Modellversuche zum Autoabgas-Katalysator
Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.
Die in den sog. 3-Wege-KatAutos angewandten Verfahren
zur Abgasentgiftung sind katalysierte Nachverbrennungen. Dabei
werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CH) und Kohlenstoffmonooxid (CO)
mit Stickoxiden (NOx) bzw. mit Rest-Sauerstoff in drei Reaktionswegen
zu Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff umgesetzt; z. B.:
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CO2 / |
Geräte
3 Kolbenprober, Verbrennungsrohr (Quarz) mit möglichst
geringem Durchmesser, Platinnetz, Brenner, 2 durchbohrte Stopfen
mit Glasrohren, Schlauchverbindungen, weißer Hintergrund,
Schutzbrille.
Chemikalien
Bleinitrat (O, T), Kohlenstoffmonooxid (F, T) (Herstellung
durch Einwirken von konz. Schwefelsäure (C) auf Ameisensäure
(C) oder Natriumformiat (Xi)), Erdgas (F) aus der Stadtgasleitung,
Bariumhydroxid (filtrierte, gesättigte Lösung) (C).
Versuchsaufbau zur katalytischen Nachverbrennung
(Quelle: Cornelsen)
Darstellung von Stickstoffdioxid (Abzug)
Dieses Gas enthält herstellungsbedingt den für den dritten
Weg nötigen Sauerstoff.
Pb(NO3)2 ————> PbO + 2 NO2
+ O2
Man erhitzt ein Reagenzglas mit etwas Bleinitrat. Wenn die rotbraunen
Dämpfe austreten, schließt man einen trockenen Kolbenprober
an und füllt ihn mit dem Gas. Während das Gas den Kolben
herausschiebt, muss dieser leicht gedreht werden, damit er sich
nicht festsetzt.
Das benutzte Glas wird in die Sammlung gestellt; es kann jederzeit
wieder zur Herstellung von Stickstoffdioxid genutzt werden.
Sicherheitshinweise
Obgleich wir bei diesem oftmals
wiederholten Versuch noch nie eine Explosion erlebt haben, sollte
eine Schutzbrille für den Experimentator unerläßlich
sein!
Vorsicht beim Abfüllen von Methan aus der Gasleitung in
die Kolbenprober, da der hohe Gasdruck den Kolben rasch heraustreibt!
Durchführung
Man füllt in zwei Kolbenprober erst 10 ml Stickoxid, dann
90 ml Kohlenstoffmonooxid (bzw. Methan).
Der zweite Kolbenprober wird zur Seite gelegt, er dient als Vergleich.
Man baut die Apparatur wie in Bild 1 gezeigt zusammen. Die Edelmetallnetze
sind kurz vor dem Versuch auszuglühen,
um die Aktivierungsenergie zusätzlich zu reduzieren.
Nun erhitzt man den Katalysator so lange, bis er an einer Stelle schwach glüht
und leitet dann langsam das Gasgemisch darüber. Längs
des Netzes, welches hell aufglüht, beobachtet man die Entfärbung
des Gasgemisches. Eine vollständige Umsetzung ist
wie ja auch in der Technik nicht zu erreichen. Deshalb
bleibt die Gasphase im Allgemeinen ein wenig gelblich verfärbt.
Oftmals kann man auch eine wandernde Flammenfront beobachten,
deshalb etwas abdunkeln. Nach mehrmaligem Hin und Herschieben
ist die Reaktion beendet. Beim Einsatz von Methan anstelle von
Kohlenstoffmonooxid erhält man zusätzlich Kondenswasser.
Die Volumenabnahme beträgt im Allgemeinen 10 %.
Die Abgase werden nach der Reaktion zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid
in eine Lösung von Bariumhydroxid geleitet.
Hinweis
Es empfiehlt sich, den Schülern einen gebrauchten Abgaskatalysator aus dem Auto zu
zeigen. Den bekommt man in Werkstätten. Man schneidet das Gefäß auf und sieht
das Wabensystem aus Keramik.
Die Keramik, die den feinverteilten Abgaskatalysator trägt, dient u.a. auch zur
kurzfristigen Absorption des reagierenden Gases. Deshalb geht der Modellversuch
zum Abgaskatalysator nicht mit Perlkatalysator oder mit dem Stück eines gebrauchten
Katalysators aus dem Auto. Hier wird nur eine Reaktion vorgetäuscht. Erhitzt man den
Katalysator wieder, können die Stickoxide unverändert austreten. Dies kann man gut
mit dem Perlkatalysator zeigen.
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Der folgende Versuch verdeutlicht die Reversibilität der Adsorption.
Zusatzversuch: Adsorption von Stickoxiden an keramischem Material
Schülerversuch, 10 min.
Geräte
Dreifuß mit Keramikdrahtnetz, Brenner, Weithals-Erlenmeyerkolben (500 ml) mit
passendem Gummistopfen, Wattebausch, Kolbenprober.
Chemikalien
Stickstoffdioxid (T), kleine Stückchen von Majolika-Geschirr oder Bisquit-Porzellan.
Kein hochgebranntes oder glasiertes Material nehmen, da dies nicht adsorbiert.
Durchführung
In den Erlenmeyerkolben gibt man etwa 50 g Stückchen des keramischen Materials
und füllt 50 ml Stickoxid ein. Man verschließt mit dem Gummistopfen und schüttelt das
Gefäß einige Minuten lang. Die Gasphase hellt sich auf. Man bläst das überschüssige
Stickoxid ab (Abzug!).
Nun wird der Gummistopfen entfernt und stattdessen der Erlenmeyerkolben mit dem
Wattebausch verschlossen. Man erhitzt das Gefäß über der Brennerflamme kräftig
einige Minuten lang. Die Gasphase färbt sich wieder braun.
Hinweis
Der Versuch kann am Arbeitsplatz gemacht werden.
