Elemente und Moleküle, Maturatraining

37 Aufgabe 13 Der Abgaskatalysator Fragestellung: Begriffe wie Energie, Enthalpie und Entropie sind der Kern des Gebietes der Thermodynamik. Chemische Reaktionen laufen nach den Gesetzen dieser Thermodynamik ab. Der Zusammenhang der Reaktionen mit den obigen Größen kann mathematisch beschrieben werden. Der Abgaskatalysator in einem Kraftfahrzeug kann als Beispiel für diese Beschreibungen gut eingesetzt werden. Bücher: „Elemente“ – Seiten 50–54, 145 Wichtige Begriffe: Enthalpie, Entropie, Standardbildungsenthalpie, exergon – endergon, freie Reaktionsenthalpie, Gibbs-Helmholtz-Gleichung, Katalysator Fragen und Aufgaben: 1. Erklären Sie die Begriffe Reaktionsenthalpie und Reaktionsentropie und ihre Kombination zur freien Reaktionsenthalpie. Erläutern Sie in dem Zusammen- hang auch die Begriffe Standard-Bildungsenthalpie und Standardentropie. Was bedeuten die Begriffe exotherm und endotherm bzw. exergon und en- dergon. Welche Reaktionen können freiwillig ablaufen. Gibt es auch freiwillig ablaufende endotherme Reaktionen? 2. Im Abgaskatalysator für Ottomotoren reagieren die Schadstoffe Stickstoff- oxid NO und Kohlenstoffmonoxid CO zu den ungiftigen Stoffen Stickstoff und Kohlenstoffdioxid. Erstellen Sie eine Reaktionsgleichung für den Vorgang. Ermitteln Sie mit Hilfe der Tabellen für Standard Bildungsenthalpien und Standardentropien die Reaktionsenthalpie, die Reaktionsentropie und die freie Reaktionsenthalpie für die Reaktion. Als Reaktionsbedingungen am Kata- lysator werden vereinfacht Standardbedingungen angenommen. Verläuft die Reaktion unter diesen Umständen freiwillig? 3. Ist für die genannte Reaktion vom Standpunkt der Freiwilligkeit überhaupt ein Katalysator notwendig? Weshalb wird er eingesetzt? 4. Erklären Sie die Funktionsweise des Abgaskatalysators für Ottomotoren an- hand der nebenstehenden Abbildung. REP PRO TRA REF Lösungen der Fragen und Aufgaben: el: Elemente, mo: Moleküle, elmo: 1. el–S–50 bis 54 2. 2 NO + 2 CO N 2 + 2 CO 2 ΔH o = ΔH o B (N 2 ) + 2 . ΔH o B (CO 2 ) – (2 . ΔH o B (NO) + 2 . ΔH o B (CO)) = 0 + 2 . (–393,5) – (2 . 90,4 + 2 . (–110,5) = –746,8 kJ/mol(N 2 ) ΔS = S o (N 2 ) + 2 . S o (CO 2 ) – (2 . S o (NO) + 2 . S o (CO)) = 0,192 + 2 . (0,214) – (2 . 0,211 + 2 . (0,198) = –0,198 kJ/K.molN 2 ΔG o = ΔH o - T . ΔS = –746,8 – 298 . (–0,198) = –687,8 kJ/molN 2 Reaktion läuft freiwillig ab (exergon) 3. Eigentlich ist, vom Standpunkt der Freiwilligkeit, kein Katalysator nötig, aber die Reaktion ist bei den Temperaturen der Auspuffgase zu langsam, wird daher beim Kontakt mit dem Katalysator so beschleunigt, dass die Auspuffgase nach Durchgang durch den Katalysator fertig reagiert haben, und so CO und NO beseitigt sind. zum Auspuff vom Motor Lambda-Sonde Katalysator REP Info-Box Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv