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Reinigungsmechanismus für Verbrennungsmotoren siehe Artikel Drei-Wege-Katalysator
EIN Katalysator ist eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer bestimmten . erhöht chemische Reaktion beeinflussen, ohne selbst verzehrt zu werden. Ein Katalysator erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, indem er die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion senkt. Es erhöht die Geschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion gleichmäßig und verändert nicht die Thermodynamik, sondern die Kinetik chemischer Reaktionen.
In einigen Fällen kommt es zu einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit - dies wird als negativer katalytischer Effekt bezeichnet. Manchmal ist es praktisch unmöglich, Reaktionen ohne Katalysator durchzuführen: Die Aktivierungsenergie ist dann so hoch, dass es ohne Katalysator Jahrhunderte dauern würde, bis die Gleichgewichtszustand ist erreicht.
Die Funktion eines Katalysators beruht darauf, dass ein anderer Weg geöffnet wird, auf dem die Reaktion abläuft. Anstatt zu versuchen, die Reaktion direkt ablaufen zu lassen, werden (andere) Zwischenstufen gebildet, bei denen die einzelnen Energiebarrieren niedriger sind als die ursprünglichen.
Katalysatoren können in zwei Typen unterteilt werden: homogene und heterogene Katalysatoren. Homogene Katalysatoren befinden sich in der Reaktionsmischung und in derselben Phase wie die Reaktanten. Heterogene Katalysatoren sind dagegen nicht Bestandteil des Reaktionsgemisches, sondern bilden eine separate Phase, die mit dem Reaktionsgemisch in Kontakt gebracht wird. Dies kann aber auch ein Pulver sein, das in einer Flüssigkeit schwimmt.
Homogener Katalysator
Homogenkatalysatoren sind Katalysatoren, die sich in der gleichen Phase wie die Reaktanten befinden. Bei homogenen Katalysatoren handelt es sich meist um Metallkomplexe, die in einem flüssigen Gemisch gelöst sind, das auch die Reaktanten (als Lösungsmittel oder darin gelöst) enthält. Die Wirkung dieser Metallkomplexe kann durch die Einstellung der . beeinflusst werden Liganden an das Metallzentrum gebunden.
Ein Beispiel hierfür ist die Zersetzung von Ameisensäure, die Reaktion wird durch konzentrierte Schwefelsäure katalysiert.
Operation
Vor-und Nachteile
Ein wichtiger Vorteil eines homogenen Katalysators ist, dass er immer in gutem Kontakt mit dem Reaktionspartner. Ist dagegen eine Wiederverwendung des Katalysators erwünscht, muss dieser später aus der fertigen Mischung zurückgewonnen werden.
Biologische Katalysatoren
Katalysatoren kommen auch in lebenden Organismen vor.
- mRNA und tRNA sind an der Herstellung von Protein unverzichtbare Katalysatoren. mRNA ist der Bauplan und tRNA beschreibt, wie die Zeichnung zu lesen ist.
- Einige Proteine dienen dann als Katalysator für einen anderen Prozess. Dieser heißt Enzyme und Hormone. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Verbrennung von Kohlenwasserstoffe bei Raumtemperatur. Obwohl es energetisch günstig ist, dass Zucker mit Sauerstoff, dies geschieht nicht, weil die Energiebarriere zu hoch ist. In dem menschlicher Körper wird Zucker jedoch verbrannt, verwenden organisch Katalysatoren: Enzyme.
Heterogener Katalysator
Ein heterogener Katalysator ist ein Katalysator, der sich in einer anderen Phase befindet als der Reaktionspartner. Der Katalysator ist dann ein Feststoff und die Reaktanden liegen in einem flüssigen oder gasförmigen Gemisch (als Hauptkomponente oder gelöst) vor. Die heterogene Katalyse wird hauptsächlich in großtechnischen chemischen Produktionsprozessen wie der Synthese von Ammoniak von Wasserstoff- und Stickstoffgas, wird aber z. B. auch in der Dreiwege-Katalysator im Abgassystem von a Benzin- oder Dieselmotor.
Operation
Da heterogene Katalysatoren im Gegensatz zu homogenen Katalysatoren Feststoffe sind, haben sie a Oberfläche. Es ist (ein Teil) dieser Oberfläche, die letztendlich den Katalysator bildet und nicht ein einzelnes einzelnes Atom oder Atomkomplex. Zuerst werden die Reaktanden an der Oberfläche adsorbiert, dann findet eine Umlagerung der Molekülbindungen auf dieser Oberfläche statt und das/die Produkt(e) verlassen (verlassen) schließlich die Oberfläche.
