Katalyse

Neben der Konzentration der Reaktionspartner und der Temperatur kann die Ge­schwindigkeit einer Reaktion auch durch den Zusatz von Stoffen erhoht werden, die selbst nicht in der Stoffbilanz der Reaktion auftreten. Diese Erscheinung nennt man Katalyse. Die zugesetzten Stoffe, die fest, flussig (gelost) oder gasfbrmig sein kon – nen, werden als Katalysatoren bezeichnet.

Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer Reaktion erhohen und dabei am Ende der Reaktion unverandert vorliegen. Auf die Lage des chemischen Gleichgewichts haben Katalysatoren keinen Einfluss.

Um wirksam zu werden, muss ein Katalysator in das Reaktionsgeschehen eingreifen. Damit verlauft eine katalysierte Reaktion zwangslaufig nach einem anderen Reakti – onsmechanismus als eine unkatalysierte. Betrachten wir beispielsweise die Umset­zung der Stoffe A und В zu AB. Voraussetzung fur die Bildung von AB sind ZusammenstoBe von Teilchen A mit Teilchen B. Durch die Zugabe eines Katalysators

4.4 Katalyse

Подпись: 89{Kat) lauft die Reaktion uber einen Zweistufenmechanismus ab. Zunachst geht A eine Verbindung A – Kat mit dem Katalysator ein. In der zweiten Stufe reagiert A-Kat mit B, wobei der Katalysator zuruckgebildet wird. Er kann dann emeut mit A reagieren.

A + Kat —► A-Kat

A-Kat + В —^ AB + Kat

Der Reaktionsweg uber die Zwischenverbindung A-Kat besitzt insgesamt eine gerin – gere Aktivierungsenergie als der der unkatalysierten Reaktion (Abb. 4.5). Die niedri – gere Aktivierungsbarriere bedingt eine hohere Reaktionsgeschwindigkeit.

Man unterscheidet zwischen der homogenen und der heterogenen Katalyse. Bei der homogenen Katalyse liegen Katalysator und Edukte in gleicher Phase vor. Als Bei – spiel kann die durch Eisen(II)-Ionen katalysierte Zersetzung von H202 in Sauerstoff und Wasser genannt werden. Die technisch weitaus bedeutendere Variante ist die heterogene Katalyse. Hier liegen Katalysator und Edukte in verschiedenen Phasen vor. Meist sind die Edukte flussig oder gasformig und die Katalysatoren fest. Festkor- perkatalysatoren werden in der Technik als Kontakte bezeichnet. Der Vorteil der heterogenen Katalyse besteht darin, dass die Ausgangsstoffe kontinuierlich uber die Katalysatoroberflache geleitet werden konnen.

Ein technisch bedeutsamer fester Katalysator ist fein verteiltes Platin. Pt-Katalysato – ren beschleunigen alle Reaktionen, an denen Wasserstoff beteiligt ist. Kommen wir an dieser Stelle wiederum auf das Knallgasgemisch Wasserstoff und Sauerstoff (Ver – haltnis 2:1) zuriick, das bei Raumtemperatur keine merkliche Reaktion zeigt. In Ge – genwart eines Platinkatalysators setzen sich H2 und 02 explosionsartig zu Wasser um. Ursache fur die heftige Reaktion ist die Bindungsschwachung bzw. – spaltung im H2- Molekul als Folge der Wechselwirkung der WasserstoffmolekUle mit der Oberflache des Pt-Katalysators. Die Wechselwirkung der H2-Molekule mit dem festen Katalysa­tor ist nicht nur rein physikalischer Natur {Adsorption). Es erfolgt auch eine chemi – sche Aktivierung der adsorbierten Teilchen {Chemisorption). Die Teilchen werden durch chemische Bindungen mit der Katalysatoroberflache verknupft. Dadurch veran – dert sich die Elektronenverteilung innerhalb der chemisorbierten Molekiile. Bindun­gen konnen geschwacht oder gar gelost werden und die Aktivierungsenergie fur die Folgereaktion(en) wird deutlich herabgesetzt.

Durch die Adsorption/Chemisorption der Ausgangsstoffe an der Katalysatoroberfla­che erhoht sich daruber hinaus ihre Konzentration, was ebenfalls zu einer Reaktions – beschleunigung fuhrt. Die Chemisorption ist im Gegensatz zur Adsorption ein stoff – spezifischer, in der Mehrzahl der Falle bei hoheren Temperaturen ablaufender Vor – gang. Deshalb sind ftir jede chemische Reaktion ganz spezifische Katalysatoren not – wendig. Ihre Betriebstemperatur liegt meist deutlich uber der Normaltemperatur (s. NH3-Synthese, Кар. 4.5.3).

Sehr viele industrielle Prozesse, wie z. B. die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch, die Oxidation von S02 zu S03 im Rahmen der Schwefelsaureherstellung sowie die Rauchgasentstickung, waren ohne Beschleunigung durch Katalysatoren wirt – schaftlich nicht durchflihrbar. Zur Reinigung von Automobilabgasen dient ein Fest – bett-Katalysator, der mit einer Pt-Rh-Legierung uberzogen ist (Кар. 5.5.3.4).

Abbildung 4.5

image55Katalysierter und nichtkatalysierter Ver – lauf einer Reaktion.

Ea Aktivierungsenergie der nichtkataly – sierten Reaktion,

EaK Aktivierungsenergie der katalysierten Reaktion.

Im Bauwesen wird die katalytische Wirkung von Formiaten (Salze der Ameisensaure, Кар. 10.1.6) und Aluminaten, auf den Verlauf der Betonerhartung genutzt. Sie wer – den dem Beton als Erhartungs – bzw. Erstarrungsbeschleuniger zugesetzt und er – hohen die Reaktionsgeschwindigkeit des Hydratationsprozesses (s. Кар. 9.4.3).

Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit emiedrigen, bezeichnet man als Inhibito- ren, mitunter auch als „negative Katalysatoren“. Der Ablauf einer chemischen Reak­tion wird verzogert oder praktisch vollstandig gehemmt. Der Mechanismus der zu hemmenden Reaktion bestimmt Art und Wirkungsweise der einzusetzenden Inhibito – ren. In Radikalkettenreaktionen konnen z. B. Stoffe als Inhibitoren eingesetzt werden, die mit den freien Radikalen stabile Zwischenverbindungen bilden. Damit wird die Reaktionskette nicht fortgesetzt. Praktisch wichtige Inhibitoren sind die auch im Bauwesen breit eingesetzten Korrosionsinhibitoren. Darunter versteht man Stoffe, die auf der Oberflache von Metallen dtinne Deckschichten ausbilden und dadurch die Korrosion stark hemmen (Кар. 8.2.6.).