Katalysator

Oft hört man “erst die Anwesenheit eines Katalysators ermöglicht eine Reaktion”. Diese Aussage ist nur teilweise richtig, da exotherme Reaktionen (ohne Zufügen von Aktivierungsenergie)bei Raumtemperatur mit praktisch nicht beobachtbarer Geschwindigkeit ablaufen (also bereits vor dem Hinzufügen eines Katalysators läuft die Reaktion ab, allerdings mit unendlich langsamer Geschwindigkeit).

Katalysator

Ein Katalysator ist also ein Reaktionsbeschleuniger, der nach der Reaktion selbst wieder unverändert vorliegt (der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie). Der Katalysator beschleunigt die Reaktion (Kinetik chemischer Reaktionen), aber nicht deren Energieinhalt (z.B. Energie der Produkte, Thermodynamik chemischer Reaktionen).

Der Katalysator als Reaktionsbeschleuniger

Prinzip:
Der Katalysator erniedrigt die Aktivierungsenergie einer Reaktion, so dass diese beobachtbar schnell bei Raumtemperatur abläuft. Die Erniedrigung der Aktivierungsenergie ist eine Folge der Oberflächenwirkung eines festen Katalysators (z.B. Platin).

Die Oberfläche eines Katalysators kann mit den Edukten wechselwirken (z.B. Platin mit Wasserstoff), dabei werden die Wechselwirkungen zwischen der Katalysatoroberfläche und den Edukten so stark, dass der Zusammenhalt der Atome innerhalb der Edukte immer schwächer werden und so weniger Aktivierungsenergie benötigt wird, um die Atome der Edukte miteinander reagieren zu lassen (z.B Wasserstoff H₂ dissoziiert durch die Wechselwirkung mit dem Platin in Wasserstoffatome H, die an das Platin nur leicht gebunden sind und so die Wasserstoffatome mit einen weiteren Reaktionspartner reagieren können)

Bedeutung von Katalysatoren

• Katalysatoren “katalysieren” in Lebewesen viele lebensnotwendigen chemischen Reaktionen (z.B. in der Atmungskette).

• Etwa 80-90 % aller chemischen Erzeugnisse durchlaufen während des Herstellungsprozesses eine katalytische Reaktion. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würden viele chemische Reaktion viel langsamer oder gar nicht erfolgen..

• Ein Katalysator kann die Selektivität einer Reaktion beeinflussen. Dabei wird der Katalysator so gewählt, dass nur diejenige Reaktion beschleunigt wird, die das erwünschte Produkt erzielt, so dass Nebenprodukte weitgehend vermieden werden können (z.B. Lindlar-Katalysator, Cis / Transprodukt bei einer Addition an eine Dreifachbindung)

• Verwendung von Katalysatoren dient auch dem Umweltschutz durch Energieeinsparung (Senkung der Aktivierungsenergie einer Reaktion) und die Vermeidung bzw. Verminderung von Abfällen (Nebenprodukte einer Reaktion). Daneben dienen Katalysatoren auch der Umwelt zur Abgasnachbehandlung, z.B. im PKW, wo gefährliche Substanzen (Kohlenmonoxid) in weniger gefährliche (Kohlendioxid) umgesetzt werden.

Katalysator – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Katalysator und in welchem Fachbereich ist es relevant?

Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Es ist relevant in der Chemie.

2. Wie beeinflusst ein Katalysator die Aktivierungsenergie einer Reaktion?

Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion, was dazu führt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

3. Nennen Sie ein Beispiel für einen Katalysator in der Natur?

In der Natur fungieren Enzyme als Katalysatoren. Sie beschleunigen die Stoffwechselprozesse in lebenden Organismen.

4. Können Katalysatoren nach einer Reaktion wiederverwendet werden?

Ja, Katalysatoren können nach einer Reaktion wiederverwendet werden, da sie während der Reaktion nicht verbraucht werden.

5. Wie unterscheiden sich homogene und heterogene Katalysatoren?

A homogener Katalysator befindet sich in der gleichen Phase wie die Reaktanten, während ein heterogener Katalysator in einer anderen Phase als die Reaktanten ist.

6. Was versteht man unter Katalysatorvergiftung?

Katalysatorvergiftung bezeichnet das Phänomen, bei dem eine Substanz die Aktivität eines Katalysators hemmt oder reduziert.

7. Wie wird ein Katalysator in der chemischen Industrie eingesetzt?

In der chemischen Industrie wird ein Katalysator verwendet, um die Effizienz chemischer Reaktionen zu steigern und teure chemische Prozesse kosteneffizienter zu machen.

8. Was ist der Unterschied zwischen einem Katalysator und einem Inhibitor?

Ein Katalysator erhöht die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, während ein Inhibitor die Reaktionsgeschwindigkeit verringert.

9. Was passiert mit der Entropie in einer katalysierten Reaktion?

Die Entropie, also die Unordnung eines Systems, ändert sich in einer katalysierten Reaktion nicht. Die Entropieänderung eines Systems ist unabhängig vom Vorhandensein eines Katalysators.

10. Nennen Sie ein Beispiel für einen technischen Katalysator und seine Verwendung.

Ein Beispiel für einen technischen Katalysator ist der Katalysator in Fahrzeugen. Er wird verwendet, um schädliche Abgase in weniger schädliche Stoffe umzuwandeln.