Der Katalysator (von der Katalyse, griechisch κατάλυσις, katálysis - die Auflösung mit lateinischer Endung) ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herauf- oder Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Katalysatoren, die die Aktivierungsenergie herabsetzen, werden als positive Katalysatoren bezeichnet, solche, die die Aktivierungsenergie heraufsetzen, als negative Katalysatoren oder Inhibitoren.
Umgangssprachlich meint man mit Katalysator meist den Fahrzeugkatalysator, oft verkürzt als der Kat.
Wirkungsweise eines Katalysators: - liegt nach einer Reaktion unverändert vor || - beschleunigt/ verlangsamt eine Reaktion (verändert die Reaktionsgeschiwindigkeit) || - erhöht/verringert die Aktivierungsenergie || - wirkt selektiv (bestimme Reaktionen haben bestimmte Katalysatoren)
Weitere Fachbegriffe zum Thema Katalysator: Katalyse, Autokatalyse, homogene Katalyse, heterogene Katalyse, Katalysatorgift und Biokatalysator.
Geschichte
Seit der Antike werden chemische Reaktionen mit Hilfe von Katalysatoren ausgeführt. Erst Jöns Jakob Berzelius kam 1835 zu der Erkenntnis, dass eine Vielzahl von Reaktionen nur dann erfolgte, wenn ein bestimmter Stoff zugegen war, der jedoch nicht verbraucht wurde. Seiner Meinung nach wurden diese Stoffe nicht umgesetzt, lieferten jedoch durch ihre Anwesenheit die Energie über ihre katalytische Kraft. Er bezeichnete diese Stoffe als Katalysatoren.
In der Folgezeit gelang es, tieferes Verständnis für die thermodynamischen Hintergründe der Katalyse zu gewinnen. Wilhelm Ostwald definierte den Katalysator wie folgt:
"Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden und ohne die endgültige Lage des thermodynamischen Gleichgewichts dieser Reaktion zu verändern."
Für seine Arbeiten um die Katalyse erhielt Wilhelm Ostwald 1909 den Nobelpreis für Chemie.
Chemie
Die Wirkungsweise eines Katalysators beruht auf seiner Möglichkeit, den Mechanismus einer chemischen Reaktion derart zu verändern, dass die Aktivierungsenergie herabgesetzt wird. Man "geht einen anderen Weg" auf der Energie-Hyperpotentialfläche. Dieses geschieht über die Bildung einer reaktiven Zwischenverbindung (auch aktivierter Komplex) und die weitere Abreaktion zu den Endprodukten, wobei der eingesetzte Katalysator zurückgebildet wird. In der Praxis werden allerdings Katalysatoren durch Nebenreaktionen nach einiger Zeit des Gebrauchs unwirksam, da sie durch Nebenprodukte blockiert werden. Die folgende Grafik (Arrhenius-Diagramm) ergibt sich als Schnitt durch die Energie-Hyperpotentialfläche.
In der Grafik gibt die obere Kurve die Reaktion
wieder. Die Aktivierungsenergie wird mit bezeichnet. Die untere Kurve zeigt den Energieverlauf der durch katalysierten Reaktion. Hier wird über einen Übergangszustand (1. Maximum) ein Minimum erreicht, welches der Enthalpie der Verbindung entspricht.
Über einen weiteren Übergangszustand wird das Produkt erreicht, wobei der Katalysator zurückgebildet wird.
Die mit bezeichnete Aktivierungsenergie der katalysierten Reaktion ist deutlich geringer.
Als Beispiel kann die katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff angeführt werden. Diese Verbrennung ist thermodynamisch so günstig, dass sie prinzipiell "freiwillig" ablaufen sollte, jedoch aufgrund der bei Zimmertemperatur hohen Aktivierungsenergie so stark gehemmt ist, dass die Reaktionsgeschwindigkeit sehr gering ist. Die Anwesenheit eines Platinkatalysators kann diese Aktivierungsenergie derart erniedrigen, dass diese Reaktion dann hinreichend schnell auch bei niedrigeren Temperaturen abläuft. Eine Anwendung dafür war das döbereinersche Feuerzeug.
