Katalyse

Es werden verschiedene Versuchsreihen zum Thema Katalyse angeboten. Als synthetischer Katalysator wird Braunstein eingesetzt, der den kinetisch gehemmten Zerfall von Wasserstoffperoxid eindrucksvoll katalysiert.

Am Beispiel von Stärke wird die Hydrolyse der Glycosidbindungen unkatalysiert, chemisch katalysiert (d. h. mit Säure) und enzymatisch katalysiert verglichen. Der Erhalt des Katalysators sowie die Bildung von Abbauprodukten (reduzierende Zucker) wird  nachgewiesen. Zusätzlich kann der Einfluss der Reaktionsbedingungen überprüft werden, z. B. der Temperatur, die sich auf die chemische und enzymatische Katalyse unterschiedlich auswirkt. Es bestehen Ergänzungsmöglichkeiten aus den Projektbereichen „Makromoleküle (z.B. enzymatischer Aufbau von Stärke).

Ein Flyer gibt eine Übersicht über das Thema „Katalyse“.

Geeignet für Sek I (HRS, RS, IGS, Gym)

Biologie, Klasse 8

(Stoffwechsel und Energieumwandlung beim Menschen, Ernährung und Verdauung: Die Zerlegung der Nährstoffe durch Enzyme, ggf. im Rahmen eines Wahlpflichtkurses (WPK) Biologie/Chemie, Klasse 8 möglich, parallel zum Kernunterircht mit dem Thema "Ernährung")

WPK Chemie, Klasse 10

(Biochemie: Nährstoffe/Verdauung)

Chemie / Technik, Klasse 10

(Energieprofile, Kinetik, Aktivierungsenergie, Prinzip der Katalyse, Autoabgaskatalysator, Katalysatoren als Beitrag der Chemie zur Senkung des Energieverbrauchs, Katalysatoren für die gezielte Lenkung von chemischen Prozessen)

Bezüge zu
  → Kompostierung, Bioabbaubarkeit
  → Biosynthese
  → Energie
  → Umwelt

Im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projektes „Nachhaltige Chemie im Agnes-Pockels-SchülerInnen-Labor – Neue pädagogische Angebote zu Stoffkreisläufen und Ressourcenschonung“ haben wir in enger Zusammenarbeit mit der RS Maschstraße u. a. Experimente zum Thema „Katalyse“ entwickelt. Katalysatoren erlauben es, Reaktionen unter milderen Bedingungen ablaufen zu lassen und dienen somit der Energieeinsparung. Enzyme als Biokatalysatoren besitzen i.d.R. eine besondere Spezifität und Selektivität und ermöglichen dadurch gezielte, auch stereoselektiv verlaufende Umsetzungen.

Reaktanten müssen immer einen Energieberg überwinden, selbst wenn die Reaktion exotherm, also energetisch bergab verläuft. Dieser „Zaun“, der verhindert, dass Stoffe unkontrolliert reagieren, nicht einfach den Berg hinab stürzen, ermöglicht es, chemische Energie in Gegenwart von potenziellen Reaktionspartnern zu speichern. Holz verbrennt nicht einfach an der Luft.

Das ist die gute Nachricht, aber  es bedeutet auch, dass man Energie aufbringen muss, um die Reaktanten „über den Zaun zu heben“. Um diesen Energiebedarf zu senken, kann man einen Katalysator einsetzen. Der Katalysator gibt „Hilfestellung“ oder wirkt wie ein Treppchen, vor dem Zaun. Dieses Prinzip soll durch die Versuche deutlich werden.

Die Versuche zum Thema Nachhaltigkeit wurden zwischen 2010 und 2012 in enger Zusammenarbeit mit den FachlehrerInnen der RS Maschstraße entwickelt und erprobt.

Versuche zum Katalysatorprinzip/-eigenschaften

  → Braunstein als Katalysator
  → Nachweis des gebildeten Sauerstoffs (Glimmspanprobe)

Versuche zur Hydrolyse von Stärke
(Einsatz verschiedener Katalysatoren für eine Reaktion)
   → Nachweis von Stärke
  → Nachweis von reduzierenden Zuckern (Glucose, Maltose)
  → Kochen von Stärke in Wasser (ohne Katalysator)
  → Behandeln von Stärke mit wässriger Mineralsäure (H⁺ als Katalysator)
  → Behandeln von Stärke mit Pankreatin und Speichel (enzymatische
   →Hydrolyse, Enzym als Biokatalysator)

Welche Rolle spielen die Reaktionsbedingungen?

  → Einfluss der Temperatur auf die saure Hydrolyse
  → Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität
  → Einfluss des pH-Wertes auf die Enzymaktivität

Katalyse

Katalyse-Lehrerinfo