Heterogene & homogene Katalyse, Katalysatoren & Enzyme

Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen dadurch, dass sie mit dem Edukt (hier Substrat genannt) einen Übergangszustand eingehen. Die Stoffwechselprozesse im menschlichen Körper werden durch Enzyme katalysiert. Auch laufen immens viele chemische Synthesen in der Industrie katalytisch ab.

Definition eines Katalysators

Ein Katalysator ermöglicht einer Reaktion einen neuen Weg mit einer kleineren Aktivierungsenergie. Dadurch führen bei gleicher Temperatur mehr Teilchen reaktive Stösse aus, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit steigt. Dies wird über Bildung eines Übergangzustands von Substrat und Katalysator erreicht. Am Ende wird der Katalysator wieder zurückgebildet. Er wird deshalb nicht verbraucht und taucht in der Reaktionsgleichung nicht auf.

Chemie; Reaktionslehre; 1. Gymi; Heterogene & homogene Katalyse, Katalysatoren & Enzyme — Energiediagramme einer nicht-katalysierten (rot) und einer katalysierten (blau) Reaktion:
1. Substrat + Katalysator
2. Produkt + Katalysator
3. Aktivierungsenergie ohne Katalysator
4. Aktivierungsenergie mit Katalysator

Reaktionsprofile

Heterogene Katalyse

Ein heterogener Katalysator ist ein Katalysator, der sich in einem anderen Aggregatzustand als die Reaktanden und Produkte befindet. Er befindet sich in einer anderen Phase. Er funktioniert, indem er einen alternativen Reaktionsweg mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie bereitstellt. Das bedeutet, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, da ein höherer Anteil der Moleküle die Aktivierungsenergie erreicht und reagieren kann.

Katalysatoren sind sehr spezifisch dafür, welche Reaktion sie katalysieren. Die Art und Weise, wie heterogene Katalysatoren an der Reaktion teilnehmen, ist durch Adsorption und Desorption. Bei der Adsorption binden sich die Reaktionspartner an die Oberfläche des Katalysators. Dadurch wird zum Beispiel eine Bindung geschwächt oder gebrochen und aus dem so erzeugten Übergangszustand bilden sich die Produkte. Dann erfolgt die Desorption. Das ist der Zeitpunkt, an dem die Produkte die Oberfläche des Katalysators verlassen.

Beispiel: Haber-Bosch-Verfahren

Die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff wird durch Magnetit (Fe₃O₄) bei einem Druck von 250 bis 350 bar und einer Temperatur von 450 bis 550 °C katalysiert:

$N_2(g)+3\>H_2(g)\xleftrightharpoons{Fe_3O_4}2\,NH_3(g)$ 

Aus Ammoniak wird Salpetersäure und Nitratdünger gewonnen. Diese 3 Substanzen gehören zu den wichtigsten chemischen Rohstoffen überhaupt. Ohne dieses Verfahren wäre unsere heutige Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion nicht denkbar.

Homogene Katalyse

Ein homogener Katalysator ist ein Katalysator, der sich im gleichen Aggregatzustand befindet wie die Reaktanden und Produkte. Er befindet sich also in der gleichen Phase. Er funktioniert, indem er mit den Reaktanten reagiert und eine Zwischenspezies bildet. Die Vorteile der homogenen Katalyse gegenüber der heterogenen Katalyse sind die milderen Reaktionsbedingungen wie niedriger und moderate Temperaturen und die oft bessere Selektivität. Nachteilig ist jedoch die schwierige Abtrennung des Katalysators vom Reaktionsgemisch, da sich beide in der gleichen Phase befinden.

Beispiel: Ziegler-Natta-Verfahren

Nach dem Ziegler-Natta-Verfahren wird Ethen beziehungsweise Propen im grosstechnischen Massstab zu Polyethylen beziehungsweise Polypropylen polymerisiert. Hierbei finden Übergangsmetallkomplexe Verwendung.

$n\,C_2H_4 \xrightarrow{Ziegler-Natta-Kat.} [C_2H_4]_n$

$n\,C_2H_3CH_3 \xrightarrow{Ziegler-Natta-Kat.} [C_2H_3CH_3]_n$

Durch dieses Verfahren wurde es möglich, die heute bei weitem am meisten hergestellten Kunststoffe, Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), kostengünstig und in hoher Qualität herzustellen.

Enzyme und Biokatalyse

Enzyme sind auch Katalysatoren. Durch ihre hohe katalytische Aktivität, sie beschleunigen Reaktionen um mehr als einen Faktor 10⁶ und haben eine hohe Spezifität bezüglich der Substrate. Sie begünstigen durch ihre elektronischen und sterischen Eigenschaften die Bildung des Übergangszustandes.

Autokatalyse

Autokatalyse bezeichnet eine besondere Form der katalytischen chemischen Reaktion, bei der ein Endprodukt als Katalysator für die Reaktion wirkt. Durch die fortlaufende Bildung dieses Katalysators wird die Reaktion ständig beschleunigt, solange noch genügend Ausgangsstoffe zur Verfügung stehen. Es handelt sich dabei um eine positive Rückkopplung.