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 Demonstrationen zu den Katalysatoren
Nur für Lehrkräfte geeignet


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Stoffe  Würfelzucker, Zigarette oder Tabak, Platindraht 10cm, Silber- und Kupferdraht, Salzsäure 10%, Platinkatalysator (Kugel) oder Platinschwamm, Platinherz (>Lieferquelle), Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid aus der Flasche, Methanol, Ethanol, Apfel oder Birne aus dem eigenen Garten, Vitamin C, Wasserstoffperoxid 30%, Kaliumiodid, destilliertes Wasser
Geräte  Pinzette, Tiegelzange, Porzellanschale, Spatellöffel, Spiritusbrenner, Glasstab, Streichhölzer, Feuerzeug mit Glühwendel, Gasdüse mit Rückschlagsicherung, Filmdöschen transparent oder 50ml Plastikbecher, kleiner Siliconstopfen, Messer, 2 Glasplatten, Kolbenprober 100ml oder Kunststoff-Spritze, Standzylinder mit Halterung für Platinherz, Reagenzglas 30x200mm mit 30ml-Markierung, evt. Sterilisiertüten, 2 Bechergläser 50ml, Standzylinder 50ml, Waage, große Plastikwanne
Sicherheit   Platindrähte oder -katalysatoren dürfen nicht mit Alkoholdämpfen oder mit Wasserstoff in Berührung kommen. Entzündungsgefahr! Getrennt lagern! Vorschriften beim Umgang mit Laborgasen beachten! Schutzbrille tragen! Weitere Vorschriften finden sich bei den einzelnen Versuchen.

Schutzbrille anziehen!  Lueftungsmassnahmen erforderlich
 
Inhalt
Didaktische Bemerkungen
Demonstration 1  Der Würfelzucker-Trick
Demonstration 2  Aphlogistische Lampe
Demonstration 3  Katalysator-Feuerzeug 
Demonstration 4  Oszillierendes Herz
Demonstration 5  Der aufgeschnittene Apfel
Demonstration 6  Elefantenzahnpasta
Literatur
 
 
Didaktische Bemerkungen
 
Nachdem die Schülerinnen und Schüler verschiedene chemische Reaktionen kennengelernt haben (Sulfid-Reaktionen) und der Begriff der Aktivierungsenergie bekannt ist, soll gezeigt werden, dass es Stoffe gibt, die das Ablaufen chemischer Reaktionen erheblich erleichtern. Katalysatoren und katalytische Vorgänge spielen in der Natur und in der Technik eine große Rolle. Ohne sie wäre das Leben auf der Erde vermutlich gar nicht möglich. Zu dem Thema liegt auch ein Arbeitsblatt für eine Schülerübung vor. Die von den Schülern beobachteten Vorgänge werden von Ihnen in einem "Erlebnisbericht" zusammengefasst. Dabei äußern sie auch Vermutungen über die Eigenarten eines Katalysators. Die Texte und Gedichte werden zu Beginn jeder Demonstration gelesen.
 
 
Demonstration 1  Der Würfelzucker-Trick
 
Ein Mädchen liebt einen Jungen.
Er weiß es noch nicht.
Er kennt das Mädchen,
ihr hübsches Gesicht.
Da findet er eine Rose...
 
An ein Stück Würfelzucker wird eine Streichholzflamme gehalten. Der Würfelzucker schmilzt zwar in der Flamme, aber entzünden lässt er sich nicht. Nun raucht man eine Zigarette oder verbrennt etwas Tabak mit Hilfe der Tiegelzange in der Brennerflamme und wartet bis die Asche vollständig verglüht ist. Mit diese Asche benetzt man mit einem Finger den Würfelzucker. Nun gelingt der Trick: Der Würfelzucker verbrennt mit einer kleinen, rauschenden Flamme.
  
 
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Der Würfelzuckertrick
 
 
Demonstration 2   Aphlogistische Lampe
 
Du bist gekommen
du
wieder
und immer wieder
wieder du
      
(aus "Immer wieder" von Erich Fried)
 
 
Film
26 sek
Dieser Versuch zeigt die katalytische Wirkung eines Platindrahtes, der auf dem Docht einer Lampe sitzt.
   
