Wie oft hast Du Dir schon gewünscht, dass etwas einfach mal ein wenig schneller funktionieren könnte? Bestimmt oft genug. Dann wirst Du ein großer Fan des Katalysators sein. Wenn Du darauf wartest, dass sich jemand vor Dir an der Kasse beeilt, bringt Dir ein Katalysator leider nichts. Dafür beschleunigen Katalysatoren jedoch unglaublich viele Reaktionen. Und dazu erfährst Du hier alles. Show
Als Katalysator wird in der Chemie ein Stoff bezeichnet, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator liegt also nach der Reaktion unverändert vor. Allgemeines über KatalysatorenDie Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit wird durch das Herauf- oder Herabsetzen der Aktivierungsenergie erreicht. Folglich lassen sich zwei verschiedene Arten von Katalysatoren unterscheiden. Positive Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab, negative Katalysatoren setzen sie herauf. Katalysatoren ändern die Kinetik einer chemischen Reaktion, ohne dabei die Thermodynamik zu ändern. Die Hin- und Rückreaktion wird gleichermaßen beschleunigt oder verlangsamt, weshalb das Gleichgewicht der Reaktion nicht verändert wird. Wichtig ist dabei, dass sich das Gleichgewicht durch die Einwirkung des Katalysators nicht verändert, jedoch stellt sich dieses wesentlich schneller ein. Bei der Kinetik geht es hauptsächlich um den zeitlichen Ablauf einer Reaktion und wie diese dabei verläuft. Dies wird unter dem Begriff Kinetik einfach zusammengefasst. Thermodynamik hingegen ist die Theorie der Wärme, die sich mit dem Zusammenhang zwischen Wärme und Kraft bzw. Teilchenbewegung und durch Wärme verursachten Phänomenen befasst. In der Mitte des 19. Jahrhunderts kam Jöns Jakob Berzelius zu der Erkenntnis, dass manche chemische Reaktionen zwingend einen Katalysator benötigen, damit sie erfolgen können. Erstmals definiert wurde der Katalysator 1895 von Wilhelm Ostwald, später Nobelpreisträger für Chemie. Ein Katalysator sei “eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verändert, ohne selbst in den Produkten zu erscheinen”. Katalysator – WirkungsweiseDer Katalysator wirkt, indem er den Mechanismus, also das Potenzial einer chemischen Reaktion derart verändert, dass die Aktivierungsenergie verändert wird. Der Katalysator wird einer Reaktion beigegeben und durch diesen wird die Aktivierungsenergie herabgesetzt. Das hat zur Folge, dass die Reaktion schneller abläuft, da nicht erst eine große Menge an Energie nötig ist, um die Reaktion ablaufen zu lassen. Mithilfe des folgenden Energiediagramms lässt sich die Wirkungsweise anschaulich erklären:  Die schwarze Kurve beschreibt die Reaktionohne Katalysator. Die rote Kurve zeigt in einem ersten Schritt die Reaktionund in einem zweiten Schritt die Reaktion. Die vertikale Achse beschreibt die Energiemenge, die horizontale Achse den Reaktionsverlauf. Die schwarze Kurve zeigt den Verlauf der unkatalysierten Reaktion. Die rote Kurve zeigt den Verlauf der Reaktion unter Verwendung eines Katalysators. Die Aktivierungsenergie der unkatalysierten Reaktion wird mit Eu bezeichnet, die der katalysierten Reaktion mit Ek. Die beiden Stoffe, die miteinander reagieren, werden hier als A und B bezeichnet, der Katalysator selbst als K. Dabei kannst Du erkennen, dass die schwarze Kurve viel mehr Energie benötigt, als die darunterliegende rote Kurve. Der Katalysator liegt am Anfang der roten Kurve zunächst ungebunden bei den Edukten der Reaktion vor. Bei dem ersten kleinen Hochpunkt bindet der Katalysator an eines der Edukte, wodurch hier die erste Verringerung der benötigten Energie geschieht. Danach reduziert er auch die benötigte Energie des zweiten Edukts, sodass die Reaktion schließlich stattfindet und am Ende ein Produkt und der unveränderte Katalysator entstanden sind. Es lassen sich verschiedene katalytische Verfahren unterscheiden, hier ein paar Beispiele:
Katalysator – BedeutungKatalysatoren sind unter anderem deshalb von großer Bedeutung, da sie in der Natur in vielfältiger Weise vorkommen. Fast alle wichtigen chemischen Reaktionen in Lebewesen laufen katalysiert ab. Beispiele dafür sind bestimmte Reaktionen, wie der Calvinzyklus, bei der Photosynthese, der Atmung oder der Energiegewinnung aus der Nahrung. Die verwendeten Katalysatoren sind bei den Reaktionen in Lebewesen meist bestimmte Eiweiße, nämlich die sogenannten Enzyme. Des Weiteren sind Katalysatoren in der Chemietechnik wichtig. In mehr als 80 Prozent aller chemischen industriellen Prozesse werden Katalysatoren eingesetzt, um die Aktivierungsenergie herabzusetzen. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würden viele chemische Reaktionen sehr viel langsamer oder gar nicht erfolgen, weswegen sie aus der Chemietechnik heutzutage kaum wegzudenken sind. Negative KatalysatorenNeben den positiven Katalysatoren, um die Aktivierungsenergie herabzusetzen, sind auch die negativen Katalysatoren teilweise wichtig in der chemischen Industrie. Chemische Reaktionen, die normalerweise explosionsartig ablaufen würden, können mithilfe eines solchen Katalysators kontrolliert und somit industriell genutzt werden. Zum Teil können durch solche Katalysatoren auch bestimmte Nebenprodukte ausgeschlossen werden. Selektivität von KatalysatorenDie Selektivität eines Katalysators, also dass bestimmte Reaktionen gewisse Katalysatoren voraussetzen, spielt eine wichtige Rolle, wenn bei den Reaktionen mehrere Produkte entstehen. Dabei wird der Katalysator so gewählt, dass nur diejenige Reaktion beschleunigt wird, die das erwünschte Produkt erzielt. Somit können Verunreinigungen durch Nebenprodukte weitestgehend vermieden werden. Katalysator – BeispieleJe nach Reaktion können die verschiedensten Stoffe als Katalysatoren dienen. Die Dehydrierung von Ethanol wird beispielsweise durch Raney-Nickel, Platin, Rhodium oder Palladium katalysiert. Hopcalite, eine Gruppe von Katalysatoren aus verschiedenen Metalloxiden, katalysieren die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid bei Raumtemperatur. Ein wichtiger und bekannter Katalysator ist der Autokatalysator. Ein Autokatalysator kannst Du die vorstellen in Form von einem großen Wabennetz aus Keramik, welches von einer katalytisch aktiven Substanz ummantelt ist. Diese Substanz variiert je nach Katalysatortyp. Dieser dient dann in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zur Abgasnachbehandlung. Somit können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Die Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (CmHn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) werden mithilfe des Fahrzeugkatalysators durch Oxidation oder Reduktion in die ungiftigen Stoffe Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) umgewandelt. Katalysator – ExperimentUm Katalysatoren ein wenig besser verstehen zu können und um einfach ein Bild von ihrer Wirkweise zu haben, kannst Du auch ganz einfach zu Hause ein kleines Experiment durchführen, welches Dir zeigt, wo und wie Katalysatoren vorkommen. DurchführungFalls Du ein kleines Experiment zu Katalysatoren zu Hause durchführen möchtest, kannst Du das folgende gerne ausprobieren, aber lass am besten auch einen Erwachsenen daran teilhaben! Für das Experiment benötigst Du:
Die Durchführung ist ziemlich simpel. Du halbierst beide Kartoffeln und legst je eine Hälfte auf Deine Unterlage, sodass die Schnittstellen nach oben zeigen. Nun tröpfelst Du auf jede der Schnittstellen einige Tropfen des Wasserstoffperoxids. BeobachtungJetzt solltest Du im Idealfall sehen können, dass auf der rohen Kartoffel Bläschen bilden und es anfängt, ein wenig zu schäumen. Auf der gekochten Kartoffel hingegen sollte nichts passieren. DeutungKartoffeln enthalten den Katalysator Katalase (Enzym), die die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff katalysiert. Luftblasen auf einer rohen Kartoffel weisen auf die Bildung von einem Gas, in diesem Fall Sauerstoff, hin. Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie der Reaktion auf ein Niveau, bei dem Umgebungswärme ausreicht. Was macht ein Katalysator bei einer chemischen Reaktion?Als Katalysator (von der Katalyse, griechisch , katálysis - Auflösung mit lateinischer Endung) bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herauf- oder Herabsetzung der Aktivierungsenergie.
Was passiert in einem Katalysator?Durch die chemischen Prozesse Oxidation und Reduktion wandelt er die Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide in die ungiftigen Stoffe Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff um. Das Ergebnis: Das schädliche Abgas, das aus dem Auto kommt, reduziert sich.
Welche Reaktionen finden im 3 Wege Katalysator statt?Die klassische Methode der Abgasnachbehandlung ist der „geregelte 3-Wege-Katalysator“. Hier laufen drei chemische Reaktionen von Reduktion und Oxidation parallel ab. Mithilfe der Lambdasonde vor dem Katalysator, auch Regelsonde genannt, wird der Lambdawert ermittelt.
Welche Reaktionen laufen in einem abgaskatalysator ab?Molekularer Sauerstoff wird adsorbiert und in beide Atome gespalten. Atomarer Sauerstoff kann nun mit Kohlenstoffmonooxid, das sich auf der Katalysatoroberfläche befindet, zu Kohlenstoffdioxid (CO2)reagieren, das dann durch den Auspuff abgegeben wird. Ein Drei-Wege-Katalysator vernichtet etwa 90 % der Schadstoffe.
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Welche chemische Reaktion findet im Katalysator statt?
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