Abgaskatalysator einfach erklärt: Funktion & Reaktionen

Hast du schon einmal hinter einem laufenden Auto gestanden und die Abgase gerochen? Ein Auto verbrennt Benzin, um zu fahren, aber dabei entsteht leider nicht nur Bewegung, sondern auch eine Menge unsichtbarer, giftiger Schmutz.

In diesem Artikel lernen wir, welche gefährlichen Gase tief im Inneren des Motors entstehen. Vor allem aber schauen wir uns an, wie ein geniales Bauteil – der Abgaskatalysator in Kraftfahrzeugen – das Auto in eine chemische Reinigungsanlage verwandelt, die diese Gifte unschädlich macht, bevor sie in unsere Umwelt gelangen.

Vorwissen

• Vollständige Verbrennung: Findet statt, wenn ein Stoff mit ausreichend Sauerstoff reagiert. Beispiel: Kohlenstoff verbrennt mit viel Sauerstoff zu harmlosem Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$).
• Zusammensetzung der Luft: Die Luft, die wir atmen (und die der Motor ansaugt), besteht nicht nur aus Sauerstoff. Beispiel: Unsere Atemluft besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff ($\text{N}_2$) und zu 21 % aus Sauerstoff ($\text{O}_2$).
• Katalysator: Ein chemischer Helfer. Beispiel: Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Er ist wie ein Werkzeug, das man immer wieder benutzen kann.

Aufgabentyp 1: Entgiftungsreaktionen im Drei-Wege-Katalysator aufstellen

Im Inneren eines Automotors wird Benzin verbrannt. Benzin besteht aus Kohlenwasserstoffen. Wenn alles perfekt liefe, würden diese mit dem Sauerstoff aus der Luft nur zu harmlosem Kohlenstoffdioxid und Wasser verbrennen. Aber der Motor hat zwei große Probleme:

Erstens: Sauerstoffmangel. Oft ist nicht genug Sauerstoff im Motorzylinder vorhanden. Das führt zu einer unvollständigen Verbrennung. Dabei entsteht das sehr giftige Gas Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$). Außerdem verbrennt das Benzin nicht komplett, sodass unverbrannte Kohlenwasserstoffe als giftiger Dampf übrig bleiben.

Zweitens: Extreme Hitze. Im Motor wird es über 2000 °C heiß! Bei diesen enormen Temperaturen passiert etwas Unerwartetes mit der Luft, die der Motor ansaugt. Der normalerweise völlig harmlose Stickstoff ($\text{N}_2$) aus der Luft reagiert plötzlich mit dem Sauerstoff ($\text{O}_2$). Dabei entstehen giftige Stickstoffoxide (oft als $\text{NO}_x$ abgekürzt).

Zusammenfassend verlassen also drei Hauptschadstoffe den Motor: Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide.

Um zu verhindern, dass diese giftigen Stoffe in unsere Atemluft gelangen, ist im Auspuffrohr ein sogenannter Drei-Wege-Katalysator eingebaut. Er heißt so, weil er sich um genau diese drei Schadstoffe gleichzeitig kümmert.

Im Inneren sieht der Katalysator aus wie ein Schwamm oder eine Bienenwabe aus Keramik. Das Besondere daran ist die Beschichtung: Die Waben sind mit einer hauchdünnen Schicht aus wertvollen Edelmetallen überzogen, nämlich Platin, Palladium und Rhodium. Es werden insgesamt nur etwa 2 bis 3 Gramm davon benötigt!

Wenn die heißen, giftigen Abgase durch diese Waben strömen, wirken die Edelmetalle als chemische Helfer. Sie zwingen die Schadstoffe, miteinander zu reagieren und sich umzubauen:

• Das giftige Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$) schnappt sich weiteren Sauerstoff und wird zu harmlosem Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$).
• Die giftigen Stickstoffoxide ($\text{NO}_x$) werden in harmlosen Stickstoff ($\text{N}_2$) und Sauerstoff zerlegt.
• Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe verbrennen restlos zu Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) und Kohlenstoffdioxid.

Am Ende kommen also fast nur noch natürliche, ungiftige Gase aus dem Auspuff!

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung die chemischen Reaktionen im Katalysator aufschreiben sollst, folge diesem Plan:

1. Identifiziere die giftigen Ausgangsstoffe: Schreibe die Schadstoffe auf die linke Seite des Reaktionspfeils. Das sind meist Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$), Stickstoffmonoxid ($\text{NO}$) oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (z. B. Hexan, $\text{C}_6\text{H}_{14}$) zusammen mit Sauerstoff ($\text{O}_2$).
2. Bestimme die harmlosen Produkte: Überlege, in was sich die Stoffe verwandeln, und schreibe sie auf die rechte Seite. Aus $\text{C}$ und $\text{O}$ wird immer Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$). Aus $\text{H}$ wird immer Wasser ($\text{H}_2\text{O}$). Aus $\text{N}$ wird immer elementarer Stickstoff ($\text{N}_2$).
3. Gleiche die Reaktionsgleichung aus: Zähle die Atome jeder Sorte auf beiden Seiten. Setze große Zahlen (Koeffizienten) vor die Moleküle, bis auf beiden Seiten gleich viele Atome einer Sorte stehen.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Schadstoffe: Im Motor entstehen durch unvollständige Verbrennung und hohe Hitze giftiges Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$), Stickstoffoxide ($\text{NO}_x$) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.
• Katalysator-Aufbau: Er besteht aus einer Keramikwabe, die mit den Edelmetallen Platin, Palladium und Rhodium beschichtet ist.
• Entgiftung: Der Katalysator wandelt die drei Schadstoffe in harmlose Naturstoffe um: Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$), Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) und Stickstoff ($\text{N}_2$).