Bei Gleichgewichtsreaktionen verändert ein Katalysator Hin- und Rückreaktion auf die gleiche Weise, so dass die Lage des Gleichgewichts nicht verändert wird, das Gleichgewicht sich aber schneller einstellt.
Bedeutung der Katalysatoren
Neben der Bedeutung von Katalysatoren in der chemischen Industrie sind sie für das Leben (Photosynthese, Atmung, Nahrungsmittelverwertung usw.) notwendig. Man spricht dabei anstatt von Katalysatoren von Enzymen.
Die Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch positive Katalysatoren ist bei chemischen Reaktionen aber auch von großer kommerzieller Bedeutung. Hier begünstigt das Vorhandensein eines Stoffes (Katalysator) eine andere chemische Reaktion wesentlich, ohne dass der Stoff selbst dabei verbraucht wird. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die jeweilige chemische Reaktion sehr viel langsamer erfolgen. Deshalb sind Katalysatoren heutzutage kaum noch aus der Chemietechnik wegzudenken. Derzeit wird geschätzt, dass etwa 80% aller chemischen Erzeugnisse eine katalytische Stufe in ihrer Wertschöpfungskette durchlaufen.
Entstehen bei Reaktionen mehrere Produkte, spielt die Selektivität eines Katalysators eine sehr wichtige Rolle. Dabei wird der Katalysator so gewählt, dass nur diejenige Reaktion beschleunigt wird, die das erwünschte Produkt erzielt. Verunreinigungen durch Nebenprodukte werden so weitgehend vermieden.
Aus der Sicht des Umweltschutzes wird durch den Einsatz von selektiven und aktiven Katalysatoren in der Regel Energie eingespart und die Menge an Nebenprodukten reduziert. Nicht minder bedeutsam für unsere Umwelt ist aber auch die Abgasnachbehandlung in der industriellen Produktion oder in Elektrizitätswerken. Im Falle der abgaskatalytischen Verfahren (z.B. in den PKW) werden unvermeidbare, gefährliche Substanzen in weniger gefährliche umgesetzt.
Beispiel: Im Autoabgaskatalysator reagiert das Atemgift Kohlenstoffmonoxid (CO) mit Sauerstoff (O2) zum Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2).
Auch die Inhibitoren haben in der chemischen Industrie eine gewisse Bedeutung erlangt, indem sie eingesetzt werden, wenn eine normalerweise explosionsartig verlaufende Reaktion industriell genutzt und kontrolliert werden muss (Beispiel: die Polymerisation von Metaldehyd aus Acetaldehyd) oder wenn ein bestimmtes Nebenprodukt ausgeschlossen werden soll. Auch im Bereich des Rostschutzes werden Inhibitoren eingesetzt.
Beispiele für Katalysatoren
Cereisen (Ammoniaksynthese), Raney-Nickel, Platin, Rhodium, Palladium, Vanadiumpentoxid und Samariumoxid katalysiert die Hydrierung und Dehydrierung von Ethanol.
Fahrzeugkatalysator: Bekanntestes Beispiel ist dieser Katalysator im Automobil zur Reduktion der Abgasemission, bei dem das ganze Gerät nach dem chemisch wirksamen Prinzip benannt ist.
Wichtige katalytische Verfahren
| Verfahren | Produkt | Katalysator | Bedingung | Reaktor |
| Ammoniaksynthese | NH3 | α-Eisen/Al2O3 | T = 450-500 °C; p = 25-40 MPa | Festbettreaktor |
| Methanolsynthese | CH3OH | CuO/Cr2O3 oder ZnO/Cr2O3 | T = 230-280 °C; p = 6 MPa | Festbettreaktor |
| Schwefelsäureherst. | H2SO4 | V2O5/Träger | T = 400-500 °C | Festbettreaktor |
| Salpetersäureherst. (Ostwaldverfahren) | HNO3 | Platin/Rhodium | T = 800 °C |
Siehe auch Katalyse, Autokatalyse, homogene Katalyse, heterogene Katalyse, Katalysatorgift, Biokatalysator, Enzyme