Big Bang HTL 2, Schulbuch

74 Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) Der Autokatalysator: Manchmal geht es nicht um Gewinn, sondern um Umwelt- verträglichkeit. Der Autokatalysator wurde vorgeschrieben, um das Ausblasen von gesundheitsschädlichen Abgasen zu verhindern. Er filtert nicht, sondern wandelt gefährliche Ab- gase in verschiedenen chemischen Reaktionen in (zumin- dest unmittelbar) unbedenkliche um. ( F25 ) Wenn Benzin verbrennt, entsteht in erster Linie CO 2 und H 2 O. Also kein Grund zur Beunruhigung. Allerdings laufen auch immer Nebenreaktionen ab: –– Ein Teil des Benzins wird unvollständig verbrannt und es entsteht CO (Kohlenmonoxid) ® ein sehr giftiges Gas, welches die Sauerstoffrezeptoren im Hämoglobin von uns Menschen blockiert, es wirkt also als Atemgift. –– Ein kleiner Teil des Benzins wird gar nicht verbrannt und gelangt in die Luft ® viele Bestandteile (wie z. B. der Koh- lenwasserstoff Benzen) sind hoch krebserregend. –– Bei hohen Verbrennungstemperaturen wie sie im Motor herrschen, reagiert auch ein Teil des Sauerstoffs in der Luft mit dem Stickstoff in der Luft und es entstehen Stick- oxide NO und NO 2 (kurz NO x ) ® diese wirken atemreizend und begünstigen die Entstehung des giftigen, boden- nahen Ozons. V 5.6 Katalysatorwirkung beim Zerfall von H 2 O 2 Hintergrund: H 2 O 2 ist ein Stoff, der nach längerem Stehenlassen in Was- ser und Sauerstoff zerfällt. Mit verschiedenen Katalysatoren kann man diesen Zerfall beschleunigen. Der entstehende Sauerstoff wird mittels Glimmspanprobe nachgewiesen. Geräte und Chemikalien: Wasserstoffperoxid H 2 O 2 (etwa 5%ig) , MnO 2 Braunstein , Stk. Kartoffel, KMnO 4 -Lösung verdünnt , Proberöhren, Spatel, ev. Pipette. Holzspan, Feuerzeug Durchführung: Gib in 3 Proberöhren etwa 5 cm hoch von der Wasserstoff- peroxidlösung. Gib in die erste Proberöhre eine kleine Menge (etwa Sesamkorngroß!) MnO 2 . Zünde einen Holz- span an, lösche die Flamme wieder und halte den glimmen- den Span in das aufsteigende Gas. Nicht den Rand des Glases berühren! Aufleuchten zeigt Sauerstoff an. Wiederhole den Versuch mit einem Stück roher Kartoffel und mit einer Kaliumpermanganat-Lösung. (ev. benötigt die Reaktion etwas Zeit, deutliche Gasentwicklung abwarten!) Aufgabe: Lies dir noch einmal die Eigenschaften eines Katalysators durch. Wo in deinem Experiment findet eine echte Katalyse statt, wo hingegen auch eine zusätzliche chemische Re- aktion? L e Zum Glück hat man Katalysatorstoffe gefunden, die alle 3 Problemstoffe beseitigen, indem sie sie in andere, ungiftige Stoffe umwandeln: Es handelt sich um die edlen Metalle Platin, Palladium und Rhodium. Diese sitzen als dünne Schicht auf einem Trägermaterial aus Keramik. Dieses Trä- germaterial ist aus vielen kleinen Röhren aufgebaut. Durch diese kleinen Röhren mit katalytischer Schicht wird sicher- gestellt, dass alle schädlichen Abgasmoleküle irgendwo einen Katalysatorstoff berühren! (Prinzip der Oberflächen- vergrößerung!) Im sogenannten geregelten 3-Wege-Katalysator laufen fol- gende chemische Reaktionen ab: 2 CO + O 2 ® 2 CO 2 2 C 8 H 18 + 25 O 2 ® 16 CO 2 + 18 H 2 O 2 NO + 2 CO ® 2 CO 2 + N 2 Ein Autoabgaskatalysator ist also kein Filter, sondern ein echter Reaktions-in-Gang-Setzer! Aus den giftigen Stoffen CO, NO und Kohlenwasserstoffen (C x H Y unverbrannter Treibstoff) entstehen die ungiftigen Stoffe CO 2 , N 2 und H 2 O. Diese Stoffe sind zwar ungiftig, aber trotzdem problema- tisch. CO 2 und H 2 O (als Wasserdampf) tragen wesentlich zur Erderwärmung bei. Katalysatoren können also nicht alle Probleme lösen! ( F26 ) Und es gibt noch ein paar Nachteile : Der Katalysator funktioniert erst richtig bei 400–500 °C. Das erreicht man erst nach etwa 5 Minuten Autofahrt. Deswe- gen sind Kurzfahrten auch so umweltschädlich, weil eben der Katalysator noch nicht wirkt. Außerdem bewirkt er eine geringere Motorleistung und einen höheren Kraftstoffverbrauch, daher waren Katalysa- toren am Anfang ihrer Einführung sehr umstritten. Die Pt-Rh Schicht ist auch sehr empfindlich gegenüber be- stimmten Stoffen, sog. Katalysatorgiften, wie z. B. Blei, deswegen muss seit 1985 jeglicher Kraftstoff in Österreich bleifrei sein. Damit der Autokatalysator perfekt funktioniert, muss ein optimales – genau eingestelltes – Luft-Kraftstoff-Verhältnis herrschen. Diese optimale Luftzufuhr für die Verbrennung wird durch die Lambda-Sonde ermittelt. Über die Lambda- Regelung wird dann die Luft- oder Kraftstoffmenge so ver- ändert, dass der Sollwert erreicht wird. Abb. 5.11: Aufbau des Autokatalysators Nur zu Prüfzwecken – Eigentum de Verlags öbv