 
Um den Docht eines Spiritusbrenners wird eine Drahtspirale aus Platin gewunden. Hierzu nimmt man ein 10cm langes Stück Platindraht und formt es mit Hilfe eines Glasstabs zu einer federförmigen Spirale. Diese wird auf den Docht des Brenners gesetzt. Nach dem Entzünden des Brenners glüht der Platindraht hell auf. Bläst man die Flamme aus, beginnt der Draht nach kurzer Zeit wieder zu glühen, so dass die Flamme wieder angeht. Dies lässt sich beliebig oft wiederholen. Bei langem Blasen erkaltet der Draht, dann tritt der Effekt nicht mehr auf. Auch das Wegnehmen des Sauerstoffs durch Aufsetzen eines Deckels bewirkt das Abklingen des glühenden Drahtes. (Erklärung siehe >Katalyse).
 
 
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Animierte gif-Grafik
 
 
Variationen: Die Demonstration gelingt auch mit Silber- oder Kupferspiralen. Hierbei wird der Draht mit Schmirgelpapier aufgerauht und kurz mit 10%iger Salzsäure behandelt, dann erst zu einer Spirale aufgewickelt. Allerdings reicht das Glühen des Kupfer- oder Silberdrahtes meistens nicht aus, um den Brenner wieder zu entzünden. Der Effekt des Nachglühens von Metallen in brennbaren Gasen kann auch an Feuerzeugen, die mit einer Glühwendel ausgestattet sind, beobachtet werden. Man zündet das Feuerzeug, hält die Gaszufuhr gedrückt und bläst dann die Flamme aus, so dass weiter Gas an der Glühwendel vorbeiströmt:
  
 
Film
12 sek
Rhenium besitzt einen sehr hohen Schmelzpunkt, daher eignet es sich als Heizwendel in Feuerzeugen.
   
 
Demonstration 3   Katalysator-Feuerzeug
GefährdungsBU für das Arbeiten mit Wasserstoff   pdf
 
Eine mit fein verteiltem Platin beschichtet Tonerdekugel (käuflich) oder selbst hergestellter Platinschwamm wird mit einer Pinzette über einen aus einer Düse austretenden Strom Wasserstoffgas (aus der Flasche) gehalten. Achtung: In der Düse sollte sich eine Rückschlagsicherung aus Eisenwolle befinden! Testen Sie die mögliche Flammenhöhe des Wasserstoffflamme vorher! Außerdem sollte die Raumlüftung aufgrund des entweichenden Wasserstoffs angeschaltet sein!
 
Nach einer Weile glüht die Kugel auf. Mit etwas Fingerspitzengefühl lässt sich dadurch der Wasserstoff entzünden. Aufgrund dieses Effekts entwickelte J.W. Döbereiner im Jahre 1823 das berühmte "Döbereinersche Feuerzeug".
 
 
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Eine Platinkugel glüht im Wasserstoff-Strom auf
Diashow
 
Film erhältlich auf >DVD
 
 
Variationen: Mit Hilfe der glühenden Platinkugel können auch Knallgasgemische entzündet werden. Man füllt mehrere, helle Filmdöschen von unten mit einem Wasserstoff- Sauerstoffgemisch und verschließt sie sofort mit dem Deckel. Das Knallgasgemisch wird in großen 60ml-Spritzen (Wasserstoff:Sauerstoff =2:1) oder in einem sauberen Kolbenprober hergestellt. Dann drückt man den Inhalt von unten in das offene Filmdöschen, in dem man den Deckel etwas öffnet und die Kanüle oder die Öffnung des Kolbenprobers hineinhält und die ganze Spritzenladung in das Filmdöschen befördert. Überschüssiges Knallgas entweicht dabei auf der Seite, der Überschuss bewirkt eine vollständige Füllung. Wichtig ist, dass das Döschen sofort verschlossen wird.
 
 
 
 
Ein kleiner Silicon-Stopfen wird mit einem scharfen Messer an einem Ende etwas ausgehöhlt (d= 5mm, Tiefe ca. 2mm), so dass eine platinbeschichtete Aluminiumoxidkugel gut in die Mulde passt und nicht mehr herausrollt. Der präparierte Stopfen wird auf eine Glasplatte gestellt. Nun nähert man sich mit dem Filmdöschen vorsichtig (Deckel unten), öffnet den Deckel, schiebt den Deckel zur Seite und stellt die Filmdose auf die Glasplatte, so dass der Stopfen in das Döschen ragt. Man entfernt sich rasch und wartet ab.
 
