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Katalysator

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Chemie

Wie oft hat du dir schon gewünscht, dass irgendwas einfach mal ein wenig schneller funktionieren könnte? Bestimmt oft genug. Dann wirst du ein großer Fan des Katalysators sein. Den Kataysator kann man leider nicht direkt im Alltag anwenden, wenn man darauf wartet, dass jemand vor dir an der Kasse schneller macht, aber dafür beschleunigen Katalysatoren unglaublich viele Reaktionen. Und dazu erfährst du hier alles.

Als Katalysator wird in der Chemie ein Stoff bezeichnet, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator liegt also nach der Reaktion unverändert vor.

Allgemeines über Katalysatoren

Die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit wird durch das Herauf- oder Herabsetzen der Aktivierungsenergie erreicht. Folglich lassen sich zwei verschiedene Arten von Katalysatoren unterscheiden. Positive Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab, negative Katalysatoren setzen sie herauf.

Katalysatoren ändern die Kinetik einer chemischen Reaktion, ohne dabei die Thermodynamik zu ändern. Die Hin- und Rückreaktion wird gleichermaßen beschleunigt oder verlangsamt, weshalb das Gleichgewicht der Reaktion nicht verändert wird.

Bei der Kinetik geht es hauptsächlich um den zeitlichen Ablauf einer Reaktion und wie diese dabei verläuft. Dies wird unter dem Begriff Kinetik einfach zusammengefasst.

Thermodynamik hingegen ist die Theorie der Wärme, die sich mit dem Zusammenhang zwischen Wärme und Kraft bzw. Teilchenbewegung und durch Wärme verursachten Phänomenen befasst.

In der Mitte des 19. Jahrhunderts kam Jöns Jakob Berzelius zu der Erkenntnis, dass manche chemische Reaktionen zwingend einen Katalysator benötigen, damit sie erfolgen können. Erstmals definiert wurde der Katalysator 1895 von Wilhelm Ostwald, später Nobelpreisträger für Chemie. Ein Katalysator sei “eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verändert, ohne selbst in den Produkten zu erscheinen”.

Wirkungsweise eines Katalysators

Der Katalysator wirkt, in dem er den Mechanismus, also das Potential einer chemischen Reaktion derart verändert, dass die Aktivierungsenergie verändert wird. Mithilfe des folgenden Energiediagramms lässt sich die Wirkungsweise anschaulich erklären:

Katalysator Energiediagramm  StudySmarterAbbildung 1: Energiediagramm der Wirkungsweise eines KatalysatorsQuelle: wikipedia.org

Die vertikale Achse beschreibt die Energiemenge, die horizontale Achse den Reaktionsverlauf. Die schwarze Kurve zeigt den Verlauf der unkatalysierten Reaktion Katalysator Grundprinzip Reaktion StudySmarter. Die rote Kurve zeigt den Verlauf der Reaktion unter Verwendung eines Katalysators. Die Aktivierungsenergie der unkatalysierten Reaktion wird mit Eu bezeichnet, die der katalysierten Reaktion mit Ek. Die beiden Stoffe, die miteinander reagieren, werden hier als A und B bezeichnet, der Katalysator selbst als K.

Aktivierungsenergie herabsetzen

Man erkennt, dass die unkatalysierte Reaktion eine deutliche höhere Aktivierungsenergie benötigt, um in Gang gesetzt zu werden, als die katalysierte Reaktion. Wird der Katalysator dazugegeben, benötigt die Reaktion weniger Aktivierungsenergie. Außerdem wird bei der katalysierten Reaktion eine Zwischenstufe deutlich, bei der der Katalysator zunächst mit einem der Stoffe reagiert. In diesem Diagramm dockt der Katalysator K an Stoff A an. In einer zweiten Stufe wird dann das Produkt AB gebildet und der Katalysator K geht unverändert aus der Reaktion hervor.