Vor-und Nachteile
Im Gegensatz zu homogenen Katalysatoren lassen sich heterogene Katalysatoren sehr leicht zur Wiederverwendung zurückgewinnen, jedoch ist oft viel Forschung nötig, um langfristig einen ausreichenden Kontakt zwischen Katalysator und Reaktionsmischung zu gewährleisten.
Ein heterogener Katalysator eignet sich sehr gut für einen kontinuierlichen Prozess: Er kann stationärer Teil einer Reaktionsumgebung sein, während die Reaktanten und Produkte durch den Reaktor strömen. Ein Beispiel dafür ist der Katalysator, der Wagens zum Reinigen Abgase wird eingesetzt. Hier entsteht das Abgas, das teilweise aus unverbranntem Kohlenwasserstoffe besteht aus einem Keramikblock mit vielen Kanälen, die innen beschichtet sind Platin und Palladium Versteckt sein. Diese Metalle dienen als Katalysatoren, die bei Betriebstemperaturen zwischen 300 und 850 °C unverbrannten Kraftstoff erzeugen Treibstoff und unerwünschte Produkte wie Kohlenmonoxid oxidiert zu Kohlendioxid, und Stickoxide reduziert sich zu Distickstoff und Wasser. Zugabe von Tetraethylblei auf den Kraftstoff stört den Betrieb des Katalysators ernsthaft. Die gebräuchliche Bezeichnung für den Abgasreinigungskatalysator lautet Dreiwege-Katalysator.
So funktioniert ein Katalysator
Die Anwesenheit eines Katalysators beschleunigt eine Reaktion. Konzentration, Druck oder Temperatur werden jedoch nicht erhöht. Der Effekt lässt sich damit erklären, dass ein Katalysator K die Aktivierungsenergie Eein nimmt durch die Teilnahme an der Reaktion selbst ab. Nach der Reaktion wird er freigelassen. Als Beispiel die Antwort
- A B → AB
Dies geschieht in Gegenwart eines Katalysators K in mehreren Schritten:
- AK → AK
- AK B → AB K
Zusammengerechnet ergibt das:
- A B K → AB K
K kann dann links und rechts durchgestrichen werden.
Es ist wichtig zu erkennen, dass die Energiedifferenz der Reaktion ist ohne und mit Katalysator gleich. Da in a Gleichgewichtsreaktion die Lage des Gleichgewichts basiert auf dieser Energiedifferenz, ein Katalysator kann nicht dazu verwendet werden, eine Gleichgewichtsreaktion zur Seite laufen zu lassen, sondern nur um den Gleichgewichtszustand schneller zu erreichen.
Etwas anders wird es, wenn andere Reaktionen möglich sind, zum Beispiel A2 oder B2 als Produkte. Hat eine solche Störreaktion eine niedrigere Aktivierungsenergie als die gewünschte Reaktion ohne Katalysator, dann werden ohne Katalysator fast nur Nebenprodukte und mit Katalysator fast nur die gewünschten Produkte gebildet. Auf diese Weise kann ein Katalysator nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Selektivität einer Reaktion beeinflussen, ein Katalysator muss jedoch nicht zwingend ein Zwischenprodukt bilden. Es kann auch vorkommen, dass die Anziehungskräfte zwischen den Atomen des Katalysators und denen des Reaktionspartners dazu führen, dass die Bindungen im Reaktionspartner geschwächt (manchmal sogar gebrochen) werden. Dies führt zu viel reaktiveren Partikeln. Ein Beispiel dafür Adsorption von Wasserstoffgas durch Platin (oder Nickel).
Negative Katalyse
Negative Katalyse ist ein falscher Begriff für Hemmung (Chemie). Eine negative Katalyse würde bedeuten, dass die Reaktion einem Pfad mit größerer Aktivierungsenergie folgt. Dies widerspricht den Gesetzen der Thermodynamik.
Wagen
Der Auspuff eines Autos enthält oft ein heterogenes Dreiwege-Katalysator um das Abgas zu reinigen. Das ist oft Palladium.
bildliche Verwendung
Der Begriff „Katalysator“ wird auch außerhalb der Naturwissenschaften verwendet.
Der Begriff „Katalysator“ wird auch verwendet, um etwas anzuzeigen, das einen bestimmten Prozess oder den Ablauf von Ereignissen fördert oder (entscheidend) verändert. Es kann alles betreffen: eine Person, eine Idee, ein anderes (nicht oder nur indirekt beteiligtes) Ereignis oder etwas anderes, das einen Prozess oder eine Geschichte beeinflusst hat.
Auch ein Mensch kann somit als Katalysator bezeichnet werden. Im Wesentlichen ist die Bedeutung dieselbe: etwas oder jemand, der einen (Veränderungs-)Prozess oder eine Reaktion hervorruft, ohne selbst an der beabsichtigten Veränderung teilzuhaben.