Katalyse - Friedrich-Schiller
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$ & !" # $ % ' Fonds der Chemischen Industrie Lernzirkel Katalyse für die 10. Klasse Gymnasium/Regelschule in Thüringen Inhaltsverzeichnis Lernstationen 1 Braunstein als Katalysator 2 (A/B) Katalysatoren und Aktivierungsenergie (Experiment oder Comic) 3 Katalyse in Industrie und Technik 4 Der Abgaskatalysator 5 Enzyme sind Spezialisten 6 Das Enzym Katalase und Kontaktlinsen 7 Das Enzym Katalase und Kartoffeln 8 Mit reichlich Spucke 9 Der geregelte Abgaskatalysator - Computerspiel Laufzettel Weitere Versuche und Informationen zum Thema (für Lehrer) Literaturverzeichnis Hinweise Der Lernzirkel zur Katalyse wurde für die 10. Klasse Gymnasium bzw. Regelschule erarbeitet. Der Lernzirkel umfasst neun Lernstationen, darunter Pflicht- und Wahlstationen. Wie die folgende Darstellung zeigt, soll jeder Schüler fünf Lernstationen bearbeiten: Lernstation 1: Braunstein als Katalysator (Versuch und Text) Lernstation 2A: Katalysator und Aktivierungsenergie (Experiment) Text: Katalysator und Aktivierungsenergie Lernstation 2B: Katalysator und Aktivierungsenergie (Comic) Lernstation 3: Katalyse in Industrie und Technik Lernstation 4: Der Abgaskatalysator Lernstation 5: Enzyme sind Spezialisten Lernstation 6: Lernstation 7: Katalase und Katalase und Kontaktlinsen Kartoffeln + Begleittext zu den vier Stationen Lernstation 8: Mit reichlich Spucke Lernstation 9: Der geregelte Abgaskatalysator – Computerspiel (Gymnasium, mathematisch-naturwissenschaftlicher Zweig) 2 Um Ihnen einen Überblick über die Inhalte der Lernstationen zu geben, möchten wir Ihnen die Stationen an dieser Stelle kurz vorstellen: In den Stationen 1 und 2 wird der Mechanismus der Katalyse behandelt. Dabei werden folgende Aspekte betrachtet: Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen (Station 1) und Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie (Station 2, Wahlmöglichkeit zwischen Experiment 2A und Comic 2B). Auf eine Definition der Katalyse wird dabei bewusst verzichtet. Sie soll im Anschluss im Unterricht gemeinsam mit den Schülern erarbeitet werden (Systematisierung). Station 3 (Katalysatoren in Industrie und Technik) und Station 4 (Abgaskatalysator) stellen wichtige Anwendungsbeispiele der Katalyse vor. Die Stationen 5 bis 8 thematisieren die Biokatalyse durch Enzyme. Dabei ist Ihnen oder den Schülern die Möglichkeit gegeben, eine der vier Stationen auszuwählen. Zum Thema Abgaskatalyse gibt es eine zusätzliche Station. Station 9 stellt eine Computersimulation zur Regelung des Autokatalysators vor. Dabei wird besonders auf die Lehrplaninhalte des Gymnasiums im mathematisch-naturwissenschaftlichen Zweig eingegangen (Klasse 10, Thema 4.3). Alle Stationen sind so gestaltet, dass sie von den Schülern in beliebiger Reihenfolge bearbeitet werden können. Der angefügte Laufzettel soll die Auswertung der Stationsarbeit erleichtern. Im Anschluss an Lernzirkel und Laufzettel möchten wir Ihnen weitere Informationen und Versuche zum Thema vorstellen sowie eine Übersicht über die Literaturrecherche geben. 3 Lernstation 1: Braunstein als Katalysator (Lernstation 1: Versuch Braunstein als Katalysator + Text Katalyse) Arbeitsaufgaben: Im folgenden Versuch arbeitest du mit Braunstein (MnO2) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Lies den Steckbrief über Wasserstoffperoxid durch, um die Eigenschaften dieser Verbindung näher kennenzulernen. (Der Steckbrief ist am Ende des Laufzettels angefügt.) 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 Laufzettel. Versuch: Braunstein als Katalysator Einführung: Untersuche, was geschieht, wenn du den Katalysator Braunstein zu Wasserstoffperoxid gibst. Sicherheitshinweise: Wasserstoffperoxid reizt die Augen. Bei dem Versuch ist deshalb eine Schutzbrille zu tragen. Geräte / Chemikalien: 3 Bechergläser (50 ml) Pinzette Wasserstoffperoxid (5 %) Messzylinder (25 ml) Braunsteintablette1 Durchführung: Fülle je 15 ml Wasserstoffperoxid in die drei Bechergläser. Gib anschließend eine Braunsteintablette mit der Pinzette in das erste Becherglas. Warte einige Minuten 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 dieselbe Braunsteintablette nacheinander in zwei weitere Bechergläser 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 für die Schüler aus. 4 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 ohne 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 der Katalysatoren aus. 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. 