Katalyse

Die Untersuchung von Reaktionsmechanismen und Kinetik hilft Forschern, die Geschwindigkeit einer Reaktion zu optimieren. Ein Anstieg der Temperatur oder Konzentration beschleunigt die Geschwindigkeit, kann aber auch zu Zersetzung oder Nebenprodukten führen, wenn sie zu stark erhöht wird.

Alternativ kann dem Reaktionsgemisch eine Chemikalie zugesetzt werden, die die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt, ohne dauerhaft verändert oder verbraucht zu werden. Diese Substanzen werden als Katalysatoren bezeichnet und beeinflussen die Geschwindigkeitskonstante, indem sie die Aktivierungsenergie verändern.

Denken Sie daran, dass die Reaktionsgeschwindigkeit umso langsamer ist, je höher die Aktivierungsenergie ist. Daher verlaufen viele chemische Reaktionen, wie z.B. die Zersetzung von wässrigem Wasserstoffperoxid, nur langsam ab.

Die Zugabe eines Katalysators senkt die Aktivierungsenergie, indem ein alternativer Reaktionsmechanismus bereitgestellt wird, ohne die Energiezustände von Reaktanten und Produkten zu beeinflussen.

Es gibt zwei Arten von Katalysatoren – homogene und heterogene.

Ein homogener Katalysator existiert in der gleichen Phase wie die Reaktanten. Zum Beispiel wird Natriumbromid zu wässrigem Wasserstoffperoxid hinzugefügt, um dessen Zersetzung in gasförmigen Sauerstoff und Wasser zu beschleunigen.

Zunächst reagieren die Bromid-Ionen mit Wasserstoffperoxid in einem sauren Medium zu einer orangefarbenen Lösung aus wässrigem Brom und Wasser. Als nächstes reagieren wässriges Brom und Wasserstoffperoxid und setzen Bromidionen frei, die durch eine farblose Lösung angezeigt werden. Charakteristisch für einen Katalysator sind Bromidionen, die die Reaktion beschleunigen, aber nicht verbraucht werden und nicht in der bilanzierten Nettogleichung erscheinen.

Ein heterogener Katalysator liegt in einem anderen Aggregatzustand vor als die Reaktanten. Die heterogene Katalyse ist durch vier zugrundeliegende Schritte gekennzeichnet: Adsorption, Diffusion, Reaktion und Desorption.

So wird beispielsweise die Hydrierungsreaktion von ungesättigtem Ethengas zu Ethan durch fein dispergiertes Palladium auf Holzkohle beschleunigt. Dabei liegt der Katalysator in seinem festen Zustand vor, während die Reaktanten in ihrer gasförmigen Form vorliegen.

Bei dieser heterogenen Katalyse adsorbieren Ethen- und Wasserstoffmoleküle an der Katalysatoroberfläche. Die Wasserstoff-Wasserstoff-Bindung bricht, so dass die Wasserstoffatome auf der Katalysatoroberfläche diffundieren können.

Wenn diffundierende Wasserstoffatome auf adsorbierte Ethenmoleküle treffen, reagieren sie zu gesättigtem Ethan. Anschließend desorbieren die Produkte und bewegen sich von der Metalloberfläche weg, wobei der intakte Katalysator zurückbleibt.