Katalysator

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst, ohne dabei verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herauf- oder Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Katalysatoren, die die Aktivierungsenergie herabsetzen werden als positive Katalysatoren bezeichnet, welche die die Aktivierungsenergie heraufsetzen als negative Katalysatoren oder Inhibitoren.

Weitere Fachbegriffe zum Thema Katalysator: Autokatalyse, homogene Katalyse, heterogene Katalyse, Katalysatorgift und Biokatalysatoren

Geschichte

Seit der Antike wurden chemische Reaktionen mit Hilfe von Katalysatoren ausgeführt. Erst Jöns Jakob Berzelius kam 1835 zu der Erkenntnis, daß eine Vielzahl von Reaktionen nur dann erfolgten, 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 (griech. Auslösung).

In der Folgezeit gelang es ein näheres 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 Aktivierungsenthalpie herabgesetzt wird. Dieses geschieht über die Bildung einer reaktiven Zwischenverbindung (auch aktivierter Komplex) und die weitere Abreaktion zu den Endprodukten, wobei der eingesetzte Katalysator zuückgebildet wird.

Datei:Katreak2.png

In der Grafik gibt die obere Kurve die Reaktion

$A+B\rightarrow AB$

wieder. Die Aktivierungsenergie wird mit $A_{U}$ bezeichnet. Die untere Kurve zeigt den Energieverlauf der durch $C$ katalysierten Reaktion. Hier wird über einen Übergangszustand (1. Maxima) ein Minima erreicht, welches der Verbindung $AC$ entpspricht.

$A+C\rightarrow AC$

Über einen weiteren Übergangszustand wird das Produkt $AB$ erreicht, wobei der Katalysator $C$ zurückgebildet wird.

$B+AC\rightarrow AB+C$

Die mit $A_{C}$ bezeichnete Aktivierungsenergie der katalysierten Reaktion ist deutlich geringer.

Die Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch positive Katalysatoren ist bei chemischen Reaktionen von großer kommerzieller Bedeutung. Hier begünstigt das Vorhandensein eines Stoffes (Katalysator) eine andere chemische Reaktion wesentlich, ohne dass der Stoff selbst dabei letztlich verbraucht wird. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die jeweilige chemische Reaktion sehr viel langsamer erfolgen. Katalysatoren sind nicht nur in der chemischen Industrie von Bedeutung sondern auch bei der Nahrungsverarbeitung (Enzyme). Die Inhibtoren haben dagegen keine kommerzielle Bedeutung.

Bedeutung der Katalysatoren

Katalysatoren sind heutzutage kaum noch aus dem Leben wegzudenken. Ohne sie wären viele Reaktionen mit für Mensch und Natur schädlichen Abgasen verbunden, oder ein sehr hoher Energieverbrauch vonnöten. Trotzdem wandelt ein Katalysator häufig nur schädliche Stoffe in weniger schädliche Stoffe um. Auch führt die Benutzung von Autokatalysatoren zu einer Verunreinigung der Erde durch Platin(siehe:externe Links).

Beispiel: Im Autokatalysator reagiert das Atemgift Kohlenstoffmonoxid (CO) mit Sauerstoff (O₂) zum Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO₂).

Beispiele für Katalysatoren

Cereisen (Ammoniaksynthese), Platin, Rhodium, Palladium, Divanadiumpentoxid und Samariumoxid katalysiert die Hydrierung und Dehydrierung von Ethanol.

Fahrzeugkatalysator Bekanntestes Beispiel ist der Katalysator im Automobil zur Reduktion der Abgasemission, bei dem das ganze Gerät nach der chemisch wirksamen Substanz benannt ist.

Wichtige Katalytische Verfahren

Verfahren	Produkt	Katalysator	Bedingung	Reaktor
Ammoniaksynthese	NH3	Fe3O3/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