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. H für Wasserstoff (nach dem lateinischen „hydrogenium“). Neben seinen Untersuchungen zur Katalyse entdeckte er die Elemente Cer, Selen und Thorium. Text und Bild: 2 3 5 Lernstation 2 A: Katalysator und Aktivierungsenergie Experiment (Lernstation 2A: Versuch Knallgasreaktion mit Katalysator + Text Katalysator und Aktivierungsenergie + Text Döbereiner Feuerzeug) Arbeitsaufgaben: Untersuche anhand der Knallgasreaktion die Wirkung eines Katalysators. Führe dafür den folgenden Versuch durch. Lies anschließend den kurzen Text über Katalysatoren und die Aktivierungsenergie durch und beantworte die Fragen auf dem Laufzettel. Informiere dich anhand des Textes über das Döbereiner Feuerzeug, dessen Wirkungsweise und den Erfinder. Versuch: Knallgasreaktion mit Katalysator Sicherheitshinweise: Bei dem Versuch sind Schutzbrille und Kittel zu tragen. Salzsäurespritzer auf der Haut sind unter dem Wasserhahn abzuspülen. Bei der Reaktion der Magnesiumspäne mit Salzsäure wird ein leichtentzündliches Gas gebildet. Geräte / Chemikalien: Reagenzglas mit seitlichem Ansatz Stativmaterial gebogene Glasdüse (mit Rückschlagsicherung aus Eisenwolle) verd. Salzsäure (10 %) Katalysator: Platin auf Glaswolle graduierte Tropfpipette + Stück Gummischlauch Streichholz / Feuerzeug Pinzette Gummischlauchverbindung Magnesiumspäne Gib mit der Pinzette einige Magnesiumspäne in das Reagenzglas mit seitlichem Ansatz. Baue dann die Apparatur, wie es auf der Skizze dargestellt ist, auf. Fülle die graduierte Tropfpipette mit 1 ml verdünnter Salzsäure. Führe die gefüllte Tropfpipette vorsichtig so in die Apparatur ein, dass der Gummischlauch die Apparatur luftdicht verschließt. Tropfe nun die Salzsäure auf die Magnesiumspäne. Halte mit der Pinzette ein kleines Knäuel des Platinkatalysators in den Gasstrom am Ausgang der Glasdüse. (Falls dabei nichts passiert, kannst du den Gasstrom durch leichtes Pumpen mit der Pipette verstärken.) Achtung: Lege den Platin-Katalysator nach dem Versuch in das Vorratsgefäß zurück! 6 Döbereiner Feuerzeug 1823 konstruierte der Jenaer Chemieprofessor Johann-Wolfgang Döbereiner sein so genanntes Döbereiner Feuerzeug. Bei dem Feuerzeug wird - genau wie bei dem Experiment, das du durchgeführt hast Wasserstoff an einem Platinkatalysator entzündet. Wasserstoff wird dabei zunächst durch Reaktion von Zink mit Salzsäure hergestellt. Die folgende Grafik zeigt den Aufbau des Döbereiner Feuerzeugs. Im Ruhezustand wird das Gefäß oben geschlossen, so dass der Wasserstoff nicht mehr entweichen kann und infolgedessen die Säure von dem Zinkbrocken wegdrückt. Johann Wolfgang Döbereiner wurde 1780 in Hof geboren und starb 1849 in Jena. Als Sohn eines Kutschers wuchs er in ärmlichen Verhältnissen auf und genoss in seiner Jugend nur wenig Schulbildung. Nach einer Lehre als Apotheker begab er sich auf eine fünfjährige Wanderzeit, während der er sich im Selbststudium intensiv mit Chemie beschäftigte. In Jena wurde er schließlich sesshaft. Dort machte er sich durch seine praktischen Erfindungen bald einen Namen und erhielt durch die Vermittlung von Johann Wolfgang Goethe eine Stelle an der Jenaer Universität. Er wirkte lange Jahre als Chemie- und Pharmazieprofessor und organisierte das chemische Praktikum für die Studenten. Obwohl er den Ruf an andere Universitäten erhielt und ihn in Jena häufig Geldmangel plagte, blieb er der Universität Jena immer treu. Neben seinen Untersuchungen zu den katalytischen Eigenschaften von Platin ist Döbereiner als Vordenker für den Aufbau des Periodensystems bekannt, welches in seiner heutigen Form erst 1870 entwickelt wurde. Text und Bild: 4 5 7 Katalysator und Aktivierungsenergie Wasserstoff und Sauerstoff reagieren heftig miteinander. Dabei wird Energie frei (exotherme Reaktion). Dennoch reagieren die beiden Stoffe bei Raumtemperatur nicht miteinander. Erst wenn das Reaktionsgemisch z.B. durch einen Funken gezündet wird, findet die Reaktion statt. Damit die Teilchen miteinander reagieren und neue Bindungen ausbilden können, müssen sie zunächst eine Energiebarriere überwinden, die Aktivierungsenergie. Im Fall der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff müssen z.B. zunächst Wasserstoff- und Sauerstoff-Bindungen gespalten werden, bevor sich neue Bindungen ausbilden können: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O Bei Verwendung des Katalysators Platin läuft die Knallgasreaktion dagegen ohne weitere Energiezufuhr ab. Die Wirkung des Katalysators besteht darin, dass er die Aktivierungsenergie für die Reaktion senkt. Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle lagern sich an der Oberfläche des Katalysators Platin an, wodurch die H-H- und die O-O-Bindung gelockert werden. Die neuen Bindungen können dadurch einfacher ausgebildet werden. Energiediagramm einer Reaktion mit und ohne Katalysator [6] 8 Lernstation 2 B: Katalysator und Aktivierungsenergie Comic (Lernstation 2B: Text Katalysator und Aktivierungsenergie + Comic) Arbeitsaufgaben: Am Arbeitsplatz liegen ein kurzer Text und ein Comic aus. Im Comic wird die Wirkungsweise von Katalysatoren mit einem Bild veranschaulicht: Statt zweier Atome möchten sich im Comic zwei Menschen binden. Entwerft Untertitel für die vier Szenen des Comics. Erklärt anhand des Bildes die Wirkungsweise eines Katalysators. Erklärt dann kurz die Vorgänge auf Teilchenebene. Wichtige Informationen dafür findet ihr im Text. Katalysator und Aktivierungsenergie Obwohl bei exothermen Reaktionen Energie frei wird, finden sie häufig nicht spontan bei Raumtemperatur statt, sondern erst nachdem eine gewisse Energiemenge zugeführt wurde. So ist es zum Beispiel bei Verbrennungen der Fall: Erst nachdem ein Lagerfeuer entzündet wurde, beginnt das trockene Holz mit lodernder Flamme zu brennen. Bevor es zu einer Reaktion kommt, muss zunächst eine Energiebarriere überwunden werden: die so genannte Aktivierungsenergie. Katalysatoren setzen diese Energiebarriere herab, indem sie eine