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Katalysator: Wirkung und Katalyse einfach erklärt
Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion, indem er einen anderen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglicht. Dabei wird er im idealisierten Reaktionszyklus zurückgebildet. Er verändert nicht die Lage eines chemischen Gleichgewichts, sondern sorgt nur dafür, dass es schneller erreicht wird.
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Was bewirkt ein Katalysator?
Manche Reaktionen wären grundsätzlich möglich, laufen aber bei Raumtemperatur kaum merklich ab. Den Teilchen fehlt häufig die nötige Energie, um die Energiebarriere der Reaktion zu überwinden.
Aktivierungsenergie
Die Aktivierungsenergie ist die Energiebarriere, die für den Beginn einer Reaktion überwunden werden muss.
Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit einer niedrigeren Barriere. Dadurch können pro Zeit mehr Teilchen erfolgreich reagieren: Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt.
Ein Katalysator macht eine mögliche Reaktion schneller. Er liefert keine Energie und macht aus einer unmöglichen Reaktion keine mögliche.
Wie verändert sich der Reaktionsweg?
Beim unkatalysierten Weg werden die Edukte direkt in Produkte umgewandelt. Beim katalysierten Weg beteiligt sich der Katalysator vorübergehend und bildet Zwischenstufen.
Vereinfacht lässt sich das so darstellen:
$$A + C \rightarrow AC$$
$$B + AC \rightarrow AB + C$$
$A$ und $B$ sind Edukte, $AB$ ist das Produkt und $C$ ist der Katalysator. Zuerst entsteht die Zwischenverbindung $AC$. Im zweiten Schritt wird das Produkt $AB$ gebildet und $C$ wieder frei.
Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist bei Raumtemperatur stark gehemmt. Platin kann einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglichen. Deshalb läuft die Reaktion schon bei niedrigerer Temperatur ausreichend schnell ab. Das Platin wird im Reaktionszyklus wieder frei.
Im Energiediagramm beginnen beide Wege beim gleichen Energieniveau der Edukte und enden beim gleichen Energieniveau der Produkte. Nur die höchste Barriere liegt beim katalysierten Weg niedriger. Anfangs- und Endzustand ändern sich also nicht.
Warum bleibt das Gleichgewicht gleich?
Bei einer umkehrbaren Reaktion laufen Hin- und Rückreaktion gleichzeitig ab. Ein Katalysator beschleunigt beide Richtungen. Deshalb stellt sich der Gleichgewichtszustand schneller ein, doch seine Lage bleibt unverändert.
Chemisches Gleichgewicht
Im chemischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion gleich schnell. Die Stoffmengen können dabei konstant erscheinen, obwohl auf Teilchenebene weiterhin Reaktionen stattfinden.
Schneller im Gleichgewicht bedeutet nicht: anderes Gleichgewicht. Der Katalysator verändert die Kinetik, nicht die Gleichgewichtslage.
Welche Arten der Katalyse gibt es?
Für die Einteilung ist wichtig, ob Katalysator und Reaktionsteilnehmer in derselben Phase vorliegen. Eine Phase ist ein einheitlicher Bereich eines Stoffsystems, zum Beispiel eine Flüssigkeit oder ein Feststoff.
Homogene Katalyse
Bei der homogenen Katalyse liegen Katalysator und Reaktionsteilnehmer in derselben Phase vor, häufig gemeinsam in einer Flüssigkeit.
Heterogene Katalyse
Bei der heterogenen Katalyse liegen Katalysator und Reaktionsteilnehmer in verschiedenen Phasen vor, zum Beispiel ein fester Katalysator und gasförmige Edukte.
Bei der heterogenen Katalyse reagieren Teilchen an aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche. Das sind Stellen, an denen Edukte gebunden und über Zwischenstufen umgewandelt werden. Eine große zugängliche Oberfläche kann viele solcher Kontaktstellen bereitstellen.
Enzyme sind biologische Katalysatoren. Ihre aktiven Zentren passen nur zu bestimmten Reaktionsteilnehmern. Diese Bevorzugung bestimmter Reaktionen nennt man Selektivität.
Konzentrierte Schwefelsäure kann eine Veresterung in einer gemeinsamen flüssigen Phase katalysieren: Das ist homogene Katalyse. Festes Platin mit gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff gehört dagegen zur heterogenen Katalyse. Ein Enzym, das in einer Zelle eine bestimmte Stoffumwandlung beschleunigt, ist ein Biokatalysator.
Was gilt in der Praxis?
„Der Katalysator wird nicht verbraucht“ beschreibt den idealisierten Reaktionszyklus. Der Katalysator nimmt vorübergehend am Ablauf teil und wird anschließend regeneriert. Er steht deshalb nicht als verbrauchter Stoff in der Summenreaktion.
In technischen Anlagen kann ein Katalysator trotzdem an Wirkung verlieren. Nebenprodukte können aktive Zentren blockieren, oder Nebenreaktionen können das Material verändern. Man spricht dann von Deaktivierung.
Außerdem beschleunigt nicht jeder Katalysator jede Reaktion. Gute technische Katalysatoren verbinden mehrere Eigenschaften:
- Aktivität: Sie beschleunigen die gewünschte Reaktion deutlich.
- Selektivität: Sie begünstigen möglichst das gewünschte Produkt.
- Stabilität: Sie bleiben unter den Reaktionsbedingungen möglichst lange wirksam.
Im Fahrzeugkatalysator unterstützen Edelmetalle verschiedene Abgasreaktionen. Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden oxidiert; Stickoxide werden reduziert. Die Auswahl der aktiven Materialien bestimmt mit, welche Reaktionen bevorzugt ablaufen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Katalysator
- Wirkung: alternativer Weg und niedrigere Aktivierungsenergie
- Folge: höhere Reaktionsgeschwindigkeit
- Mechanismus: Zwischenstufen und Regeneration
- Gleichgewicht: schneller erreicht, nicht verschoben
- Arten: homogen, heterogen und biologisch
- Praxis: Aktivität, Selektivität, Stabilität und Deaktivierung
Abschluss-Check
Wenn du alle drei Abschlussfragen begründen kannst, hast du die Kernidee verstanden: Ein Katalysator verändert den Weg und die Geschwindigkeit einer Reaktion, nicht deren Anfang, Ende oder Gleichgewichtslage.