 
Ein Platinkatalysator zündet ein Knallgas-Gemisch

Film erhältlich auf >DVD
 
 
Beobachtungen: Nach einer Weile beginnt die auf dem Stopfen liegende Kugel zu glühen. Das Knallgasgemisch explodiert mit einem lauten Knall und die Filmdose fliegt mit hoher Geschwindigkeit an die Decke. Danach fühlt sie sich warm an, auf der Glasplatte ist kurzzeitig ein Beschlag zu sehen.
 
Achtung: Dieser Versuch darf nur mit einer Schutzbrille durchgeführt werden! Die Zuschauer sind vor dem lauten Knall zu warnen, sie müssen den Mund offen halten! Es dürfen nur Kunststoffgefäße (kein Glas!) mit einem Volumeninhalt von maximal 30ml verwendet werden! Kopf und Ohren fernhalten! Eventuell Gehörschutz tragen! In Drogerien oder in Supermärkten sind kleine, transparente Schnapsbecher erhältlich. Der Vorteil liegt hier in der guten Sichtbarkeit des Katalysator-Glühens. Allerdings können diese Gefäße nicht mit einem Deckel verschlossen werden. Sie werden nach dem Füllen (Öffnung unten!) auf eine zweite Glasplatte gestellt. Man kann auch kleine Pigmentdöschen verwenden. Hinweise zum theoretischen Hintergrund für diesen Versuch finden sich im Lexikon unter dem Begriff >Katalyse und beim >Wasserstoff.
 
 
Demonstration 4   Oszillierendes Herz
 
Der liebsten Herz ist aufgewacht
Als wie die Ros' am Strauche;
Die Liebe hat es angefacht
Mit einem frischen Hauche.
 
(Friedrich Rückert aus: "Liebesleben")

Dieser Versuch stellt eine rhythmische Variation der aphlogistischen Lampe dar. Die Geräte und Materialien sind bei der Firma Hedinger erhältlich. Der Versuch darf nur auf einer feuersicheren Unterlage und mit Schutzbrille durchgeführt werden. Zu Beginn fragt man die Schüler, woher sie rhythmische Reaktionen in der Natur oder im Alltag kennen. Sie nennen vielleicht die Atmung, den Herzschlag oder Tag und Nacht. Die Herstellung von solchen Analogien ist nicht von ungefähr. Chemische Oszillationen stellen eine Grundlage für die Entstehung des Lebens dar.

 
 
 
 
Schutzbrille und Schutzhandschuhe sind zu tragen! Der Raum ist abzudunkeln. In ein großes Reagenzglas (30x200mm) werden 30ml Methanol gegeben und mit einem Feuerzeug vorsichtig erwärmt, so dass die Temperatur ca. 40-50°C beträgt. Das erhitzte Methanol gießt man in einen Standzylinder. Danach hängt man einen zu einem Herz geformten und gewendelten Platindraht an einem Eisen- oder Stahldraht so in den Zylinder, dass das Herz nur weniger Millimeter über dem Methanol hängt. Man nimmt das Herz wieder heraus und erhitzt es mit der Feuerzeugflamme. Nun hängt man es zügig in den Zylinder. Kopf fernhalten! Während der Reaktion darf man auf keinen Fall Methanol nachgießen!
 
 
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Beobachtungen: Nach kurzer Zeit tritt eine lautstarke Verpuffung auf. Dann beginnt das Herz zu glühen und nach einer Weile entzündet sich das Methanol in einem kleinen, blauen Flämmchen erneut, das aber sofort wieder erlischt. Danach treten das Glühen des Herzes und das Entzünden des Methanols in abwechselnden Phasen auf.
 
Theorie: Für Schüler sind theoretischen Erklärungen zum Zeitpunkt der Versuchsdurchführung im Unterricht nur bedingt nachvollziehbar. Sie würden auch das Staunen der Schüler zerstören. Das Phänomen spricht für sich. Wollen Sie, lieber Leser, den poetischen Moment bei sich selbst vorerst noch wirken lassen, dann lesen Sie bitte die hier folgenden Erklärungsversuche später!
 