Zwischenverbindung mit mindestens einem der Reaktionspartner eingehen. Durch den verringerten Energieaufwand laufen katalysierte Reaktionen schneller und bei milderen Bedingungen ab. 9 ? Standesamt 10 Lernstation 3: Katalyse in Industrie und Technik Arbeitaufgaben: Lest den kurzen Text über technische Anwendungen der Katalyse aufmerksam durch. Erläutert anschließend die wirtschaftliche Bedeutung katalytischer Verfahren. Spielt das Memory zu technischen Anwendungen der Katalyse. Achtung: Statt zweier identischer Karten müsst ihr dabei die Paare Katalysator - katalysierte Reaktion finden. Ermittelt einen Gruppensieger und stellt vier Anwendungsbeispiele aus dem Memory in einer Tabelle dar (Reaktion, Produkt und Katalysator). Wenn das Spiel zu schwer ist, könnt ihr alle Karten umdrehen und dann die Paare (Katalysator - Reaktion) suchen. Technische Anwendungen der Katalyse Die Katalyse hat große industrielle Bedeutung: Mehr als 80 % der Wertschöpfungen der chemischen Industrie beruhen auf katalytischen Verfahren. Viele wichtige Grundchemikalien wie Schwefelsäure, Methanol oder Ammoniak werden in katalytischen Prozessen gewonnen. Die Katalyse bringt große Kostenvorteile mit sich: Chemische Reaktionen werden durch Katalyse beschleunigt und laufen bei niedrigeren Temperaturen ab. Dadurch kann Energie eingespart werden. Mit Hilfe von Katalysatoren können chemische Reaktionen darüber hinaus so gesteuert werden, dass nur bestimmte Produkte entstehen; unerwünschte Nebenprodukte werden vermieden. Die Besonderheit der Katalyse ist, dass Katalysatoren nicht verbraucht werden, deshalb kann man sie viele Male einsetzen. Zudem werden meist nur geringe Mengen davon benötigt. 11 ! & ! ! # ! ) ! " % $! ( ! ) % ! % 12 % ( $! # "! ! !! $$ & ' " ' ! ! * % + " ! " , " % * ! ! $! % - . !! $$ " ! ! ! ( % "( ! ! + / 2 0 &* ! $# 3 $3 " % 1 ! %( 3 $# ' ! " ) " ! 13 ! ! ! ) !" ! ! Lernstation 4: Abgaskatalysator [7] (Lernstation 4: Einführungstext + Abgaskatalysator + Text Abgaskatalysator) Sicher kennst du den Abgaskatalysator im Auto. Wahrscheinlich hast du aber noch nie einen Abgaskatalysator gesehen. Er ist zwischen Motor und Auspuff installiert und hat in etwa eine zylindrische Form. Das eigentlich Interessante ist das Innenleben des Abgaskatalysators. Am Arbeitsplatz findest du einen alten halbierten Autoabgaskatalysator aus einer Autowerkstatt. Arbeitsaufgaben: Betrachte die einzelnen Bauteile des Abgaskatalysators genau und fertige dann eine skizzenhafte Zeichnung an (auf dem Laufzettel). Beschrifte die einzelnen Bauteile auf der Zeichnung. Diskutiere mit deinen Mitschülern, was die Aufgabe des Abgaskatalysators ist. Melde dich anschließend beim Lehrer oder der Lehrerin, damit er / sie dir den zweiten Teil dieser Lernstation aushändigen kann. 14 Abgaskatalysator (Lernstation 4, Teil 2) Arbeitsaufgaben: Lies den folgenden Text über Abgaskatalysatoren durch und vergleiche die Abbildung des Katalysators mit deiner Zeichnung. Vervollständige die Zeichnung – falls notwendig. Ergänze die Reaktionsgleichungen auf dem Laufzettel. Beim genauen Betrachten erkennst du folgende Bauteile des Abgaskatalysators: das Katalysatorgehäuse aus Metall, ein Drahtgeflecht zur bruchsicheren Lagerung des Keramikkörpers und den wabenförmigen Keramikkörper mit Metallkörnchen. Der wabenförmige Keramikkörper hat in seinem Inneren eine Vielzahl von Kanälen, die in der Durchströmungsrichtung ausgerichtet sind. Er besteht aus einer hitzebeständigen Keramik. Diese Keramik ist mit den katalytisch aktiven Stoffen - den Edelmetallen Platin und Rhodium - beschichtet. Drahtgeflecht wabenförmige Keramik beschichtet mit Platin und Rhodium Katalysatorgehäuse Katalytisch aktive Schicht (Edelmetalle Platin / Rhodium) Zwischenschicht Keramikträger Bei benzinbetriebenen Fahrzeugen entstehen bei der Verbrennung des Treibstoffs neben Wasser und Kohlenstoffdioxid die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid (0,9 Massenprozent), Kohlenwasserstoffe (0,09 %) und Stickstoffoxide (0,13 %). Im Abgaskatalysator werden diese Schadstoffe an der katalytisch aktiven Schicht bei einer Temperatur von 300-500°C zu ungefährlichen Verbindungen umgesetzt: Kohlenwasserstoffe werden durch Reaktion mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Am Beispiel von Hexen: C 6 H 12 + 9O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid: 2CO + O 2 → 2CO 2 Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid werden mit Kohlenstoffmonoxid zu Stickstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt: 2NO 2 + 4CO → N 2 + 4CO 2 2NO + 2CO → N 2 + 2CO 2 und 15 Im Gegensatz zu den ersten Abgaskatalysatoren können diese drei Reaktionen am modernen Katalysator gleichzeitig ablaufen, weshalb er auch den Namen Drei-Wege-Katalysator trägt. Durch den geregelten Drei-Wege-Katalysator kann der Schadstoffausstoß in den Autoabgasen um bis zu 90 % reduziert werden. Der Katalysator funktioniert jedoch nur optimal, wenn er eine Betriebstemperatur von mindestens 300°C erreicht hat. Besonders im Winter erreicht er diese Temperatur erst nach Fahrtstrecken von etwa 8 km Länge. Auch im Stop-and-goVerkehr einer überfüllten Innenstadt kann der Abgaskatalysator seine Aufgabe nicht ausreichend gut erfüllen. Aus diesem Grund forschen zum Beispiel die Firmen Bosch und Mercedes an Standheizungen (Fahrzeugvorwärmesysteme), um von Fahrtbeginn an und auch bei ständiger Unterbrechung der Fahrt optimale Betriebsbedingungen des Katalysators gewährleisten zu können. 