Wissenschaft

Katalysatordefinition und Funktionsweise

Ein Katalysator ist eine chemische Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, indem sie die Aktivierungsenergie ändert, die für den Fortgang der Reaktion erforderlich ist. Dieser Vorgang wird als Katalyse bezeichnet. Ein Katalysator wird von der Reaktion nicht verbraucht und kann gleichzeitig an mehreren Reaktionen teilnehmen. Der einzige Unterschied zwischen einer katalysierten und einer nicht katalysierten Reaktion besteht darin, dass die Aktivierungsenergie unterschiedlich ist. Es gibt keine Auswirkung auf die Energie der Reaktanten oder der Produkte. Das ΔH für die Reaktionen ist das gleiche.

Wie Katalysatoren funktionieren

Katalysatoren ermöglichen einen alternativen Mechanismus für die Reaktanten, um Produkte mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie und einem unterschiedlichen Übergangszustand zu werden. Ein Katalysator kann eine Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur ablaufen lassen oder die Reaktionsgeschwindigkeit  oder Selektivität erhöhen . Katalysatoren reagieren häufig mit Reaktanten unter Bildung von Zwischenprodukten, die schließlich die gleichen Reaktionsprodukte ergeben und den Katalysator regenerieren. Es ist zu beachten, dass der Katalysator während eines der Zwischenschritte verbraucht werden kann, aber er wird erneut erzeugt, bevor die Reaktion abgeschlossen ist.

Positive und negative Katalysatoren (Inhibitoren)

Wenn sich jemand auf einen Katalysator bezieht, bedeutet dies normalerweise einen positiven Katalysator , bei dem es sich um einen Katalysator handelt, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beschleunigt, indem er seine Aktivierungsenergie senkt. Es gibt auch negative Katalysatoren oder Inhibitoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verlangsamen oder deren Auftreten verringern.

Promotoren und katalytische Gifte

Ein Promotor ist eine Substanz, die die Aktivität eines Katalysators erhöht. Ein katalytisches Gift ist eine Substanz, die einen Katalysator inaktiviert.

Katalysatoren in Aktion

  • Enzyme sind reaktionsspezifische biologische Katalysatoren. Sie reagieren mit einem Substrat unter Bildung einer instabilen Zwischenverbindung. Beispielsweise katalysiert Carboanhydrase die Reaktion:
    H 2 CO 3 (aq) ⇆ H 2 O (l) + CO 2 (aq)
    Das Enzym ermöglicht es der Reaktion, schneller ein Gleichgewicht zu erreichen. Bei dieser Reaktion ermöglicht das Enzym, dass Kohlendioxid aus dem Blut in die Lunge diffundiert, so dass es ausgeatmet werden kann.
  • Kaliumpermanganat ist ein Katalysator für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Sauerstoffgas und Wasser. Die Zugabe von Kaliumpermanganat erhöht die Reaktionstemperatur und ihre Geschwindigkeit.
  • Mehrere Übergangsmetalle können als Katalysatoren wirken. Ein gutes Beispiel für Platin im Katalysator eines Automobils. Der Katalysator ermöglicht es, giftiges Kohlenmonoxid in weniger giftiges Kohlendioxid umzuwandeln. Dies ist ein Beispiel für eine heterogene Katalyse.
  • Ein klassisches Beispiel für eine Reaktion, die erst nach Zugabe eines Katalysators mit nennenswerter Geschwindigkeit abläuft, ist die zwischen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Wenn Sie die beiden Gase miteinander mischen, passiert nicht viel. Wenn Sie jedoch Wärme von einem brennenden Streichholz oder einem Funken hinzufügen, überwinden Sie die Aktivierungsenergie, um die Reaktion zu starten. Bei dieser Reaktion reagieren die beiden Gase unter Bildung von Wasser (explosionsartig).
    H 2 + O 2 ↔ H 2 O.
  • Die Verbrennungsreaktion ist ähnlich. Wenn Sie beispielsweise eine Kerze verbrennen, überwinden Sie die Aktivierungsenergie, indem Sie Wärme anwenden. Sobald die Reaktion beginnt, überwindet die von der Reaktion freigesetzte Wärme die Aktivierungsenergie, die erforderlich ist, damit sie ablaufen kann.

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