wird zugesetzt.
Die Temperatur wird erhöht.
Der Katalysator wird feiner verteilt (größere Oberfläche).
Ein Katalysatorgift blockiert die Oberfläche des Katalysators.
Ein Enzym wird bei 80 °C eingesetzt und dabei zerstört.
Kein Eingriff verändert \(\Delta_r H\). Die Temperatur beschleunigt, ohne die Barriere zu senken. Eine größere Oberfläche bietet mehr Reaktionsplätze auf demselben Weg — \(E_A\) bleibt gleich. Gift und Denaturierung machen den katalysierten Weg (teilweise) unbrauchbar — die Reaktion wird langsamer.
Die mittlere Spalte bleibt komplett leer.
Mehr Oberfläche heißt: derselbe Weg, aber mehr Plätze.
