12.2 Katalysatoren

 

Def.: Einen Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt und sich nach der Reaktion wieder

in der Ursprungsform befindet, bezeichnet man als „Katalysator“.

Eine Reaktion mit Einsatz eines Katalysators nennt man „Katalyse“.

 

 

Der Katalysator geht zuerst mit einem der Edukte eine Ver­bindung ein (Zwischen­pro­dukt). In einem zweiten Schritt reagiert dann das Zwischen­produkt mit dem zweiten Edukt zu den Pro­dukten, wobei der Kataly­sator in seiner ur­sprünglichen Form auch unter den Produkten ist. Das ganze macht nur dann Sinn, wenn die Aktivierungs­energien der bei­den Schritte tiefer sind als die Aktivie­rungs­energie der Reak­tion ohne Katalysator.

 

Bsp.   Wasserstoffperoxid (H2O2) kann in Wasser und Sauerstoff zerfallen, diese Reaktion ist aber so

langsam, dass Wasserstoffperoxid jahrelang aufbewahrt werden kann ohne zu zerfallen.

Mit Iodid-Ionen (I-) läuft der Zerfall jedoch ziemlich schnell ab.

           1. Schritt:              I-  +  H2O2  +  H2O2           à        IO-   +   H2O  +  H2O2

           2. Schritt:              IO-  +  H2O +  H2O2          à        I-    +     H2O  +  H2O  +  O2

          Gesamtreaktion:            H2O2  +  H2O2             à        H2O  +  H2O  +  O2

 

 

Technische Katalysatoren

In der chemischen Industrie werden bei der Herstellung von etwa 80% der Produkte Katalysatoren

eingesetzt. Sehr wichtig sind zum Beispiel die Katalysatoren (Nickel oder Aluminiumsilikate) bei der

Verkürzung der langen C-Ketten des Schweröls in kurzkettige Alkane (Benzin) beim sogenannten

Cracking-Prozess.

Auch sehr bekannt ist der Katalysator im Auspuff von Automotoren. Es handelt sich um eine feine

Platinoberfläche. Russpartikel, die durch unvollständige Benzinverbrennung im Automotor entstehen,

schaden der Umwelt sehr. Verbrannter Russ (CO2) wäre viel sauberer. Die Verbrennung von Russ

ist aber zu langsam, als dass sie noch im Automotor geschehen könnte. Platin wirkt hier als Katalysator.

Es bildet mit dem Russ ein Zwischenprodukt, welches sehr schnell mit Sauerstoff zu Kohlendioxid

weiterreagiert. So verlässt fast kein Russ mehr den Auspuff; diese Katalyse benötigt dabei keine

zusätzliche Energie und das teure Platin wird dabei auch nicht verbraucht.

Katalysatoren können hingegen inaktiviert werden. Der Grund dafür liegt häufig in einer sehr festen

Adsorption eines Stoffs an den Katalysator, sodass dieses den Zugang versperrt. Blei zum Beispiel

kann den Platin-Katalysator inaktivieren. Deshalb dürfen Autos mit Katalysatoren nur mit bleifreiem

Benzin betankt werden.

 


Biokatalysatoren: Enzyme

In lebenden Zellen findet man Kata­ly­satoren von ausserordentlicher Wirk­sam­keit. Sie haben die Auf­gabe, die Aktivierungsenergien der Reaktionen in einer Zelle so abzusenken, dass die chemischen Vorgänge bei Körper-temperatur mit ausreichender Ge-schwindigkeit ablaufen. Diese so genannten „Enzyme“ sind sehr grosse Protein-Moleküle, die nur eine ganz bestimmte chemische Reaktion kata­lysieren (sie sind also hochspezi­fisch). Die Enzyme besitzen ein „kataly­tisches Zentrum“, wo die Reaktion vor­ge­nommen wird. Um das kataly­tische Zentrum herum muss das Enzym eine ganz bestimmte Form haben, so dass sich nur die richtigen Edukte anlagern können.

 

 


Aufgaben:

1. Nicht alle Stoffe, die ein Zwischenprodukt innerhalb einer Reaktion bilden können, sind

    Katalysatoren. Welche zwei zusätzlichen Bedingungen muss ein Katalysator erfüllen?

2. Weshalb kommt beim Beispiel der Wasserstoffperoxid-Zersetzung mit Iodid in der Gesamtreaktion

    gar kein Iodid vor?

3. Weshalb ist es für die chemische Industrie wichtig, dass die chemischen Reaktionen dank Kataly-

     satoren

     a) … auch bei tieferer Temperatur verlaufen?

     b) … schneller verlaufen?

4. Wenn ein Auto mit Katalysator aus Versehen mit bleihaltigem Benzin gefahren ist.

    Was muss man dann mit dessen Katalysator machen? (mit Begründung)

5.  Was bedeutet „hochspezifisch“?

6.  Weshalb sind Enzyme hochspezifisch?

7. Um eine Reaktion zu beschleunigen kann man die Temperatur erhöhen, die Oberfläche vergrössern,

    mit grösseren Konzentrationen arbeiten oder eben Katalysatoren einsetzen. Der menschliche Körper

    setzt alle diese vier Methoden ein. Geben Sie für jede Methode ein Beispiel an.