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Katalysator
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Ein Katalysator 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.
Weitere Fachbegriffe zum Thema Katalysator: Autokatalyse, homogene Katalyse, heterogene Katalyse, Katalysatorgift und
Biokatalysatoren.
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 (griech. katálysis
= Auflösung).
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 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 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 ergibt sich als Schnitt
durch die Energie-Hyperpotentialfläche.
In der Grafik gibt die obere Kurve die Reaktion
wieder. Die Aktivierungsenergie wird mit AU bezeichnet. Die untere Kurve zeigt den Energieverlauf der durch C
katalysierten Reaktion. Hier wird über einen Übergangszustand (1. Maximum) ein Minimum erreicht, welches der Enthalpie
der Verbindung AC entspricht.
Über einen weiteren Übergangszustand wird das Produkt AB erreicht, wobei der Katalysator C zurückgebildet wird.
Die mit AC 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.
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
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 verbraucht wird. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die jeweilige
chemische Reaktion sehr viel langsamer erfolgen. Deshalb sind Katalysatoren heutzutage kaum noch aus der
Chemietechnikwegzudenken. 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 Kraftwerken. Im Falle der abgaskatalytischen Verfahren
(z.B. PKW) werden unvermeidbare, gefährliche Substanzen in weniger gefährliche umgesetzt.
Beispiel: Im Autoabgaskatalysator reagiert das Atemgift Kohlenstoffmonoxid (CO) mit Sauerstoff (O2) zum
Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2).
Nebst 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.
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:
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 der Katalysator im Automobil zur Reduktion der Abgasemission, bei dem das
ganze Gerät nach dem chemisch wirksamen Prinzip benannt ist.
Wichtige katalytische Verfahren
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Verfahren
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Produkt
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Katalysator
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Bedingung
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Reaktor
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Ammoniaksynthese
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NH3
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a-Eisen/Al2O3
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T = 450-500°C; p = 25-40 MPa
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Festbettreaktor
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Methanolsynthese
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CH3OH
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CuO/Cr2O3 oder ZnO/Cr2O3
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T = 230-280°C; p = 6 MPa
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Festbettreaktor
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Schwefelsäureherst.
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H2SO4
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V2O5/Träger
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T = 400-500°C
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Festbettreaktor
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Salpetersäureherst.
(Ostwaldverfahren)
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HNO3
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Platin/Rhodium
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T = 800°C
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