Die schwarze Kurve beschreibt also die Reaktion Katalysator Grundprinzip Reaktion StudySmarter ohne Katalysator.

Die rote Kurve zeigt in einem ersten Schritt die Reaktion Katalysator Reaktion Bindung Katalysator StudySmarter und in einem zweiten Schritt die Reaktion Katalysator Bindung Komplex an Substrat StudySmarter.

Katalytische Verfahren

Es lassen sich verschiedene katalytische Verfahren unterscheiden:

  • Ammoniaksynthese: In diesem Verfahren, das auch Haber-Bosch-Verfahren genannt wird, wird Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff gebildet. Das Gemisch wird an einem Eisenoxid-Mischkatalysator aus Eisen(II/III)-Oxid (Fe3O4) und den Stoffen K2O, CaO, Al2O3 und SiO2 bei 450 °C zur Reaktion gebracht.
  • Schwefelsäureherstellung: Beim heutzutage praktizierten Kontaktverfahren wird zunächst aus elementarem Schwefel (S) und Sauerstoff (O2) Schwefeldioxid (SO2) gewonnen. Das Schwefeldioxid wird unter weiterer Sauerstoffzufuhr, mit Vanadiumpentoxid (V2O5) als Katalysator, zu Schwefeltrioxid (SO3) umgesetzt. Dieses gilt als Anhydrid der Schwefelsäure.
  • Salpetersäureherstellung: Dieses Verfahren wird auch Ostwald-Verfahren genannt und dient der großtechnischen Herstellung von Salpetersäure. Zunächst wird das Ammoniak (NH3) mit Sauerstoff (O2) in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators zu Wasser (H2O) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt. Das Stickstoffmonoxid wird durch eine Oxidation mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid (NO2), welches dann wiederum zu Salpetersäure (HNO3) umgesetzt wird.

Bedeutung des Katalysators

Katalysatoren sind unter anderem deshalb von großer Bedeutung, da sie in der Natur in vielfältiger Weise vorkommen. Fast alle wichtigen chemischen Reaktionen in Lebewesen laufen katalysiert ab. Beispiele dafür sind bestimmte Reaktionen bei der Photosynthese, der Atmung oder der Energiegewinnung aus der Nahrung. Die verwendeten Katalysatoren sind bei den Reaktionen in Lebewesen meist bestimmte Eiweiße, nämlich die sogenannten Enzyme.

Des Weiteren sind Katalysatoren in der Chemietechnik wichtig. In mehr als 80 Prozent aller chemischen industriellen Prozesse werden Katalysatoren eingesetzt, meist, um die Aktivierungsenergie herabzusetzen. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würden viele chemische Reaktionen sehr viel langsamer oder gar nicht erfolgen, weswegen sie aus der Chemietechnik heutzutage kaum wegzudenken sind.

Negative Katalysatoren

Neben den positiven Katalysatoren, um die Aktivierungsenergie herabzusetzen, sind auch die negativen Katalysatoren teilweise wichtig in der chemischen Industrie. Chemische Reaktionen, die normalerweise explosionsartig ablaufen würden, können mit Hilfe eines solchen Katalysators kontrolliert und somit industriell genutzt werden. Zum Teil können durch solche Katalysatoren auch bestimmte Nebenprodukte ausgeschlossen werden.

Selektivität von Katalysatoren

Die Selektivität eines Katalysators, also dass bestimmte Reaktionen gewisse Katalysatoren voraussetzen, spielt eine sehr wichtige Rolle, wenn bei den Reaktionen mehrere Produkte entstehen. Dabei wird der Katalysator so gewählt, dass nur diejenige Reaktion beschleunigt wird, die das erwünschte Produkt erzielt. Somit können Verunreinigungen durch Nebenprodukte weitestgehend vermieden werden.

