Katalysatoren - Unterrichtsmaterialien Chemie

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Schulversuchspraktikum
Sommersemester 2012
Klassenstufen 7 & 8
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Katalysatoren
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2
Auf einen Blick:
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Diese Unterrichtseinheit für die Klassen 7 & 8 enthält 2 Schüler- und 2 Lehrerversuche
zum Thema Katalysator. Die Versuche zeigen die Wirkung eines Katalysators auf die
Aktivierungsenergie. Es handelt sich bei allen um heterogene Katalysen. Auf das besondere
Gefahrenpotential von Wasserstoffperoxid und Kaliumchlorat ist zu achten. Die
Schülerversuche
sind
einfach
gehalten,
so
dass
sie
zum
Sammeln
erster
Experimentiererfahrungen verwendet werden können.
Das Arbeitsblatt „Braunstein als Katalsator“ kann als Einführung in das Thema Katalysator
dienen.
Inhalt
1
Konzept und Ziele........................................................................................................................................3
2
Schülerexperimente....................................................................................................................................4
3
4
5
2.1
V1 – Zuckerverbrennung.............................................................................................4
2.2
V2 – Katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Braunstein..5
Lehrerversuche.............................................................................................................................................7
3.1
V3 – Das Döbereiner Feuerzeug................................................................................7
3.2
V4 – Zersetzung von Kaliumchlorat........................................................................8
Arbeitsblatt – Farben mischen...............................................................................................................9
4.1
Erwartungshorizont (Kerncurriculum).................................................................10
4.2
Erwartungshorizont (Inhaltlich)..............................................................................10
Literaturverzeichnis....................................................................................................................................15
3
4
1 Konzept und Ziele
Das Thema Katalysator bietet im Chemieunterricht (CU) der Klassenstufen 7 und 8 eine große
Möglichkeit, Schüler und Schülerinnen (SuS) zu motivieren. Es gibt zahlreiche beeindruckende
Versuche mit Beteiligung eines Katalysators, die auch für SuS geeignet sind. SuS bieten sich
damit viele Gelegenheiten, ihre ersten experimentellen Kompetzen in Schülerversuchen zu
verbessern.
Im Kernkurriculums (KC) ist das Thema dem Basiskonzept „Energie“ zugeordnet. Der
Katalysatorbegriff wird erstmals für die Klassenstufe 7 und 8 genannt und in Klassenstufe 9
und 10 wieder aufgegriffen und erweitert. Das Lernziel für die SuS ist zunächst darauf
beschränkt, die Wirkung eines Katalysators auf die Aktivierungsenergie zu beschreiben. Ein
Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und leitet eine chemische Reaktion ein, beschleunigt
oder lenkt diese ohne sich dabei aufzubrauchen. Im Alltag ist die Vorstellung zu Katalysatoren
stark an biokatalysierte Prozesse, wie der Wirkung von Enzymen, orientiert. Dieser eher
biochemische Teil der Katalyse ist erst als Teil des Unterrichts der Klassenstufe 9 und 10
gedacht. Ebenso kann der Einsatz von Katalysatoren im Kraftfahrzeugbereich bekannt sein, bei
welchen Schadstoffe katalytisch reduziert werden. Anknüpfend können Umweltaspekte, wie
zum Klimaschutz, thematisiert werden. Im CU ist zunächst die anorganische Katalyse relevant.
Diese kann unter anderem mit Bezug zu großtechnischen Verfahren, wie zum Beispiel dem
Haber-Bosch-Verfahren,
der
katalytischen
Reduzierung
von
Schadstoffen
oder
der
Funktionsweise der Brennstoffzelle eingebracht werden. Meist kommen Versuche mit festem
Katalysator und Substrat in Gas- oder Flüssigphase (heterogene Katalyse) zum Einsatz.
Aus vorausgegangenen Chemiestunden sollten die SuS Vorwissen zum Energiebegriff, spezielle
der Aktivierungsenergie, sowie zu einer einfachen Form der Redoxreaktion mitbringen.
5
2 Schülerexperimente
2.1 V 1 – Zuckerverbrennung
Dieser Versuch ist schnell und einfach durchzuführen und relativ ungefährlich für die SuS.
Entstehendes Karamell ist den SuS möglicherweise bereits aus dem Alltag bekannt. Das
Entzünden der Zuckerwürfel kann als „Wettstreit“ durchgeführt werden. Die Lehrkraft sollte
bei der Deutung darauf achten, dass es nicht zur Fehlvorstellung kommt, Zucker und Asche
würden miteinander reagieren.
