Katalysator
Ein Katalysator bewirkt die Beschleunigung chemischer Reaktionen. Der Katalysator beeinflusst als Hilfsstoff den Reaktionsmechanismus, wird aber selbst in der Reaktion nicht verbraucht. Die Lage des thermodynamischen Gleichgewichts wird durch den Katalysator nicht verändert.
Prinzip
Der Katalysator bewirkt eine Veränderung des Reaktionsmechanismus der chemischen Reaktion. Die Aktivierungsenergie der katalysierten Reaktion ist verringert gegenüber der nichtkatalysierten Reaktion.
Die kleinere Aktivierungsenergie der katalysierten Reaktion bewirkt eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit. Bei gleicher Konzentration und gleicher Temperatur ist die Reaktionsgeschwindigkeit ein Maß für die Katalysatoraktivität. Neben der Katalysatoraktivität ist die Katalysatorselektivität ist wichtiger Parameter, wenn bei einer Reaktion unterschiedliche Produkte entstehen. Ein selektiver Katalysator erhöht in diesem Fall nur die Reaktionsgeschwindigkeit zum gewünschten Produkt und unterdrückt dadurch die Bildung der anderen Produkte.
Unterscheidungen
Bei der homogenen Katalyse liegen die Reaktanden und der Katalysator in der gleichen Phase vor. Durch die gute Verteilung des Katalysators im Reaktionsmedium steht nahezu jedes einzelne Katalysatormolekül für die Reaktion zur Verfügung.
Bei der heterogenen Katalyse findet die Umsetzung von flüssigen oder gasförmigen Reaktanden an einem festen Katalysator statt. Die Oberflächenbeschaffenheit des festen Katalysators spielt dabei eine wesentliche Rolle.
Bei der Biokatalyse dienen Enzyme als Katalysatoren für die Beschleunigung chemischer und biochemischer Reaktionen.
Englische Übersetzung(en):
catalyst
Wirkungsweise von Katalysatoren
Hallo! Vielleicht hast du schon einmal etwas über einen Katalysator gehört.
Doch was ist das eigentlich? Tagtäglich hast du mit Katalysatoren zu tun, auch wenn du es nicht merkst. Katalysatoren kommen in Autos, in der Industrie, aber auch in deinem Körper vor! Sie können Reaktionen beschleunigen und dafür sorgen, dass man nicht so viel Energie benötigt, damit eine Reaktion aktiviert wird. Na, schon neugierig geworden? Schau dir dieses Video an, dann weißt du, was Katalysatoren sind und wie sie funktionieren.
Vielleicht kennst du ja schon den Autokatalysator. Das ist ein Katalysator, durch den die Abgase das Autos geleitet werden, ehe sie in die Atmosphäre gelangen. Doch wofür das ganze?
Wie du ja schon vorher gehört hast, können Katalysatoren Reaktionen beschleunigen. Und genau das passiert auch. Die Abgase aus dem Auto wären unbehandelt besonders giftig für den Menschen und unsere Umwelt. Darum werden die Abgase des Autos zuvor in einem Katalysator in einer chemischen Reaktion umgewandelt. Freiwillig, also ohne Katalysator würde diese Reaktion nicht ablaufen!
Nun wollen wir uns einmal genauer ansehen, wie so ein Autokatalysator funktioniert. Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen giftige Verbindungen wir zum Beispiel Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.
Alle diese Verbindungen werden durch Redoxreaktionen zu unbedenklichen Stoffen wie Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff umgewandelt. Dies erfolgt im Autokatalysator über Kammern die aus Keramik bestehen und mit Platin überzogen sind. Platin wirkt hier katalytisch und sorgt dafür, dass die Reaktionen ablaufen können.
Was macht also nun ein Katalysator? Um dies zu verstehen schauen wir uns ein Energiediagramm einer chemischen Reaktion ohne Katalysator an. Dabei wollen wir Stoff A mit Stoff B reagieren lassen. Es zeigt dir die Energien vor und nach der Reaktion, sowie die Energiezustände während der Reaktion.