Im Standzylinder konkurrieren mehrere Systeme, die sich gegenseitig beeinflussen. Das Platinherz vermag Methanoldämpfe in einer endothermen Reaktion zu atomarem Wasserstoff (2 H) und Formaldehyd (HCHO) dehydrieren:
 
H3COH reagiert zu   HCHO  +  2 H    endotherm
 
Der atomare Wasserstoff wird durch das Platin sofort adsorbiert. Von oben gelangt Sauerstoff in den Zylinder und oxidiert den vorhandenen, atomaren Wasserstoff zu Wasser:

4 H  +  O2 reagiert zu   2 H2O   exotherm

Diese stark exotherme Reaktion liefert die Energie zum Glühen des Platinherzes bis über 1000°C. Das glühende Herz liefert auch Wärme zum weiteren Verdampfen von Methanol. Dadurch bildet sich ein explosives Methanol-Luft-Gemisch im Zylinder, das noch mit Formaldehyd angereichert ist. Das Gemisch wird durch das glühende Platin entzündet, so dass es zu einer kleinen Verpuffung kommt:

2 H3COH  +  3 O2 reagiert zu   2 CO2  +  4 H2O        exotherm
HCHO  +  O2 reagiert zu   CO2  +  H2O          exotherm

Die Zündtemperatur des Gemisches liegt bei etwa 455°C. In einer Oxidation entstehen bei dieser Verbrennung die Reaktionsprodukte Wasserdampf (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Zu Beginn der Demonstration beschlägt die Zylinderwand dabei noch mit Wasserdampf. Die Wand erwärmt sich zunehmend und der Beschlag bleibt aus. Die bei der Verpuffung entstehenden Gase bringen die Flamme schnell wieder zum Erlöschen. Die Gase entweichen durch das Verdampfen des Methanols, und der rhythmische Prozess beginnt von vorne.
 
Variationen
  • Welche Rolle spielt die Höhe des Herzes im Zylinder?
  • Glüht das Herz weiter, wenn man den Zylinder abdeckt?
  • Was passiert in kaltem Methanol, bzw. mit einem kalten Herz?
  • Funktioniert der Versuch auch mit anderen Metallen, z.B. mit Silber oder mit Kupfer?
Formen Sie eine eng gewendelte Silberdrahtspirale und probieren Sie den Versuch selbst aus! Welche Nachteile besitzen Silber- und Kupferspiralen?
 
 
Demonstration 5   Der aufgeschnittene Apfel
 
Herbsthauch
 
Herz, nun so alt und noch immer nicht klug,
Hoffst du von Tagen zu Tagen,
Was dir der blühende Frühling nicht trug,
Werde der Herbst dir noch tragen!
 
Lässt doch der spielende Wind nicht vom Strauch,
Immer zu schmeicheln, zu kosen,
Rosen entfaltet am Morgen sein Hauch,
Abends verstreut er die Rosen.
 
Lässt doch der spielende Wind nicht vom Strauch,
Bis er ihn völlig gelichtet.
Alles, o Herz, ist ein Wind und ein Hauch,
Was wir geliebt und gedichtet.
 
(Friedrich Rückert)
 
 
Nach dem Vorlesen dieses Gedichts zur Vergänglichkeit wird ein Apfel oder eine Birne in zwei Teile zerschnitten. Die eine Hälfte legt man in Wasser, dem noch 1 Teelöffel Vitamin C als Konservierungsstoff zugegeben wurde. Die andere liegt offen auf dem Tisch. Nach ein paar Minuten hat sich die Hälfte an der Luft deutlich braun gefärbt. Danach wird das Obst gegessen. Hinweis: Der Versuch gelingt am besten mit unbehandelten Äpfeln vom eigenen Baum, bzw. von einem Baum aus dem Schulgarten oder aus dem Bioladen.
  
 
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Birne nach dem Schneiden und nach wenigen Minuten
 
 
Beobachtung: Nach relativ kurzer Zeit färbt sich aufgeschnittenes Obst, sofern es nicht behandelt wurde, vor allem um das Kerngehäuse herum an der Luft braun. Hier wirken Stoffe im Apfel als Biokatalysatoren, die in Verbindung mit dem Luftsauerstoff wirksam werden. Bei den im Wasser mit Konservierungsstoff eingelegten Schnitzen findet der Prozess langsamer statt.
 