16 Enzyme - Katalysatoren in deinem Körper (Begleittext zu Lernstation 5 – 8) In deinem Körper laufen zahlreiche chemische Reaktionen ab, die zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge wie Energiegewinnung aus der Nahrung, Ausscheidung von Abfallstoffen oder Vermehrung von Körpersubstanz notwendig sind. Die Gesamtheit dieser Umsetzungen wird als „Stoffwechsel“ bezeichnet. Katalysatoren spielen in unserem Stoffwechsel eine wichtige Rolle: Etwa 1000 verschiedene Katalysatoren, die sogenannten Enzyme, sind an den Stoffwechselvorgängen beteiligt. Die wichtige Aufgabe der Enzyme ist es, chemische Reaktionen, die im Labor nur bei Einsatz konzentrierter Säuren oder Laugen und hohen Temperaturen stattfinden, so zu beschleunigen, dass sie bei Körpertemperatur in ausreichend hoher Geschwindigkeit ablaufen. Und die Enzyme erledigen diese Aufgabe gut: An einem Enzym-Molekül können innerhalb einer Minute zwischen 100 und 10.000.000 Moleküle umgesetzt werden. Die Enzyme gehören zu der Stoffgruppe der Eiweiße, natürliche Makromoleküle (Riesenmoleküle) mit einer Molmasse zwischen 10.000 und 1.000.000 g/mol. Enzyme sind Spezialisten. Jedes Enzym beeinflusst nur bestimmte Reaktionen, oftmals nur eine einzige chemische Reaktion. Die Reaktionen laufen nur an bestimmten Stellen des Enzyms, den aktiven Zentren, ab. Aufgrund der räumlichen Gestalt des Enzyms können nur ausgewählte Stoffe zu diesen aktiven Zentren gelangen. Dieses Prinzip der Stoffauswahl wird auch Schlüssel-Schloss-Prinzip genannt. Die äußeren Bedingungen wie der pH-Wert und die Temperatur sind für die Arbeit der Enzyme von großer Bedeutung. Jedes Enzym arbeitet nur in einem bestimmten Temperaturund pH-Bereich. Die einzelnen Enzyme haben sich an die Bedingungen ihres „Arbeitsplatzes“ gut angepasst. So laufen die Umsetzungen der Verdauungsenzyme im Magen bei einem pH-Wert von 2 (Magensäure). Enzyme reagieren aber stark auf Veränderungen ihrer gewohnten Arbeitsbedingungen. Das ist zum Beispiel die Ursache dafür, warum hohes Fieber (mit Körpertemperaturen über 40°C) so gefährlich ist. Die Arbeit wichtiger Enzyme kann bereits durch die Temperaturerhöhung um 3,5 bis 4°C stark beeinträchtigt werden. 17 Lernstation 5: Enzyme sind Spezialisten (Lernstation 5: Text Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper + Modellversuch Funktionsweise von Enzymen) Arbeitsaufgaben: Lies den Text „Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper“ aufmerksam durch. Stell anschließend die Aufgabe dar, die die Enzyme in menschlichen Körper bewältigen. Erkläre mit Hilfe eines der beiden angebotenen Modelle, wie Enzyme es bewerkstelligen, eine Stoffauswahl zu treffen. Modellversuch: Funktionsweise von Enzymen Geräte / Chemikalien: Vorhängeschloss verschiedene Schlüssel Zigarrenschneider Apfel, Lauch Durchführung: Verwende eines der beiden Modelle, um zu veranschaulichen, wie es Enzymen gelingt, eine Stoffauswahl zu treffen. 18 Lernstation 6: Das Enzym Katalase und Kontaktlinsen (Lernstation 6: Text Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper + Versuch Katalase in Pflanzen + Versuch Katalase und Kontaktlinsen) Arbeitsaufgaben: Lies den Text „Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper“ aufmerksam durch. Weise anschließend das Enzym Katalase in einem Blatt nach. Führe dafür Versuch 1 durch. Das Enzym Katalase wird bei der Reinigung von Kontaktlinsen eingesetzt. Untersuche die Wirkung von Katalase bei der Reinigung von Kontaktlinsen. Führe dafür Versuch 2 durch. Erkläre anhand der Inhaltsangaben auf der Desinfektions- und Neutralisationslösung, wie die Reinigung der Kontaktlinsen funktioniert. Sicherheitshinweise: Wasserstoffperoxid reizt die Augen. Bei den Versuchen ist deshalb eine Schutzbrille zu tragen. Versuch 1: Katalase in Pflanzen Im menschlichen Körper, in tierischen Organismen und in Pflanzen wird Wasserstoffperoxid H2O2 als Abfallprodukt des Stoffwechsels gebildet. Da Wasserstoffperoxid lebende Zellen schädigt, verfügen diese über eine Schutzvorrichtung gegen Wasserstoffperoxid: Das Enzym Katalase. Das Enzym baut Wasserstoffperoxid zu ungefährlichen Verbindungen ab. Hinweis: Am Ende des Laufzettels ist ein Steckbrief zu Wasserstoffperoxid angefügt, in dem du mehr über diese Verbindung erfahren kannst. Aufgabe: Weise das Enzym Katalase in Blättern durch seine Reaktion mit Wasserstoffperoxid nach. Geräte / Chemikalien: 2-3 Pflanzenblätter Mörser, Pistill Wasserstoffperoxid (5 %) Messzylinder (10 ml) Pinzette Reagenzglas Durchführung: Zerkleinere 2-3 Pflanzenblätter mit Hilfe von Mörser und Pistill. Miss 5 ml Wasserstoffperoxid ab und fülle es in das Reagenzglas. Überführe mit der Pinzette etwas zerkleinerte Pflanzenmasse in das Reagenzglas und beobachte, was geschieht. 