Gefahrenstoffe
keine
Voraussetzungen: Die SuS sollten Grundkenntnisse zu Energiebegriff, Aktivierungsenergie
und Redoxreaktionen besitzen.
Materialien:
Dreifuß
mit
Keramiknetz
oder
feuerfeste
(Saccharose),
Pflanzenasche
Unterlage
(Keksdose),
Streichhölzer
Chemikalien:
Würfelzucker
(aus
dem
Ofen
oder
Zigarettenasche)
Durchführung:
Zwei Stück Würfelzucker werden mittels eines Streichholzes je auf einer
Ecke des Drahtnetzes zum Brennen gebracht. Eines von beiden wird zuvor
mit Pflanzenasche eingerieben.
Beobachtung:
Während der 1. Zuckerwürfel nur schmilzt, brennt der präparierte
Zuckerwürfel in heller Flamme.
Abbildung 1 - Schmelzender Zucker (links) und brennender mit Asche präpaierter Zucker (rechts).
6
Deutung:
C12H20O12 + O2 (s) → 12 CO2 (g) + 10 H2O (g)
Im ersten Fall ist die Reaktion scheinbar unmöglich. Der Rohrzucker
schmilzt lediglich zu Karamell. In Gegenwart von Holzasche (als Katalysator)
gelingt jedoch das Entzünden und der Zucker reagiert exotherm zu
Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Entsorgung:
Zuckerkaramell und Aschereste können im Hausmüll entsorgt werden.
Literatur:
( Internet: Blume 1)
Die Reaktion wird durch das in Pflanzenaschen enthaltene Kaliumcarbonat beziehungsweise Kaliumoxid katalysiert.
2.2 V 2 – Katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Braunstein
Dieser Versuch zeigt noch einmal die Wirkung der Katalyse. Das Gefahrenpotential der
beteiligten Chemikalien sollten den SuS vor Versuchsdurchführung bekannt gemacht
werden. Da die Reaktion sehr heftig abläuft, ist es für den Einsatz als Schülerversuch
empfehlenswert, nur Braunsteintabletten zu verwenden. Diese bestehen zu einem Großteil
aus Kalk und enthalten nur wenig Braunstein.
Gefahrenstoffe
Wasserstoffperoxidlösung
H: 302-318
P: 102-280305+351+338301+312-501
Braunstein
(Mangandioxid)
H: 272-302-332
P: 221
Voraussetzungen:
Den SuS sollte Sauerstoff als Bestandteil der Luft bekannt sein.
(zusätzlich siehe V1)
Materialien:
2 Bechergläser (50 ml), Pinzette
7
Chemikalien:
Durchführung:
Wasserstoffperoxid (5%), Braunsteintablette
In die Bechergläser werden jeweils 15 ml des Wasserstoffperoxid gegeben.
Eine Braunsteintablette wird mit der Pinzette in die Flüssigkeit eines der
Bechergläser gehalten.
Beobachtung:
Eine heftige Gasentwicklung ist an der eingetauchten Tablette
zu
beobachten.
Deutung:
2 H2O2 (l) → O2 (g) + 2 H2O (l)
Mit Braunstein als Katalysator kann Wasserstoffperoxid zu Sauerstoff und
Wasser zersetzt werden.
Entsorgung:
Wasserstoffperoxid wird mit viel Wasser im Abfluss entsorgt. Die
Braunsteintabletten können wiederverwendet werden.
Zur katalytischen Zersetzung von Wasserstoffperoxid gibt es viele Alternativen: zum Beispiel
auch mit Eisen(III)-chlorid.
Abbildung 2 – Katalysierte (links) und nicht katalysierte Reaktion (rechts) mit reinem Braunstein.
8
3 Lehrerversuche
3.1 V3 – Das Döbereiner Feuerzeug
Dieser Versuch ist ein Modellversuch zum historischen Platinfeuerzeug, welches von Johann
Wolfgang Döbereiner 1823 entwickelt wurde. Feuerzeuge dieser Art wurden noch bis etwa
1880 verkauft und nutzen eine durch Platin katalysierte Knallgasreaktion aus.
Gefahrenstoffe
P: 280-301+330305+351+338
H: 314-335-290
Salzsäure
Vorraussetzungen: Die SuS sollten die Knallgasprobe als Nachweis für Wasserstoffgas kennen.
