13.11: Katalyse

Das Vorhandensein eines Katalysators beeinflusst die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen kann, ohne während des Prozesses verbraucht zu werden. Ein grundlegendes Verständnis der Rolle eines Katalysators bei chemischen Reaktionen kann aus dem Konzept der Reaktionsmechanismen und Energiediagramme verstanden werden.

Das abgebildete Bild zeigt die Reaktionsdiagramme für einen endothermen chemischen Prozess, der in Abwesenheit (rote Kurve) und Anwesenheit (blaue Kurve) eines Katalysators abläuft.

Beide Kurven stellen die gleiche Gesamtreaktion dar – sie beginnen und enden bei den gleichen Energien. (In diesem Fall haben Produkte mehr Energie als Reaktanten. Daher ist die Reaktion endotherm). Ihre Reaktionsmechanismen sind jedoch unterschiedlich. Die unkatalysierte Reaktion läuft über einen einstufigen Mechanismus ab (mit nur einem beobachteten Übergangszustand). Im Gegensatz dazu folgt die katalysierte Reaktion einem zweistufigen Mechanismus (es werden zwei Übergangszustände beobachtet) mit deutlich geringerer Aktivierungsenergie. Dieser Unterschied in den Reaktionswegen verdeutlicht die Rolle des Katalysators bei der Bereitstellung eines alternativen Reaktionsmechanismus mit geringerer Aktivierungsenergie und damit bei der Beschleunigung von Reaktionen.

Der katalysierte Reaktionsmechanismus muss nicht eine höhere Anzahl von Elementarschritten umfassen als der unkatalysierte Mechanismus. Er muss jedoch einen alternativen Reaktionspfad bereitstellen, dessen geschwindigkeitsbestimmender Schritt schneller ist (mit einem niedrigeren E_a oder einer niedrigeren Aktivierungsenergie).

Eine katalytische Reaktion kann als homogen oder heterogen kategorisiert werden, basierend auf den Aggregatzuständen, die Katalysatoren und Reaktanten während des katalytischen Prozesses vorliegen.

Homogene Katalyse

Bei der homogenen Katalyse liegt der Katalysator in der gleichen Phase vor wie die Reaktanten – fest, flüssig oder gasförmig. Während des Prozesses interagiert der Katalysator mit dem Reaktanten zu einer Zwischensubstanz, die sich dann in einem oder mehreren Schritten zersetzt oder mit einem anderen Reaktanten reagiert, um den ursprünglichen Katalysator zu regenerieren und das Endprodukt zu bilden.

Ein Beispiel für homogene Katalyse ist der chemische Prozess, bei dem Ozon in der oberen Erdatmosphäre abgebaut wird. Ozon ist ein relativ instabiles Molekül, das sich zersetzt, um zweiatomigen Sauerstoff zu erhalten. Diese Zersetzungsreaktion ist konsistent mit dem folgenden zweistufigen Mechanismus:

Viele Substanzen können den Abbau von Ozon katalysieren. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Stickstoffmonoxid-katalysierte Zersetzung von Ozon über den folgenden dreistufigen Mechanismus erfolgt:

Die Gesamtreaktion ist jedoch sowohl für den zweistufigen unkatalysierten Mechanismus als auch für den dreistufigen NO-katalysierten Mechanismus gleich:

Beachten Sie, dass NO bei der katalysierten Reaktion im ersten Schritt des Mechanismus ein Reaktant und im letzten Schritt ein Produkt ist. Dies ist eine weitere charakteristische Eigenschaft eines Katalysators: Er nimmt zwar an der chemischen Reaktion teil, wird aber von der Reaktion nicht verbraucht. Darüber hinaus liegen bei dieser homogenen Katalyse sowohl der Reaktant als auch der Katalysator in einer gasförmigen Phase vor.

Heterogene Katalyse

Bei der heterogenen Katalyse liegt der Katalysator in einer anderen Phase (in der Regel ein Feststoff) vor als die Reaktanten. Solche Katalysatoren funktionieren im Allgemeinen, indem sie eine aktive Oberfläche bereitstellen, auf der eine Reaktion stattfinden kann. Gas- und Flüssigphasenreaktionen, die von heterogenen Katalysatoren katalysiert werden, finden auf der Oberfläche des Katalysators und nicht in der Gas- oder Flüssigphase statt.

Die heterogene Katalyse umfasst typischerweise die folgenden Prozesse:

1. Adsorption des/der Reaktant(en) an der Oberfläche des Katalysators
2. Aktivierung des/der adsorbierten(n) Reaktant(en)
3. Die Reaktion des/der adsorbierten Reaktant(en)
4. Desorption von Produkt(en) von der Oberfläche des Katalysators

Das abgebildete Bild zeigt den Reaktionsmechanismus der heterogenen Katalyse von Ethen und Wasserstoffgas auf einer festen Nickeloberfläche, bei der Ethangas entsteht (C₂H₄ + H₂ ⟶ C_{2H 6}):

a) Wasserstoff adsorbiert an der Nickeloberfläche. Während des Prozesses werden Wasserstoff-Wasserstoff-Brückenbindungen aufgebrochen und es bilden sich Nickel-Wasserstoff-Bindungen.
(b) Ethen adsorbiert auch an der Nickeloberfläche, indem es die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Pi-Bindung aufbricht und Nickel-Kohlenstoff-Bindungen bildet.
c) Wasserstoffatome diffundieren über die Oberfläche und bilden neue Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, wenn sie unter Bildung von Ethan kollidieren (C₂H₆).
d) Ethanmoleküle desorbieren von der Nickeloberfläche.

Die heterogene Katalyse wird zur industriellen Herstellung chemischer Produkte wie Ammoniak, Salpetersäure, Schwefelsäure und Methanol eingesetzt. Heterogene Katalysatoren werden auch in den Katalysatoren verwendet, die in den meisten benzinbetriebenen Automobilen zu finden sind.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 12.7: Katalyse.