Aktivierungsenergie und Katalysator

Einstieg: Warum brennt das Streichholz nicht in der Schachtel?

Ein Streichholz enthält Stoffe, die heftig mit Sauerstoff reagieren. Trotzdem liegt es monatelang in der Schachtel an der Luft und brennt nicht. Erst wenn du es an der Reibfläche anreißt, flammt es auf. Danach brennt es von allein weiter. Offenbar braucht die Reaktion einen Anstoß.

Erklärung: Aktivierungsenergie

Auch exotherme Reaktionen starten meist nicht von selbst. Man muss am Anfang Energie zuführen, damit die Reaktion in Gang kommt. Diese Startenergie heißt Aktivierungsenergie.

Im Energiediagramm ist sie der Berg zwischen Ausgangsstoffen und Produkten. Erst wenn die Teilchen genug Energie haben, um über den Berg zu kommen, reagieren sie. Bei einer exothermen Reaktion wird danach mehr Energie frei, als zum Anstoßen nötig war. Deshalb kann die Reaktion sich selbst weiter unterhalten, wie beim Streichholz, bei der Kerze oder beim Eisen-Schwefel-Gemisch.

Die Aktivierungsenergie kann auf verschiedene Weise zugeführt werden:

• als Wärme (Brennerflamme, Streichholz, Reibung),
• als elektrische Energie (Funke einer Zündkerze),
• als Licht (ein Gemisch aus Chlor und Wasserstoff bleibt im Dunkeln ruhig und reagiert bei hellem Licht explosionsartig: Chlorknallgas).

Je größer die Aktivierungsenergie, desto schwerer lässt sich eine Reaktion starten. Holz muss stark erhitzt werden, bevor es brennt. Ein dicker Holzscheit fängt mit einem Streichholz trotzdem kaum Feuer, dünne Späne dagegen schon. Das liegt nicht an einer anderen Aktivierungsenergie, sondern am Zerteilungsgrad: Späne haben eine große Oberfläche und erhitzen sich schnell, der dicke Scheit leitet die Wärme ins Innere ab.

Katalysatoren

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herabsetzt. Er ermöglicht einen anderen Reaktionsweg mit einem niedrigeren Berg. Der Katalysator liegt nach der Reaktion unverändert vor und kann wieder verwendet werden. Er verändert nicht, wie viel Energie insgesamt frei wird oder aufgenommen wird, und er verändert nicht, welche Produkte entstehen.

Katalysatoren sind überall:

• Im Auto wandelt ein Katalysator giftige Abgase wie Kohlenstoffmonooxid in weniger schädliche Stoffe um.
• In der Industrie laufen die meisten Herstellungsverfahren mit Katalysatoren. So spart man Energie, weil weniger stark geheizt werden muss.
• In deinem Körper wirken Enzyme als Biokatalysatoren, zum Beispiel bei der Verdauung. Sie ermöglichen Reaktionen bei 37 °C, die sonst nur bei viel höheren Temperaturen ablaufen würden.

Versuch: Wasserstoffperoxid und Kartoffel

Material: Wasserstoffperoxid-Lösung (3 %, aus der Apotheke), drei Reagenzgläser, rohe Kartoffelscheibe, gekochte Kartoffelscheibe, Holzspan, Schutzbrille.

Durchführung: Fülle in jedes Reagenzglas etwa 3 cm hoch Wasserstoffperoxid-Lösung. Glas 1 bleibt so. In Glas 2 gibst du ein kleines Stück rohe Kartoffel, in Glas 3 ein Stück gekochte Kartoffel. Halte nach einer Minute einen glimmenden Holzspan in die Öffnung der Gläser.

Beobachtung: In Glas 1 passiert kaum etwas. In Glas 2 schäumt es stark, der glimmende Span leuchtet hell auf. In Glas 3 ist kaum Schaum zu sehen.

Auswertung: Wasserstoffperoxid zerfällt in Wasser und Sauerstoff. Der Sauerstoff wird mit der Glimmspanprobe nachgewiesen. Ohne Hilfe läuft der Zerfall bei Raumtemperatur sehr langsam. Die rohe Kartoffel enthält das Enzym Katalase, das als Katalysator wirkt. Beim Kochen wird das Enzym zerstört, deshalb wirkt die gekochte Kartoffel nicht.