(zusätzlich siehe V1)
Materialien:
Reagenzglas, durchbohrter Stopfen mit ausgezogenem Glasrohr mit
Kupferlitze, Spatel, Pinzette/Tiegelzange, Brenner
Chemikalien:
Zink- oder Aluminiumgranalien, salzsaure Lösung (5 M), Platinquarzwolle
Durchführung:
Der Platinquarzwolle wird ausgeglüht. In das Reagenzglas werden zu
Zinkgranalien 5 ml Salzsäure gegeben. Das entstehende Gas wird mit einer
Knallgasprobe untersucht. Die Platinquarzwolle wird mit der Pinzette dicht
an die Glasspitze in den Gasstrom gehalten.
Beobachtung:
Die Knallgasprobe ist positiv. Der Katalysator glüht im Gasstrom auf und
eine Flamme entzündet sich an der ausgezogenen Glasspitze.
Deutung:
2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l)
Durch Platin wird die Reaktion des entstehenden Wasserstoffgases mit
Luftsauerstoff ermöglicht. Wasserstoff verbrennt in einer kleinen Flamme
an
der
Glasspitze,
ohne,
dass
ein
Zündfunke
nötig
ist.
Die
Aktivierungsenergie wäre für einen spontanen Ablauf der Reaktion zu hoch.
Entsorgung:
Die Entsorgung erfolgt im Säure-Base-Behälter.
Literatur:
(Internet: Blume 2)
9
Abbildung 3 – Brennende Falmme an der Glasspitze.
Auf Grund der Knallgasgefahr kann alternativ auch Wasserstoff aus der Gasflasche entnommen
werden und auf das Platin geleitet werden. Der Versuch verliert so allerdings viel von seiner
Modellhaftigkeit für das historische Feuerzeug.
3.2 V4 – Zersetzung von Kaliumchlorat
Die katalytische Zersetzung von Kaliumchlorat mit Braunstein ist ein uralter Versuch, mit
welchem früher im Schullabor Sauerstoff hergestellt wurde. Auf Grund des großen
Gefahrenpotentials von Kaliumchlorat sollte der Schuleinsatz heutzutage gut überlegt sein.
Gefahrenstoffe
keine
Kaliumchlorat
Braunstein
(Mangandioxid)
H: 271-332-302-411
P: 201-273
H: 272-302-332
P: 221
Voraussetzungen: Die SuS sollten die Glimmspanprobe als Sauerstoffnachweis kennen.
(zusätzlich siehe V2)
Materialien:
2 Reagenzgläser, Spatel, Reagenzglasklammer, Reagenzglasständer, Brenner,
Glimmspan
Chemikalien:
Kaliumchlorat, Braunstein
10
Durchführung:
Ein Reagenzglas wird zu einem Viertel mit Kaliumchlorat gefüllt, dem
anderen wird zusätzlich die halbe Menge an Braunstein zugegeben. Die
Reagenzgläser werden nacheinander über dem Brenner erhitzt. Es wird
jeweils eine Glimmspanprobe durchgeführt.
Beobachtung:
Die Glimmspanprobe ist im ersten Reagenzglas erst relativ spät positiv,
wenn die Schmelze des Kaliumchlorat richtig siedet. Im zweiten
Reagenzglas ist kein Schmelzvorgang zu beobachten und die Mischung
bleibt schwarz. Die Glimmspanprobe ist jedoch bereits nach schwachem
Erwärmen positiv und intensiver als im ersten Fall.
Deutung:
2 KClO3 (s) → 2 KCl (s) + 3 O2 (g)
Durch Braunstein als Katalysator wird die Aktivierungsenergie der
Reaktion und damit auch die Zersetzungstemperatur herabgesetzt.
Entsorgung:
Die Reste des Kaliumchlorats werden in Wasser gelöst, mit Salzsäure
angesäuert und mit Eisen- oder Zinkpulver zu Kaliumchlorid reduziert. Die
Neutralisierte Lösung wird im schwermetallhaltigen Abfall entsorgt.
Literatur:
(Internet: Blume 3)
Abbildung 4 – Erfolgreiche Glimmspanprobe mit Katalysator Braunstein.
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4 Arbeitsblatt – Farben mischen
Das folgende Arbeitsblatt behandelt das Thema Katalysator Braunstein (V2) und kann als
Einstieg in das Thema Katalyse dienen. Zu dem Arbeitsblatt gehören ein Informationstext und
ein Informationsblatt (Steckbrief) zum Gefahrstoff Wasserstoffperoxid. Die SuS sollen
am
Beispiel Braunstein die Eigenschaften eines Katalysators und seine Wirkung auf die
Aktivierungsenergie
kennenlernen.
