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Katalyse-Definition in der Chemie

Katalyse ist definiert als Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Einführung eines Katalysators. Ein Katalysator wiederum ist eine Substanz, die nicht von der chemischen Reaktion verbraucht wird , sondern deren Aktivierungsenergie senkt. Mit anderen Worten ist ein Katalysator sowohl ein Reaktant als auch ein Produkt einer chemischen Reaktion. Typischerweise wird nur eine sehr kleine Menge Katalysator benötigt, um eine Reaktion zu katalysieren .

Die SI-Einheit für die Katalyse ist das Katal. Dies ist eine abgeleitete Einheit, die Mol pro Sekunde ist. Wenn Enzyme eine Reaktion katalysieren, ist die bevorzugte Einheit die Enzymeinheit. Die Wirksamkeit eines Katalysators kann unter Verwendung der Umsatzzahl (TON) oder der Umsatzhäufigkeit (TOF) ausgedrückt werden, die TON pro Zeiteinheit ist.

Die Katalyse ist ein wichtiger Prozess in der chemischen Industrie. Es wird geschätzt, dass 90% der kommerziell hergestellten Chemikalien durch einen katalytischen Prozess synthetisiert werden.

Manchmal wird der Begriff „Katalyse“ verwendet, um eine Reaktion zu bezeichnen, bei der eine Substanz verbraucht wird (z. B. basenkatalysierte Esterhydrolyse). Laut IUPAC ist dies eine falsche Verwendung des Begriffs. In dieser Situation sollte die der Reaktion zugesetzte Substanz eher als Aktivator als als Katalysator bezeichnet werden.

Wichtige Erkenntnisse: Was ist Katalyse?

  • Bei der Katalyse wird die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Zugabe eines Katalysators erhöht.
  • Der Katalysator ist sowohl ein Reaktant als auch ein Produkt in der Reaktion, so dass er nicht verbraucht wird.
  • Die Katalyse senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion und macht sie thermodynamisch günstiger.
  • Katalyse ist wichtig! Etwa 90% der handelsüblichen Chemikalien werden unter Verwendung von Katalysatoren hergestellt.

 

Wie Katalyse funktioniert

Ein Katalysator bietet einen anderen Übergangszustand für eine chemische Reaktion mit einer geringeren Aktivierungsenergie. Kollisionen zwischen Reaktantenmolekülen erreichen eher die Energie, die zur Bildung von Produkten erforderlich ist, als ohne die Anwesenheit des Katalysators. In einigen Fällen besteht ein Effekt der Katalyse darin, die Temperatur zu senken, bei der eine Reaktion abläuft.

Die Katalyse verändert das chemische Gleichgewicht nicht, da sie sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsgeschwindigkeit der Reaktion beeinflusst. Es ändert die Gleichgewichtskonstante nicht. Ebenso wird die theoretische Ausbeute einer Reaktion nicht beeinflusst.

 

Beispiele für Katalysatoren

Eine Vielzahl von Chemikalien kann als Katalysatoren verwendet werden. Für chemische Reaktionen, an denen Wasser beteiligt ist, wie Hydrolyse und Dehydratisierung, werden üblicherweise die Protonensäuren verwendet. Als Katalysatoren verwendete Feststoffe umfassen Zeolithe, Aluminiumoxid, graphitischen Kohlenstoff und Nanopartikel. Übergangsmetalle (z. B. Nickel) werden am häufigsten verwendet, um Redoxreaktionen zu katalysieren. Organische Synthesereaktionen können unter Verwendung von Edelmetallen oder „späten Übergangsmetallen“ wie Platin, Gold, Palladium, Iridium, Ruthenium oder Rhodium katalysiert werden.

 

Arten von Katalysatoren

Die zwei Hauptkategorien von Katalysatoren sind heterogene Katalysatoren und homogene Katalysatoren. Enzyme oder Biokatalysatoren können als separate Gruppe oder als zu einer der beiden Hauptgruppen gehörend angesehen werden.

Heterogene Katalysatoren sind solche, die in einer anderen Phase als die katalysierte Reaktion vorliegen. Beispielsweise sind feste Katalysatoren, die eine Reaktion in einem Gemisch aus Flüssigkeiten und / oder Gasen katalysieren, heterogene Katalysatoren. Die Oberfläche ist entscheidend für die Funktion dieses Katalysatortyps.

Homogene Katalysatoren existieren in der gleichen Phase wie die Reaktanten in der chemischen Reaktion. Metallorganische Katalysatoren sind eine Art homogener Katalysatoren.

Enzyme sind Katalysatoren auf Proteinbasis. Sie sind eine Art von Biokatalysator . Lösliche Enzyme sind homogene Katalysatoren, während membrangebundene Enzyme heterogene Katalysatoren sind. Die Biokatalyse wird zur kommerziellen Synthese von Acrylamid und Maissirup mit hohem Fructosegehalt verwendet.

 

Verwandte Begriffe

Präkatalysatoren sind Substanzen, die sich während einer chemischen Reaktion in Katalysatoren umwandeln. Es kann eine Induktionsperiode geben, während die Präkatalysatoren aktiviert werden, um Katalysatoren zu werden.

Cokatalysatoren und Promotoren sind Bezeichnungen für chemische Spezies, die die katalytische Aktivität unterstützen. Wenn diese Substanzen verwendet werden, wird der Prozess als kooperative Katalyse bezeichnet .

 

Quellen

  • IUPAC (1997). Kompendium der chemischen Terminologie (2. Aufl.) (Das „Goldbuch“). doi: 10.1351 / goldbook.C00876
  • Knözinger, Helmut und Kochloefl, Karl (2002). „Heterogene Katalyse und feste Katalysatoren“ in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH, Weinheim. doi: 10.1002 / 14356007.a05_313
  • Laidler, KJ und Meiser, JH (1982). Physikalische Chemie . Benjamin / Cummings. ISBN 0-618-12341-5.
  • Masel, Richard I. (2001). Chemische Kinetik und Katalyse . Wiley-Interscience, New York. ISBN 0-471-24197-0.
  • Matthiesen J., Wendt S., Hansen J., Madsen G. K., Lira E., Galliker P., Vestergaard E. K., Schaub R., Laegsgaard E., Hammer B., Besenbacher F. (2009). „Beobachtung aller Zwischenschritte einer chemischen Reaktion auf einer Oxidoberfläche durch Rastertunnelmikroskopie.“ ACS Nano . 3 (3): 517–26. doi: 10.1021 / nn8008245

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