19 Versuch 2: Katalase und Kontaktlinsen Aufgabe: Untersuche die Funktionsweise von Kontaktlinsenreinigern. (z.B. das Produkt „EYE SEE“ der Firma Lapis Lazuli, der Hausmarke von Fielmann) Geräte / Chemikalien: Reagenzglas Desinfektionslösung (rot) pH-Teststreifen Neutralisationslösung (blau) Durchführung: Fülle das Reagenzglas daumenhoch mit Desinfektionslösung. Kontaktlinsen sollten 10 min in dieser Lösung gereinigt werden. Bevor sie wieder ins Auge eingesetzt werden können, muss unbedingt Reinigungsschritt 2 erfolgen. Du kannst sofort weiterarbeiten: Gib tropfenweise Neutralisationslösung in das Reagenzglas und beobachte, was geschieht. Der Name „Neutralisationslösung“ ist verwirrend. Du kannst mit Hilfe eines pH-Teststreifens untersuchen, ob es sich wirklich um eine Neutralisationsreaktion handelt. 20 Lernstation 7: Das Enzym Katalase und Kartoffeln (Lernstation 7: Text Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper + Versuch Katalase in Kartoffeln + Versuch Hitzeeinwirkung auf das Enzym) Arbeitsaufgaben: Lies den Text „Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper“ aufmerksam durch. Weise das Enzym Katalase in einer Kartoffel nach. Untersuche, was mit diesem Enzym beim Erhitzen passiert. Sicherheitshinweise: Wasserstoffperoxid reizt die Augen. Bei den Versuchen ist deshalb eine Schutzbrille zu tragen. Versuch 1: Katalase in Kartoffeln Einleitung: Im menschlichen Körper, in tierischen Organismen und in Pflanzen wird Wasserstoffperoxid H2O2 als Abfallprodukt des Stoffwechsels gebildet. Da es lebende Zellen schädigt, verfügen sie über eine Schutzvorrichtung gegen Wasserstoffperoxid: Das Enzym Katalase. Das Enzym baut Wasserstoffperoxid zu ungefährlichen Verbindungen ab. Hinweis: Am Ende des Laufzettels ist ein Steckbrief zu Wasserstoffperoxid angefügt, in dem du mehr über diese Verbindung erfahren kannst. Geräte / Chemikalien: Kartoffel graduierte Pipette Messer Uhrglas Wasserstoffperoxid (5 %) Durchführung: Schneide eine dünne Scheibe von der Kartoffel ab und lege sie in das Uhrglas. Tropfe nun 0,5 – 1,0 ml Wasserstoffperoxid auf die Kartoffelscheibe und beobachte, was passiert. Versuch 2: Hitzeeinwirkung auf das Enzym Aufgabe: Untersuche die Aktivität des Enzyms Katalase nach Erhitzung. Geräte / Chemikalien: Kartoffel graduierte Pipette Messer Uhrglas Pinzette Büroklammer Bunsenbrenner Wasserstoffperoxid (5 %) Durchführung: Schneide eine dünne Scheibe von der Kartoffel ab und lege sie in das Uhrglas. Erhitze eine Büroklammer bis zur Rotglut in der Bunsenbrennerflamme. Drücke die Büroklammer mit Hilfe der Pinzette auf die Kartoffelscheibe Tropfe 0,5 – 1,0 ml Wasserstoffperoxid auf die Kartoffelscheibe und beobachte, was geschieht. 21 Lernstation 8: Mit reichlich Spucke (Lernstation 8: Text Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper + Versuch Enzyme im Speichel) Arbeitsaufgaben: Lies den Text „Enzyme – Katalysatoren in deinem Körper“ aufmerksam durch. Untersuche anhand des folgenden Versuches die Enzyme in deinem Speichel. Versuch: Enzyme im Speichel [8] Die Verdauung beginnt bereits im Mund. Neben der Zerkleinerung durch das Kauen beginnen Verdauungsenzyme im Speichel, die Nahrung schon im Mund abzubauen. Aufgabe: Untersuche anhand des Kohlenhydrats Stärke die Aktivität der Verdauungsenzyme im Speichel. Geräte / Chemikalien: Stärke Agar-Agar (Geliermittel) Lugolsche Lösung* Spatellöffel Becherglas (100 ml) 2-3 Petrischalen Messzylinder (25 ml) Sprühflasche Glasstab (z.B. für Nasenspray) Bunsenbrenner mit Dreifuß, Drahtnetz * Bei Lugolscher Lösung handelt es sich um eine Jod-Kaliumjodid-Lösung. Sie wird zum Nachweis von Stärke verwendet. Durchführung: Gib eine Löffelspitze Stärke sowie einen Spatellöffel Agar-Agar in das Becherglas. Füge 25 ml Wasser hinzu und koche das Gemisch unter Rühren kurz auf. Gieße die heiße Lösung in die beiden Petrischalen und lasse sie dort erkalten. Zeichne nun mit Spucke Figuren auf die Oberfläche des Gelees. Warte etwa eine Minute lang und wasche dann die Spucke vorsichtig unter dem Wasserhahn wieder ab. Besprühe das Gelee vorsichtig mit wenig Lugolscher Lösung. 22 Lernstation 9: Der geregelte Abgaskatalysator, Computerspiel Lies den folgenden Text über den geregelten Abgaskatalysator im Auto und führe das Computerspiel durch. Notiere deine Punktzahl, um einen Klassensieger zu ermitteln. Erläutere kurz, welche Aufgabe die Lambda-Sonde bei der Abgaskatalyse übernimmt. Bei der Verbrennung des Benzins im Ottomotor entstehen neben Wasser und Kohlenstoffdioxid die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe. Mit Hilfe des Abgaskatalysators kann der Schadstoffausstoß verringert werden. Dabei laufen am Katalysator folgende Reaktionen ab: 2CO + O 2 → 2CO 2 2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O 2NO + 2CO → 2CO 2 + N 2 Damit diese drei Reaktionen mit hohen Umsätzen nebeneinander ablaufen können, muss der Sauerstoffanteil in den Abgasen elektronisch geregelt werden. Die Steuerung übernimmt die -Sonde (Lambda-Sonde). Dabei misst die Sonde den Sauerstoffgehalt in den Abgasen (vor dem Katalysator) und regelt dann die Luft- und Benzinzufuhr zum Ottomotor. Die -Sonde reguliert das Benzin-/Luft-Gemisch so, dass die Luftzahl möglichst wenig von 1 abweicht. Die Luftzahl ist definiert durch: Sauerstoffmenge = stöchiometrisch notwendige Sauerstoffmenge Bei < 1 herrscht Luftunterschuss (fettes Gemisch), bei > 1 liegt im Gemisch zu viel Sauerstoff vor (mageres Gemisch). Das Computerspiel [9] In dem Computerspiel hast du die Aufgabe, ein Fahrzeug über eine gegebene Weg strecke zu steuern. Ziel