Nach
Möglichkeit
sollten
Energiebegriff,
Aktivierungsenergie und einfache Redoxreaktion schon eingeführt worden sein. Das
Durchführen von Experimenten wird geübt, damit später auch Experimente von den SuS selbst
geplant werden können. Der Text gibt einige Hintergrundinformationen zur Historie der
Katalyse und ihrem Wegbereiter, dem Chemiker von Berzelius.
4.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum)
Fachwissen:
Die SuS beschreiben die Wirkung eines Katalysators auf die
Aktivierungsenegie. (Aufgabe 3)
Erkenntnisgewinnung: Die
SuS
planen
selbstständig
Experimente
und
wenden
Nachweisreaktionen an. (Durchführung)
Kommunikation:
Die SuS nutzen verschieden Informationsquellen. (Informationstext,
Versuch)
Die SuS erklären chemische Sachverhalte unter Anwendung der
Fachsprache. (Aufgabe 3)
Die SuS protokollieren den Verlauf und die Ergebnisse von
Untersuchungen in angemessener Form (Text, Tabelle). (Versuch)
Die SuS benutzen Atomsymbole. (Aufgabe 3)
Die SuS benutzen die chemische Symbolsprache. (Aufgabe 3)
Die SuS argumentieren fachlich korrekt und folgerichtig über ihre
Versuche. (Aufgabe 3)
Die
SuS
kommunizieren
fachsprachlich
energetischer Begriffe. (Aufgabe 3)
unter
Anwendung
12
4.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich)
Aufgabe 1 – Eine heftige Gasentwicklung ist an der eingetauchten Tablette zu beobachten.
Aufgabe 2 – Die Braunsteintablette geht unverändert aus dem Versuch hervor.
Aufgabe 3 – Braunstein katalysiert die Zersetzungsreaktion von Wasserstoffperoxid zu
Sauerstoff und Wasser indem er die Aktivierungsenergie herabsetzt.
2 H2O2 (l) → O2 (g) + 2 H2O (l)
Literatur: (Arbeitsgruppe Chemiedidaktik, 2011) (Internet: Jena 1, Jena 2)
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Braunstein als Katalysator
Arbeitsaufgaben:
- Im folgenden Versuch arbeitest du mit Braunstein (MnO2) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Lies den
Steckbrief über Wasserstoffperoxid durch, um die Eigenschaften dieser Verbindung näher
kennen
zu lernen.
- Untersuche die Reaktion des Katalysators Braunstein mit Wasserstoffperoxid. Führe dazu den
Versuch durch.
- Lies anschließend den kurzen Text zur Erklärung der Katalyse und beantworte die Fragen auf
dem Arbeitszettel.
Versuch: Braunstein als Katalysator
Untersuche, was geschieht, wenn du den Katalysator Braunstein zu Wasserstoffperoxid gibst.
Sicherheitshinweis: Wasserstoffperoxid reizt die Augen. Die Schutzbrille ist daher unbedingt zu
tragen.
Geräte/Chemikalien: 2 Bechergläser
Pinzette
Wasserstoffperoxid (5%)
Braunsteintablette1
Durchführung:
- Fülle je 15 ml Wasserstoffperoxid in die beiden Bechergläser. Gib anschließend eine
Braunsteintablette mit der Pinzette in das 1. Becherglas. Warte eine Minute lang und
beobachte die Reaktion.
- Nimm mit einer Pinzette die Braunsteintablette wieder heraus, spüle sie unter dem
Wasserhahn ab und untersuche, ob sie sich durch die Reaktion verändert hat.
- Tauche die selbe Braunsteintablette in das zweite Becherglas und untersuche, was geschieht.
Achte bei den Versuchen besonders darauf, ob eine Veränderung an der Braunsteintablette zu
erkennen ist.
1
Braunsteintablette: 25% MnO2 + 75% Gips in Tablettenform gegossen, Braunstein wird als
Gesundheitsgefährdend eingestuft. In Form der Gips-Tabletten geht davon jedoch keine Gefahr aus.
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Auswertung des Versuchs: Braunstein als Katalysator
Aufgabe 1: Notiere deine Beobachtungen.
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Aufgabe 2: Beschreibe den Zustand der Brausetablette nach dem Versuch .
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Aufgabe 3: Erläutere die Wirkung des Katalysators Braunstein.
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5 Informationsblatt: Katalyse
Die Forschung auf dem Gebiet der Katalyse begann vor etwa 200 Jahren. Wichtige
Erkenntnisse gehen auf den Schweden Jöns Jakob Berzelius zurück. Er fand heraus, dass
bestimmte Stoffe – die Katalysatoren – Reaktionen beschleunigen, die ihne sie nur sehr
langsam ablaufen würden.