Beispiele für Katalysatoren

Je nach Reaktion können die verschiedensten Stoffe als Katalysatoren dienen. Die Dehydrierung von Ethanol wird beispielsweise durch Raney-Nickel, Platin, Rhodium oder Palladium katalysiert. Hopcalite, eine Gruppe von Katalysatoren aus verschiedenen Metalloxiden, katalysieren die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid bei Raumtemperatur.

Je nach Reaktion können die verschiedensten Stoffe als Katalysatoren dienen. Die Dehydrierung von Ethanol wird beispielsweise durch Raney-Nickel, Platin, Rhodium oder Palladium katalysiert. Hopcalite, eine Gruppe von Katalysatoren aus verschiedenen Metalloxiden, katalysieren die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid bei Raumtemperatur.

Ein wichtiger und bekannter Katalysator ist der Autokatalysator. Dieser dient in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zur Abgasnachbehandlung. Somit können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Die Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) werden mit Hilfe des Fahrzeugkatalysators durch Oxidation oder Reduktion in die ungiftigen Stoffe Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) umgewandelt.

Experiment zur Katalysatoren

Durchführung

Falls du ein kleines Experiment zu Katalysatoren zu Hause durchführen möchtest, kannst du das folgende gerne ausprobieren, aber lass am besten auch einen Erwachsenen daran teilhaben!

Für das Experiment benötigst du:

  • eine gekochte Kartoffel
  • eine rohe Kartoffel
  • eine Unterlage, wie einen Teller oder Ähnliches
  • 30%-iges Wasserstoffperoxid (Das kannst du in der Apotheke kaufen)

Die Durchführung ist ziemlich simpel. Du halbierst beide Kartoffeln und legst je eine Hälfte auf deine Unterlage, sodass die Schnitstellen nach oben zeigen. Nun tröpfelst du auf jede der Schnittstellen einige Tropfen des Wasserstoffperoxids.

Beobachtung

Nun solltest du im Idealfallsehen können, dass auf der rohen Kartoffel Bläschen bilden und es anfängt ein wenig zu schäumen. Auf der gekochten Kartoffel hingegen sollte nichts passieren.

Deutung

Kartoffeln enthalten den Katalysator Katalase (Enzym), die die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff katalysiert. Luftblasen auf einer rohen Kartoffel weisen auf die Bildung von einem Gas, in diesem Fall Sauerstoff, hin.

Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie der Reaktion auf ein Niveau, bei dem Umgebungswärme ausreicht.

Gekochte Kartoffeln reagieren nicht, da die Enzyme durch das Kochen denaturiert wurden.

Katalysator - Das Wichtigste

  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.
  • Manche chemische Reaktionen benötigen zwingend einen Katalysator, damit sie erfolgen können. Daher sind Katalysatoren zum Beispiel in der chemischen Industrie sehr wichtig.
  • Es gibt viele verschiedene katalytische Verfahren zur Herstellung wichtiger Stoffe, zum Beispiel für die Industrie. Beispiele sind das Ostwald-Verfahren oder das Haber-Bosch-Verfahren.
  • Fast alle wichtigen chemischen Reaktionen in Lebewesen laufen katalysiert ab, meist über Enzyme.
  • Der bekannteste Katalysator in unserem Alltag ist der Autokatalysator, der Verbrennungsschadstoffe in ungiftige Stoffe umwandelt.

Katalysator

Als Katalysator wird in der Chemie ein Stoff bezeichnet, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator liegt also nach der Reaktion unverändert vor.

Die Aufgabe eines Katalysator ist es eine Reaktion schneler ablaufen zu lassen, indem dieser die Aktivierungsenergie herabsetzt.

Nein, ein Katalysator wird nicht verändert. ER geht immer so aus einer Reaktion heraus, wie dieser auch vorher in die Reaktion hinein gekommen ist.

Die Katalysator Arten sind:

  • homogene Katalysatoren
  • heterogene Katalysatoren
  • Biokatalysatoren (Enzyme)
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