des Spiels ist es, diese Strecke in möglichst kurzer Zeit und mit minimaler Umweltbelastung zurückzulegen. Du steuerst während der Fahrt die Benzin- und Luftzufuhr und übernimmst damit die Aufgabe der -Sonde im geregelten Autokatalysator. Die Geschwindigkeit und die Motorleistung werden von dem Programm automatisch aus der gewählten Benzin- und Luftzufuhr sowie dem Streckenprofil berechnet. Die maximale Fahrtzeit beträgt 5 min ( =ˆ 300 s). Deine Leistung wird auf einer Punkteskala von 0 bis 100 Punkten bewertet, so dass du mit deinen Mitschülern in Wettbewerb treten kannst. Schadstoffemissionen werden als Strafzeiten gewertet und verringern deine Punktezahl. Wenn du die maximale Fahrtzeit überschreitest, wird das Programm automatisch abgebrochen und du erhältst 0 Punkte. Arbeitsaufgaben: Lege eine Gebirgsstrecke in möglichst kurzer Zeit und geringem Schadstoffausstoß zurück. Führe zunächst einen Testlauf durch („Anfänger“). In diesem Fall kannst du die Simulation durch Drücken der Pausentaste (F4) jederzeit anhalten, um in Ruhe optimale Werte für das Benzin-Luft-Verhältnis einzustellen. Führe dann den Wertungslauf durch. Wähle dafür den Modus „Könner“ und die Betriebsbedingung „Warmstart“. F6 F5 F8 F7 mehr Luft weniger Luft mehr Benzin weniger Benzin Tastenbelegungen Shift F6 Shift F5 Shift F8 Shift F7 23 viel mehr Luft viel weniger Luft viel mehr Benzin viel weniger Benzin Laufzettel zum Lernzirkel Katalyse von (Namen): Bitte markiere in der Darstellung, welche Lernstationen du am heutigen Tag bearbeitet hast. Lernstation 1: Braunstein als Katalysator (Versuch und Text) Lernstation 2A: Katalysator und Aktivierungsenergie (Experiment) Text: Katalysator und Aktivierungsenergie Lernstation 2B: Katalysator und Aktivierungsenergie (Comic) Lernstation 3: Katalyse in Industrie und Technik Lernstation 4: Der Abgaskatalysator Lernstation 5: Enzyme sind Spezialisten Lernstation 6: Lernstation 7: Katalase und Katalase und Kontaktlinsen Kartoffeln + Begleittext zu den vier Stationen Lernstation 8: Mit reichlich Spucke Lernstation 9: Der geregelte Abgaskatalysator – Computerspiel (Gymnasium, mathematisch-naturwissenschaftlicher Zweig) Auswertung der Stationsarbeit: Lernstation 1: Braunstein als Katalysator Notiere deine Beobachtungen. Kannst du Veränderungen an der Braunsteintablette erkennen? Beschreibe die Wirkungsweise des Katalysators Braunstein. 24 Lernstation 2 A: Katalysator und Aktivierungsenergie Notiere deine Beobachtungen. Beschreibe die Wirkungsweise des Katalysators Platin. Lernstation 2 B: Katalysator und Aktivierungsenergie Entwerft Untertitel für die vier Szenen des Comics. Erklärt dabei anhand des Bildes die Wirkungsweise eines Katalysators. 1 2 3 4 Erklärt nun kurz die Vorgänge auf Teilchenebene. Lernstation 3: Katalyse in Industrie und Technik Erkläre die wirtschaftliche Bedeutung von katalytischen Verfahren. 25 Trage vier Anwendungsbeispiele für katalytische Verfahren aus dem Memory in die folgende Tabelle ein: Reaktion, Produkt Katalysator Lernstation 4: Der Abgaskatalysator Zeichnung des Aufbaus eines Abgaskatalysators mit Beschriftung der Bauteile Erläutere kurz, wofür der Katalysator im Auto eingesetzt wird. Ergänze die Reaktionsgleichungen für drei Reaktionen, die im Abgaskatalysator ablaufen. I + + H2O II CO + III + NO + Lernstation 5: Enzyme sind Spezialisten Stelle die Aufgabe dar, die die Enzyme in menschlichen Körper bewältigen. 26 Modellvorstellungen von der Enzymkatalyse Auswahl eines Modells: Schlüssel – Schloss Zigarrenschneider – Obst / Gemüse Beschreibe anhand des gewählten Modells, wie bei der Enzymkatalyse eine Stoffauswahl getroffen wird. Lernstation 6: Katalase und Kontaktlinsen Nachweis des Enyzms in Pflanzenmaterial Notiere deine Beobachtungen. Erkläre das Versuchsergebnis. Reinigung von Kontaktlinsen Erläutere mit Hilfe deiner Versuchsergebnisse die Wirkungsweise der Kontaktlinsenreiniger. Gehe dabei auf das Enzym Katalase ein. Lernstation 7: Katalase und Kartoffeln Nachweis des Enyzms in einer Kartoffel Notiere deine Beobachtungen. Erkläre das Versuchsergebnis. Hitzeeinwirkung auf das Enzym Notiere deine Beobachtungen. 27 Erkläre das Versuchsergebnis. Lernstation 8: Mit reichlich Spucke Notiere deine Beobachtungen. Erkläre das Versuchsergebnis. Gehe dabei auf die Bedeutung der Enzyme im Speichel für die Verdauung ein. Lernstation 9: Der geregelte Abgaskatalysator - Computerspiel Erkläre die Bedeutung der Lambda-Sonde für die Abgaskatalyse im Auto. Gib deine erreichte Punktzahl an. Punktzahl: Punkte 28 Steckbrief Wasserstoffperoxid Summenformel: H2O2 Strukturformel: H − O− O− H Eigenschaften: Wasserstoffperoxid ist eine farblose Flüssigkeit. Wasserstoffperoxid zersetzt sich bei Raumtemperatur langsam zu Wasser und Sauerstoff. − − − − Reaktion 2H 2 O 2 langsame → 2H 2 O + O 2 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 aufgrund seiner Oxidationswirkung als Reinigungs-, Desinfektions- oder Bleichmittel verwendet. Man setzt es zum Beispiel zum Bleichen von Haaren ein. Im Alltag bezeichnet man häufig sehr hell blondiertes Haars als „wasserstoffblond“ und bezieht sich dabei auf das verwendete Bleichmittel Wasserstoffperoxid. Sicherheitshinweise: In den Versuchen wird mit 3 und 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 auch Schleimhäute und Wunden reizt. 