Er stellte fest, dass Katalysatoren vor und nach der Reaktion in ihrer ursprünglichen
Form vorliegen und bei der Reaktion nicht verbraucht werden. Deshalb reichen meist
schon sehr kleine Mengen aus, um die gewünschten Reaktionen zu beschleunigen.
1836 schrieb Berzelius über Katalysatoren: „Die katalytische Kraft scheint darin zu
bestehen, dass Körper durch ihre bloße Gegenwart, die bei dieser Temperatur
schlummernden Reaktionseigenschaften zu erwecken vermögen.“[1]
Berzelius gab der Katalyse ihren Namen – nach dem griechischen Wort für Auslösung
oder Loslösung.
Jöns Jakob Freiherr von Berzelius lebte von 1779
bis 1848 in Schweden. Er verlor bereits im Alter von
vier Jahren seinen Vater und soll als Mensch sehr
temperamentvoll und leicht reizbar gewesen sein.
Er studierte zunächst Medizin, wo er seine
Abschlussarbeit über die „Effekte von Elektrizität auf
Patienten“ anfertigte – eine Arbeit, die keinen
praktischen Nutzen fand.
Seine ersten Erfahrungen mit Chemie sammelte er durch die Analyse von
Mineralwässern. Diese Untersuchungen führte er in einer unbezahlten Stelle am Kolleg
für Medizin in Stockholm durch.
1810 bekam er schließlich eine feste Stelle an der Universität von Stockholm. Dort
erlangte er Meisterschaft in allen damaligen chemischen Disziplinen. Er führte die heute
gebräuchliche Formelschreibweise für die Elemente ein: z.B. für Wasserstoff (nach dem
lateinischen „hydrogenium“). Neben seinen Untersuchungen zur Katalyse, entdeckte er
die Elemente Cer, Selen und Thorium.
Text und Bild [1] ,[2]
16
Steckbrief Wasserstoffperoxid
Summenformel:
H2O2
Strukturformel:
Eigenschaften:
Wasserstoffperoxid ist eine farblose Flüssigkeit.
Wasserstoffperoxid zersetzt sich bei Raumtemperatur langsam zu Wasser
und Sauerstoff.
2 H2O2 → 2 H2O + O2 (langsame Reaktion)
Deshalb sollte es kühl und in dunklen Flaschen gelagert werden.
Konzentrierte Lösungen zersetzen sich beim Erhitzen rasch, eventuell
auch explosionsartig.
Verwendung:
Im Handel sind 3%- und 30%-ige Lösungen erhältlich. Wasserstoffperoxid
wird auf Grund seiner Oxidationswirkung als Reingungs-, Desinfektionsoder Bleichmittel verwendet. Man setzt es zum Beispiel zum Bleichen von
Haaren ein. Im Alltag bezeichnet man häufig sehr hell blondiertes Haar als
„wasserstoffblond“ und bezieht sich dabei auf das verwendete
Bleichmittel Wasserstoffperoxid.
Sicherheitshinweise: Im Versuch wird mit 5%-igen Lösungen gearbeitet. Bei Spritzern in die
Augen führt das Wasserstoffperoxid zu einer starken Reizung und Rötung,
deshalb ist unbedingt mit einer Schutzbrille zu arbeiten. Beim Umgang
mit Wasserstoffperoxid ist Vorsicht geboten, da es bei Benetzung auch
Schleimhäute und Wunden reizt.
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6 Literaturverzeichnis
Blume 1 (http://www.chemieunterricht.de/dc2/katalyse/vkat-005.htm)
(abgerufen am 02.10.2012)
Blume 2 (http://www.chemieunterricht.de/dc2/katalyse/vkat-002.htm)
(abgerufen am 02.10.2012)
Blume 3 (http://www.chemieunterricht.de/dc2/katalyse/vkat-054.htm)
(abgerufen am 02.10.2012)
Jena 1 (http://www.net-lexikon.de/Joens-Jakob-Berzelius.html )
(abgerufen am 02.10.2012)
Jena 2 (http://scienceworld.wolfram.com/biography/Berzelius.html)
(abgerufen am 02.10.2012)
Arbeitsgruppe Chemiedidaktik (2011) Lernwerkstatt Schülerlabor Chemie – Lernzirkel
zum Thema Katalyse. Friedrich-SChiller-Universität Jena