Katalyse

Als Katalyse (griechisch κατάλυσις, katálysis - die Auflösung, Abschaffung, Aufhebung, wird eine chemische Reaktion unter Beteiligung eines Katalysators bezeichnet.

Der Begriff hat seinen Ursprung in dem schon früh beobachteten Effekt, daß die bloße Anwesenheit eines Stoffes bestimmte Reaktionen ermöglicht.

Katalysator

Ein Katalysator ist ein Stoff, der an einer chemischen Reaktion beteiligt ist ohne dabei verbraucht zu werden. Der Katalysator beschleunigt eine Reaktion, bzw. setzt die notwendige Aktivierungsenergie herab, so daß eine Reaktion z.B. bei niedrigeren Temperaturen stattfindet. Viele Reaktionen sind überhaupt erst durch einen Katalysator möglich, weil ohne Katalysator die Reaktion extrem langsam (z.B.) in einigen Millionen Jahren ablaufen würde oder bei der zur Reaktion ohne Katalysator notwendigen Temperatur das thermodynamische Gleichgewicht auf der Seite der Ausgangsstoffe liegt.

Einteilung

Es wird grundlegend zwischen heterogener Katalyse und homogener Katalyse unterschieden.

Als heterogene Katalyse werden die Reaktionen bezeichnet, bei denen sich der Katalysator und die Ausgangsstoffe der Reaktion in unterschiedlichen Aggregatzuständen befinden. (Z.B. in Erdölraffinerien, wenn das aufgeheizte Erdöl im Gaszustand mit festen Katalysatoren sog. Kontakten reagiert oder im Fahrzeugkatalysator bei dem die gasförmigen Verbrennungsprodukte an einem Feststoff zu weniger giftigen Abgasen reagieren).

Bei der homogenen Katalyse befinden sich sowohl die Ausgangsstoffe als auch der Katalysator im gleichen Aggregatzustand. Vielfach handelt es sich dabei um Reaktionen mit flüssigen Ausgangsstoffen, bei denen z. B. eine katalytisch wirkende Säure als Flüssigkeit hinzugegeben wird.

Reaktionsmechanismus

Eine einfache chemische Reaktion A + B -> AB kann z.B. folgendermaßen durch einen Katalysator "K" beeinflusst werden. A + K -> AK ... AK + B -> AB + K Hiermit ist einfach erklärt, daß entgegen der Vermutung aus der Frühgeschichte der Chemie nicht nur die Anwesenheit eines Katalysators die Reaktion beeinflusst, sondern der Katalysator tatsächlich an der Reaktion beteilligt ist, auch wenn er hinterher unverändert vorliegt.

Tatsächlich existieren sehr viele unterschiedliche Mechanismen bei katalytischen Reaktionen.

Bei monomolekularen Reaktionen zerfällt z.B. einfach das Edukt an der Katalysatoroberfläche. Bei bimolekularen Reaktionen sind zwei Mechanismen denkbar:

1. Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus

Beim Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus werden zunächst beide Edukte von der Katalysatoroberfläche adsorbiert.

Ag -> Aads
Bg -> Bads

Anschließend reagieren die adsorbierten Edukte auf der Katalysatoroberfläche:

Aads + Bads -> Cads

Im letzten Schritt desorbiert das Produkt

Cads -> Cg

2. Eley-Rideal-Mechanismus

Beim Eley-Rideal-Mechanismus wird zunächst nur ein Edukt von der Katalysatoroberfläche adsorbiert.

Ag -> Aads

Anschließend reagieren die adsorbierten Edukte mit dem noch freien Edukt:

Aads + Bg -> Cads

Im letzten Schritt desorbiert wieder das Produkt.

Cads -> Cg

Einige typische Beispiele für Katalyse-Vorgänge

• Die katalytishe Aufspaltung (Cracking) von Erdöl zu Benzinprodukten in Erdölraffinerien.
• Reduktion von Stickoxiden aus den Motorabgasen im Platin-Katalysator von Kraftfahrzeugen
• Die Ammoniak-Synthese
• Oxidation von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in Brennstoffzellen
• Verbrennung von Zucker mit Hilfe von Zigarettenasche (ein beliebter Zaubertrick)
• Nahezu alle biochemischen Vorgänge werden durch Enzyme katalysiert.

Siehe auch Katalysator, Autokatalyse, homogene Katalyse, heterogene Katalyse, Katalysatorgift, Biokatalysator, Photokatalyse Media:Wikipedia.de

Weblinks:

• http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/katalyse2/katalyse2.htm - Vortrag Prinzipien der Katalyse