29 Weitere Informationen und Experimente zum Thema Katalyse (für Chemielehrer) Zur Veranschaulichung der Aktivierungsenergie eignet sich besonders folgender Modellversuch mit einem Saugheber: Modellversuch: Aktivierungsenergie [10] Geräte / Chemikalien: 2 Rundkolben (250 ml) U-förmig gebogenes Glasrohr L-förmig gebogenes Glasrohr durchbohrter Gummistopfen Stativmaterial Wasser Durchführung: Baue die Apparatur nach der Skizze auf. Fülle den linken Rundkolben bis zur Hälfte mit Wasser. Puste nun kräftig in das L-förmig gebogene Glasrohr. Erklärung: Das Wasser aus dem oberen Kolben könnte aufgrund seiner potentiellen Energie in den unteren Kolben fließen. Es tut es jedoch nicht, weil es zunächst den Saugheber überwinden muss. Erst wenn man dem Wasser durch kräftiges Pusten über diese Schwelle hinweghilft, läuft es von allein in den unteren Kolben. Man konnte sich lange Zeit nicht erklären, warum der Katalysator scheinbar nicht an der Reaktion teilnahm und durch seine bloße Anwesenheit die Reaktion auszulösen schien. Deshalb hielten die Wissenschaftler Katalysatoren für geheimnisvolle Stoffe, die über magische Kräfte verfügen mussten. Im Jahr 1875 erkannte der Franzose Marcelin Berthelot, dass die Wirkungsweise der Katalysatoren darauf beruht, dass sie reaktive Zwischenverbindungen mit den Ausgangsstoffen eingehen. Der folgende Versuch veranschaulicht die Bildung von Zwischenverbindungen bei der Katalyse. Die Oxidation von Kaliumnatriumtartrat durch Wasserstoffperoxid wird durch Cobalt(II)-Salze katalysiert. Der Farbumschlag des Reaktionsgemisches von rosa (Co2+) nach grün (Co3+) und zurück nach rosa ist eindrucksvoll. Wir möchten Ihnen die Entscheidung überlassen, ob sie diesen Versuch als LDE oder SE einsetzen. CoCl2 wird nach Gefahrstoffliste (GUV 19.16 A) als gesundheitsgefährdend (Xn) eingestuft. Krebserzeugende Wirkung wird vermutet, es liegen jedoch nicht ausreichend Informationen für eine Beurteilung vor. Schülerexperimente mit diesem Salz sind nach Ersatzstoffprüfung gestattet (Kennzeichnung 0). 30 Versuch: Wirkungsweise eines Katalysators [6] Geräte / Chemikalien: Erlenmeyerkolben (250 ml) Spatel Dreifuß, Drahtnetz Wasserstoffperoxid (10 %) Cobalt(II)-chlorid CoCl2.6H2O Xn Messzylinder (50 ml) Thermometer Waage Uhrglas Kaliumnatriumtartrat Durchführung: Wiege 3 g Kaliumnatriumtartrat in den Erlenmeyerkolben ein. Füge 50 ml Wasser und anschließend 10 ml Wasserstoffperoxid hinzu. Wiege 0,2 g des Katalysators Cobaltchlorid auf das Uhrglas ein. Erhitze nun die Lösung im Erlenmeyerkolben vorsichtig auf 40°C. Kontrolliere dabei die Temperatur mit einem Thermometer. Stelle dann den Bunsenbrenner wieder ab. Gib nun den Katalysator Cobaltchlorid vorsichtig hinzu und beobachte, was geschieht. Auch bei dem bekannten Blue-Bottle-Versuch katalysiert der Farbstoff Methylenblau (Mb) die Oxidation von Glucose durch Luftsauerstoff zu Gluconsäure. Dabei reagiert der Farbstoff zunächst mit Glucose und wird zum farblosen Leukomethylenblau (MbH2) reduziert (Zwischenverbindung). Durch Schütteln des Reaktionsgefäßes wird Luftsauerstoff in der Flüssigkeit gelöst. Der Luftsauerstoff oxidiert Leukomethylenblau in die Ausgangsform, das blaue Methylenblau, zurück. Glucose + O 2 → Gluconsäure Glucose + Mb + H 2 O → Gluconsäure + MbH 2 O 2 + MbH 2 → Mb + H 2 O Versuch: Blue-Bottle [11] Geräte / Chemikalien: Rundkolben (1 l) mit Stopfen Messzylinder (500 ml, 20 ml) Spatel Waage Becherglas (50 ml) Uhrglas Glucose Methylenblau Ethanol NaOH-Plätzchen Durchführung: Wiege 20 g Natriumhydroxidplätzchen in den Rundkolben ein und löse das Salz an schließend in 500 ml Wasser. Wiege 20 g Glucose auf dem Uhrglas ab und füge sie dann der Natronlauge hinzu. Stelle eine ethanolische Methylenblau-Lösung (Spatelspitze Methylenblau in 10 ml Ethanol) und gib diese Lösung in den Rundkolben. Schüttle die Lösung und lass sie dann ruhig stehen. Sobald die Lösung farblos geworden ist, hat sich die Zwischenverbindung Leukomethylenblau gebildet. Schüttle nun Kolben, um Luftsauerstoff in der Flüssigkeit zu lösen. 31 Abgaskatalysatoren für Dieselmotoren? Der Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung. Der Kraftstoff wird so hoch verdichtet, dass er von selbst zündet (im Gegensatz zum Ottomotor, bei dem mit Hilfe der Zündkerzen gezündet wird). Der Dieselmotor hat geringeren Kraftstoffverbrauch und stößt geringere Mengen an Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden aus. Problematisch sind jedoch das Schwefeldioxid sowie der Ruß in den Dieselmotorabgasen. Zudem ist der Ausstoß an besonders giftigen aromatischen Kohlenwasserstoffen höher als beim Ottomotor. Deshalb ist in allen heute in Europa verkauften Diesel-Pkw, leider aber nicht in allen Lkw ein Katalysator eingebaut. Bei den Dieselkatalysatoren handelt sich um reine Oxidationskatalysatoren, die aufgrund der niedrigeren Abgastemperaturen bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden müssen. Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid werden am Katalysator zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Den Ausstoß an Schwefeldioxid und vor allem Ruß kann der Katalysator aber nicht ausreichend verringern. Bei den neuen hocheffektiven Einspritztechniken entstehen sehr kleine Rußteilchen. Man vermutet, dass gerade von diesen kleinen Teilchen ein hohes Krebsrisiko (Lungenkrebs) ausgeht. Eine Verringerung des Rußausstoßes in den Abgasen kann nur mit Filtern (Keramikfilter bzw. elektrostatische Filter) und Abgasrückführung gelingen. Die Automobilfirmen Ford, Citroën und Peugeot statten neue Fahrzeuge serienmäßig mit Rußfiltern aus. Andere Automobilhersteller (VW, Mercedes) wehren sich aktuell noch gegen diesen Mehraufwand. Autoverkehr und Luftschadstoffe Der Autoverkehr nimmt in Deutschland eine wichtige Rolle ein. Güter werden über die Straße transportiert. Arbeitnehmer und Schüler bewegen sich täglich in Bussen und Personenkraftwagen zu ihrem Arbeitsort / zur Schule und zurück. Nachmittags und abends fahren wir zum Einkaufen, zum Sport, zu Freunden oder ins Kino. In Deutschland sind 47,3 Millionen Fahrzeuge zugelassen, darunter 44,7 Millionen Pkw. In Thüringen gibt es 1,3 Millionen Pkw. [12] Nicht überall werden so viele Autos gefahren. Die Grafik zeigt die durchschnittliche Zahl der Autos pro 1000 Einwohnern in verschiedenen Ländern. [12] Anzahl der Pkw pro 1000 Einwohnern 540 565 483 513 472 242 142 28 106 Australien Mexiko Peru USA Nepal China 32 Thailand 2 Georgien Weißrußland Italien Frankreich Deutschland Kroation Äthiopien 47 42 7 5 Indien 25 1 Ägypten 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Die Fahrzeugabgase enthalten die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe. Bei viel Verkehr und starker Sonneneinstrahlung wird zudem aus Stickstoffmonoxid NO und Sauerstoff Ozon O3 gebildet (= Sommersmog). Neuere Fahrzeuge sind mit geregelten Katalysatoren ausgestattet, mit Hilfe derer die Schadstoffmengen deutlich verringert werden können. Trotzdem wird gerade an heißen Sommertagen manchmal Ozon-Alarm gemeldet. Vielleicht ist dir schon einmal aufgefallen, dass im Sommer im Radio häufig die Ozonwerte bekannt gegeben werden. Das Umweltbundesamt veröffentlicht täglich im Internet aktuelle Emissionswerte (Ozon, Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide). Unter http://www.env-it.de/luftdaten kannst du diese Daten für Deutschland, Thüringen und sogar für Jena abrufen. Was die Luftverschmutzung durch Autoverkehr betrifft, ist gerade die Lage der Schwellenländer problematisch. Dort entstehen riesige Städte wie zum Beispiel MexikoStadt. Die Autos sind alt, Umweltschutz spielt wegen der Armut der Menschen nur eine geringe Rolle. Die Hauptstadt Mexikos hat 8,2 Millionen Einwohner, im ganzen Bundesdistrikt leben sogar 25 Millionen Einwohner. Täglich kommen etwa 2000 Menschen dazu. 3,5 Millionen Kraftfahrzeuge bewegen sich täglich in der Stadt hin- und her. Nach einer 1984 durchgeführten Erhebung werden in Mexiko-Stadt täglich etwa 10.000 t Luftschadstoffe ausgestoßen. 70 % davon werden dem Autoverkehr zugerechnet, 30 % der Industrie. Kohlenstoffmonoxid liegt mit 7.100 t an der Spitze der Schadstoffe [13]. Die Stadt liegt im Tal umgeben von Vulkanen. Durch diese Lage werden die Schadstoffe wie in einem Kessel gefangen, die Stadt droht täglich in ihrem Dunst zu ersticken. In Europa wird der Abgasausstoß der Kraftfahrzeuge von staatlicher Seite überwacht. Wenn deine Eltern ein Auto mit geregeltem Katalysator fahren, müssen sie das Auto alle zwei Jahre, bei einem Auto ohne geregelten Kat sogar jährlich auf die Einhaltung der Abgasgrenzwerte untersuchen lassen. Die Abgasuntersuchung (AU) wird vom TÜV durchgeführt. Geprüfte Autos erhalten diese Plakette. Die Abgasgrenzwerte gelten europaweit. Die Vorschriften wurden in den letzten Jahren immer weiter verschärft. Seit 2000 gilt die Euronorm III, im Jahr 2005 tritt die neue Euronorm IV in kraft. Abgasgrenzwerte seit 1992 Kohlenstoffmonoxid Kohlenwasserstoffe Stickoxide Euronorm I 1992 2,72 g/km 0,97 g/km - Euronorm II 1996 2,20 g/km 0,50 g/km - 33 Euronorm III 2000 1,50 g/km 0,20 g/km 0,10 g/km Euronorm IV 2005 1,00 g/km 0,15 g/km 0,08 g/km Literaturverzeichnis [1] Raabe-Fachverlag (Hrsg.): „Auto-Katalysator = Autokatalysator? Katalyse experimentell entdecken“ (Materialien zum Lernen an Stationen) in RAAbits Chemie, Impulse und Materialien für die kreative Unterrichtsgestaltung, Frankfurt 2002 [2] http://www.net-lexikon.de/Joens-Jakob-Berzelius.html [3] http://scienceworld.wolfram.com/biography/Berzelius.html [4] http://de.wikipedia.org/wiki/J.W._D%C3%B6bereiner [5] http://www.uni-bayreuth.de [6] Asselborn W., Jäckel M., Risch K.T. (Hrsg.): Chemie heute, Sekundarbereich II, Schroedel Verlag, Hannover 1998 [7] Münster, D.: „Katalyse - Vielfältige Ansichten einer Erscheinung“ (Materialien zum Lernen an Stationen), NiU-Chemie 11 (2000) 58/59, S.77-95 [8] Anregung der Chemielehrerin Frau Dr. Gruber (Friedrich-Schiller-Gymnasium Eisenberg) [9] Fonds der Chemischen Industrie ): Die katalytische Reinigung von Autoabgasen (Computersimulation auf CD-ROM), 1993 (vergriffen) [10] Serges Medien (Hrsg.): Grundstock des Wissens Chemie, Köln 2000 [11] Büttner, D., Bär S.: „Experimente zum Thema Katalyse“ (Übersicht), NiU-Chemie, 8 (1997) 39, S.10-13 [12] http://www.destatis.de [13] http://members.aol.com/stgymgt/mexiko/city.htm Weiterhin sei an dieser Stelle verwiesen auf: Fonds der Chemischen Industrie (Hrsg.): Folienserie19 Katalyse, Frankfurt 1986 34
