Katalysator

katálysis) ist eine chemische Substanz, die die Reaktionsrate steigert, indem sie die Aktivierung einer Chemikalie reduziert, ohne selbst konsumiert zu werden. Sie beschleunigen die Hin- und Herreaktion gleichmäßig und verändern damit die Reaktionskinetik der Chemikalien, nicht deren Wärmelehre.

Der Katalysator beteiligt sich an einer Zwischenstufe mit den Reaktanden, aus der der Katalysator nach der Produktbildung unveränderlich austritt. Dieser so genannte Katalysator kann diesen so genannte Katalyse-Zyklus mehrfach passieren. Abhängig von den jeweiligen Katalysator- und Reaktionsphasen sprechen wir von Homogen- oder Heterogenkatalysatoren.

Die biochemischen Vorgänge werden durch die Verwendung von Enzymen induziert. Schon im Altertum wurden die chemischen Umsetzungen mit Katalysator durchgeführt. Jöns Jakob Berzelius kam erst 1835 zu dem Schluss, dass eine große Zahl von Nebenwirkungen nur dann auftrat, wenn eine bestimmte Substanz vorhanden war, aber nicht konsumiert wurde. Seines Erachtens wurden diese Substanzen nicht umgewandelt, aber ihre Präsenz lieferte die nötige Leistung durch ihre Katalysatorwirkung.

Diese Substanzen beschrieb er als Katalysator. Anschließend konnte ein vertieftes Wissen über den thermophysikalischen Hintergrund der Katalysierung gewonnen werden. Der Katalysator wurde 1895 von Wilhelm Ostwald definiert: "Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit einer Chemikalie steigert, ohne selbst konsumiert zu werden und ohne das thermodynamische Endgleichgewicht dieser Umsetzung zu ändern.

"Wilhelm Ostwald erhält den Chemienobelpreis für seine Arbeit zur Katalyten. Der Wirkmechanismus eines Katalysators basiert auf seiner Fähigkeit, den Wirkmechanismus einer Chemikalie so zu beeinflussen, dass die Aktivierung Energie umgeschaltet wird. Zum Beispiel können die Größen zwei Bindeabstände zwischen den Reaktanden sein, die sich während der Umsetzung verschieben.

Dies erfolgt durch die Ausbildung einer reaktionsfähigen Vorstufe und deren Umsetzung auf die Endprodukte, wodurch der verwendete Katalysator wieder zurückgebildet wird. Praktisch werden sie nach einiger Zeit wirkungslos, weil sie durch Abfallprodukte inaktiviert werden. Diese nicht katalysierte Aktivierung wird als Eu {\displaystyle E_{\mathrm {u} }} bezeichne.

katalysierte Umsetzung. wo der Katalysator K {\displaystyle \mathrm {K} der katalytischen Umsetzung ist niedriger. Beispielhaft sei die katalysatorische Wasserstoffverbrennung mit Hilfe von Luftsauerstoff genannt. Die thermodynamische Wirkung dieser thermodynamischen Behandlung ist so gut, dass sie im Prinzip "freiwillig" sein sollte, aber durch die hohe Anregungsenergie bei Raumtemperatur wird sie so sehr inhibiert, dass die Reaktionsrate sehr niedrig ist.

Das Vorhandensein eines Platinkatalysators kann diese Aktivierung so weit reduzieren, dass diese bei niedrigen Außentemperaturen ausreichend rasch eintritt. In einer Gleichgewichtsreaktion ändert ein Katalysator die Hin- und Herreaktion in gleicher Art und Weise, so dass die Position des Gleichgewichtes nicht geändert wird, sondern das Verhältnis rascher eingestellt wird. Katalytische Stoffe kommen in der freien Wildbahn auf vielfältige Art und Weisen vor.

Nahezu alle lebenswichtigen Stoffwechselreaktionen in lebenden Organismen werden beschleunigt (z.B. bei der Fotosynthese, Respiration oder Energieerzeugung aus der Nahrung). In der Regel werden als Katalysator Proteine wie z.B. Fermente eingesetzt. Für chemische Umsetzungen ist die Reduzierung der Aktivierung durch den Katalysator von großer wirtschaftlicher Relevanz. Schätzungen zufolge passieren rund 80% aller Chemieprodukte eine Katalysatorstufe in ihrer Warenkette.

Die entsprechende katalytische Umsetzung würde ohne den Katalysator wesentlich verzögert oder gar nicht stattfinden. Aus diesem Grund sind sie heute aus der chemischen Verfahrenstechnik nicht mehr wegzudenken. Deshalb sind sie auch nicht mehr aus dem Bereich der Katalyse auszulesen. Werden bei der Umsetzung mehrere Stoffe hergestellt, kommt der Trennschärfe eines Katalysator eine große Bedeutung zu. Der Katalysator wird so ausgewählt, dass nur die Umsetzung des gewünschten Produkts voranschreitet.

Unter Umweltgesichtspunkten spart der Gebrauch von Selektiv- und Aktivkatalysatoren viel Strom und mindert Nebenprodukt. von Cereis (Ammoniaksynthese), Raney-Nickel, Raney-Polyester, Platin, Rhodium, Paladium, Brownstone, Vanadium-Pentoxid und Samarium(III)-Oxid beschleunigen die Ethanoldehydrierung. Hopcalit, eine Katalysatorgruppe aus unterschiedlichen Metalloxyden, katalysiert die Oxydation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid bei Zimmertemperatur.

Fahrzeug-Katalysator: Das bekannteste Beispiel ist der Katalysator im Automobil zur Reduzierung der Abgase, bei dem das gesamte Aggregat nach dem chemisch-physikalischen Verfahren genannt wird. Aktivkohleerhitzer: Als Katalysator dient Kochsalz und Brauchwasser. Schüth: Schlüsseltechnik in der Chemiesparte: Heterogenkatalyse. Zu: Chemikalien in unserer Zeit, 2006, S. 92-103 Michael Röper: Homogenkatalyse in der Chemieindustrie.

Zu: Chemikalien in unserer Zeit, 2006, S. 126-135 Rainer Stürmer, Michael Breuer: Katalysatoren.