 
Variationen
  • Vergleich von (vorbehandelten) Äpfeln aus dem Supermarkt mit eigenen Äpfeln oder mit Äpfeln aus dem Bioladen.
  • Einlegen von Apfelschnitzen in Behälter mit Kohlenstoffdioxid oder mit reinem Sauerstoff.
  • Luftdichtes Einpacken der Schnitze in Folien.
  • Lagern der Schnitze im Kühlschrank, in Eis oder an der Wärme.
 
Demonstration 6   Elefantenzahnpasta
GefährdungsBU   nur auf Datenträger

Ohne Kommentar

Sicherheit: Das entstehende Produkt ist im Chemieunterricht als "Elefantenzahnpasta" bekannt.
Bei der Reaktion können ätzende Spritzer des Wasserstoffperoxids herumfliegen! Die Demonstration darf nur im Abzug in einer großen Wanne durchgeführt werden. Lehrkraft und Zuschauer müssen Schutzbrille, Schutzkittel und Schutzhandschuhe tragen!

Vorbereitung: Eine große Plastikwanne wird in den Abzug gestellt. Dann löst man 5g Kaliumiodid in 5g destilliertem Wasser
in einem 50ml-Becherglas auf. Der Inhalt des Becherglases wird in einen 50ml-Standzylinder gegeben. Dieser wird mit Geschirrspülmittel bis zu 10ml-Markierung aufgefüllt. Vor der eigentlichen Demonstrationen stellt man den präparierten Standzylinder in die Plastikwanne.

Durchführung: 30ml gekühlte Wasserstoffperoxid-Lösung 30% werden in ein ganz sauberes 50ml-Becherglas gegeben. Der Inhalt wird im laufenden Abzug zügig in den in der Wanne stehenden Standzylinder geschüttet.


Versuch Elefantenzahnpasta


Beobachtung:
Die Mischung färbt sich sofort bräunlich und steigt im Standzylinder hoch. Es entsteht ein gelber Schaum, der unter starker Volumenvergrößerung in der Wanne eine riesige Figur bildet. Nach einer Weile fällt der Schaum wieder zusammen.

Theorie: Die Iodid-Ionen I- im Kaliumiodid wirken als Katalysator. Das gesamte Wasserstoffperoxid wird in einer schnellen Reaktion in Wasser und Sauerstoff aufgespalten. Dabei entstehen als Zwischenprodukt Hypoiodit-Ionen IO-, die Sauerstoff freisetzen können:

I-  + 
H2O2  im Gleichgewicht zu   IO-  +  H2O
IO-  + 
H2O2  im Gleichgewicht zu   I-  +  H2O  +  O2

Die Reaktion verläuft unter Wärmeentwicklung stark exotherm, so dass die entstehenden, gasförmigen Reaktionsprodukte durch das Geschirrspülmittel zu einem gelben Schaum vermischt werden, dessen Volumen sich enorm vergrößert. Die gelbe Farbe im Schaum weist auf die Bildung von Iod hin:

H2O2  +  2 H3O+  +  2 I- 
reagiert zu   4 H2O  +  I2

Entsorgung: Der gelbe Schaum darf nicht im Abfluss entsorgt werden. Er wird zunächst in der Wanne stehen gelassen - bis er sich zurückbildet - und dann mit Wasser vermischt. Das Iod aus dem Schaum wird mit einer wässrigen Natriumthiosulfat-Lösung zum farblosen Iodid reduziert. Dieses kann man dann im Behälter für Schwermetallsalze entsorgen.


Literatur
  • R. Battino, T.M. Letcher, D.E.A. Rivett: J. Chem. Educ., 1993, 70, 1029
  • Brandl, H.: Trickkiste Chemie, Aulis-Verlag 2006
  • Glöckner/Jansen, u.a.: Handbuch der experimentellen Chemie Sekundarbereich II - Band 8: Kinetik, Katalyse, Gleichgewichte, Aulis-Verlag 2004
  • H.W. Roesky, K. Möckel: >Chemische Kabinettstücke, VCH-Verlag, 1994
  • S. Nick, I. Parchmann, R. Demuth: >Chemisches Feuerwerk, Aulis-Verlag, 2001
  • J. Zitt: Oszillierende Reaktion - Das glühende Herz, >Renate Zitt Experimentiergeräte, Jacobistraße 9, 79104 Freiburg (Bezugsquelle für das Platinherz)
 
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