Damit eine chemische Reaktion abläuft, muss ihr zunächst Energie beispielsweise in Form von Wärme hinzugefügt werden. Diese benötigte Energie bezeichnet man als Aktivierungsenergie. Möchtest du zum Beispiel ein Stück Kohle verbrennen, das heißt, Kohlenstoff mit Sauerstoff reagieren lassen, dann reicht es nicht, einfach nur Sauerstoff auf die Kohle zu pusten. Du musst mit einem Feuerzeug zunächst die Kohle erhitzen, erst dann erfolgt die Reaktion.
Im Energiediagramm erkennst du die Aktivierungsenergie als eine Art Hügel im Kurvenverlauf. Mit der hinzugefügten Wärme kannst du also diese Hürde, also die Aktivierungsenergie, überwinden. Danach erfolgt die Reaktion ganz freiwillig. Bei manchen Reaktionen ist diese Hürde so hoch, dass du enorme Energien benötigst, ehe die Reaktion abläuft.
Und hier kommt der Katalysator ins Spiel. Er ermöglicht es, die Aktivierungsenergie herabzusetzen, indem er Übergangszustände, die energetisch nicht ganz so hoch liegen, stabilisiert. Dadurch benötigen Reaktionen weniger Energie zum Aktivieren und die Reaktionen laufen schneller ab. Der Katalysator beeinflusst nur die Reaktionsgeschwindigkeit, jedoch nicht das Gleichgewicht der Reaktion. Das heißt, dass du durch deinen Katalysator nicht mehr deiner Produkte erhältst, sondern nur schneller. Deiner Reaktionsausbeute bleibt also gleich.
Um dir nochmal zu verdeutlichen, wie sich das mit der Energie der Reaktion verhält, kannst du dir vorstellen, dass du eine Kugel vom Edukt zum Produkt entlang der Kurve rollen magst. Zum Hinaufrollen benötigst du Energie. Das Hinabrollen verläuft hingegen freiwillig. Je höher die Aktivierungsenergie liegt, desto schwieriger wird es, diese Hürde zu überwinden. Ein weiterer Vorteil des Katalysators ist es, dass er unverändert aus der Reaktion hervor geht. Das heißt, er wird nicht mit der Reaktion verbraucht. Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Katalysatoren, den homogenen und den heterogenen Katalysator.
Bei dem homogenen Katalysator, handelt es sich um einen Katalysator, der in der selben Phase vorliegt, wie auch das Reaktionsgemisch. Sind deine Edukte zum Beispiel gelöst in einem Lösungsmittel, muss sich dein Katalysator auch in dem Reaktionsgemisch lösen. Für den heretrogenen Katalysator hatten wir bereits ein Beispiel besprochen. Erinnerst du dich? Genau, es ist der Autokatalysator.
Deine Reaktionspartner, also die Abgase und der Sauerstoff sind gasförmig, dein Autokatalysator hingegen fest. An der festen Oberfläche reagieren dann die Gase miteinander. Durch den unterschied der Phasen handelt es sich um einen heterogenen Katalysator.
Du hast heute gelernt, dass ein Katalysator die Aktivierungenergie einer chemischen Reaktion herabsetzt und somit deren Ablauf ermöglich und zugleich beschleunigt. Der verwendete Katalysator wird mit der Reaktion nicht verbraucht und kann daher ständig weiterverwendet werden. Man unterscheidet bei den Katalysatoren zwischen homogenen und heterogenen Katalysatoren. Der Autokatalysator ist ein heterogener Katalysator, bei dem sich die Phase des Reaktionsgemisches von der des Katalysators unterscheidet. Beim homogenen Katalysator treten beide Komponenten in der selben Phase auf.
Tschüss und bis zum nächsten mal!