$\text{Wasserstoffperoxid} \longrightarrow \text{Wasser} + \text{Sauerstoff}$

Sicherheit: Schutzbrille. Nur die 3-prozentige Lösung verwenden, höher konzentrierte Lösungen sind ätzend. Reagenzglasöffnung nicht auf Personen richten.

Beispiele

Beispiel 1: Das Diagramm lesen

In der Abbildung oben starten beide Kurven bei denselben Ausgangsstoffen und enden bei denselben Produkten. Die frei werdende Energie ist also gleich groß. Nur der Berg ist mit Katalysator niedriger. Deshalb reagieren bei derselben Temperatur viel mehr Teilchen, und die Reaktion läuft schneller.

Beispiel 2: Ist der Katalysator verbraucht?

Gießt man nach dem Versuch die Flüssigkeit aus Glas 2 ab und gibt neue Wasserstoffperoxid-Lösung auf dasselbe Kartoffelstück, schäumt es erneut. Das Kartoffelstück wurde also nicht verbraucht. Das passt zur Definition: Ein Katalysator liegt nach der Reaktion unverändert vor.

Merksatz

Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die man zuführen muss, um eine Reaktion zu starten. Ein Katalysator setzt die Aktivierungsenergie herab und beschleunigt so die Reaktion. Er wird dabei nicht verbraucht und verändert weder die Produkte noch die insgesamt umgesetzte Energie. Enzyme sind Katalysatoren in Lebewesen.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre den Begriff Aktivierungsenergie am Beispiel einer Kerze.
2. Nenne drei Eigenschaften eines Katalysators.
3. Beschreibe die Glimmspanprobe und nenne das Gas, das sie nachweist.

Weiter

4. Erkläre, warum ein Streichholz in der Schachtel nicht von selbst brennt, obwohl die Reaktion exotherm ist.
5. Zeichne das Energiediagramm einer exothermen Reaktion mit und ohne Katalysator in ein gemeinsames Diagramm.
6. Begründe, warum die gekochte Kartoffel den Zerfall von Wasserstoffperoxid kaum beschleunigt.

Knobeln

7. Lea sagt: „Mit einem Katalysator wird bei der Verbrennung mehr Wärme frei.“ Nimm Stellung.
8. Plane einen Versuch, mit dem du zeigst, dass Hefe den Zerfall von Wasserstoffperoxid ebenfalls beschleunigt. Gib einen Kontrollversuch an.

Lösungen

1. Der Docht muss mit einem Streichholz angezündet werden. Diese Energie bringt die Reaktion von Wachs und Sauerstoff in Gang. Danach liefert die Verbrennung selbst genug Wärme, um weiteres Wachs zu schmelzen, zu verdampfen und zu entzünden.
2. Er setzt die Aktivierungsenergie herab, beschleunigt die Reaktion und liegt nach der Reaktion unverändert vor.
3. Ein Holzspan wird angezündet und wieder ausgeblasen, bis er nur noch glimmt. Hält man ihn in ein Gefäß mit Sauerstoff, leuchtet er hell auf oder entflammt. Nachgewiesen wird Sauerstoff.
4. Die Reaktion braucht eine Aktivierungsenergie. Bei Raumtemperatur reicht die Energie der Teilchen nicht aus, um den Berg zu überwinden. Erst die Reibungswärme liefert sie.
5. Beide Kurven beginnen auf derselben Höhe und enden auf derselben, niedrigeren Höhe. Die Kurve mit Katalysator hat einen niedrigeren Berg.
6. Das Enzym Katalase ist ein Eiweißstoff. Beim Kochen wird es dauerhaft verändert und verliert seine Wirkung als Katalysator.
7. Die Aussage ist falsch. Ein Katalysator verändert die Energie von Ausgangsstoffen und Produkten nicht, also auch nicht die frei werdende Energie. Er senkt nur die Aktivierungsenergie, die Reaktion läuft dadurch schneller oder bei niedrigerer Temperatur.
8. Zwei Reagenzgläser mit gleich viel 3-prozentiger Wasserstoffperoxid-Lösung. In eines eine Spatelspitze Trockenhefe geben, in das andere nichts (Kontrolle). Schaumhöhe nach einer Minute vergleichen und den Sauerstoff mit der Glimmspanprobe nachweisen. Zusätzlich kann man aufgekochte Hefe als zweite Kontrolle verwenden.