Katalysatoren

13.2
Katalysatoren
Def.: Einen Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt bezeichnet man als
Katalysator. Er nimmt an der Reaktion teil, liegt aber nach der Reaktion unverändert
vor. Eine Reaktion mit Einsatz eines Katalysators nennt man Katalyse.
Der Katalysator geht zuerst mit
einem der Edukte eine Verbindung ein (Zwischenprodukt). In einem zweiten Schritt
reagiert dann das Zwischenprodukt mit dem zweiten
Edukt zu den Produkten, wobei
der Katalysator in seiner
ursprünglichen Form auch
unter den Produkten ist. Das
ganze macht nur dann Sinn,
wenn die Aktivierungsenergien
der beiden Schritte tiefer sind
als die Aktivierungsenergie der
Reaktion ohne Katalysator.
Bsp. Wasserstoffperoxid (H2O2) kann in Wasser und Sauerstoff zerfallen, diese Reaktion ist aber so
langsam, dass Wasserstoffperoxid jahrelang aufbewahrt werden kann ohne zu zerfallen. Mit
Iodid-Ionen (I-) läuft der Zerfall jedoch ziemlich schnell ab.
1. Schritt:
I- + H2O2 + H2O2

IO- + H2O + H2O2
2. Schritt:
IO- + H2O + H2O2

I- + H2O + H2O + O2
2 H2O2

2 H2O + O2
Gesamtreaktion:
Technische Katalysatoren
In der chemischen Industrie werden bei der Herstellung von etwa 80% der Produkte Katalysatoren
eingesetzt. Sehr wichtig sind zum Beispiel die Katalysatoren bei der Verkürzung der langen CKetten des Schweröls in kurzkettige Alkane (Benzin) beim sogenannten Cracking-Prozess.
Auch sehr bekannt ist der Katalysator im Auspuff von Automotoren. Es handelt sich um eine feine
Platinoberfläche. Russpartikel, die durch unvollständige Benzinverbrennung im Automotor entstehen, schaden der Umwelt sehr. Verbrannter Russ (CO2) wäre viel sauberer. Die Verbrennung von
Russ ist aber zu langsam, als dass sie noch im Automotor geschehen könnte. Platin wirkt hier als
Katalysator. Es bildet mit dem Russ ein Zwischenprodukt, welches sehr schnell mit Sauerstoff zu
Kohlendioxid weiterreagiert. So verlässt fast kein Russ mehr den Auspuff; diese Katalyse benötigt
dabei keine zusätzliche Energie und das teure Platin wird dabei auch nicht verbraucht.
Katalysatoren können hingegen inaktiviert werden. Der Grund dafür liegt häufig in einer sehr festen
Adsorption eines Stoffs an den Katalysator, sodass dieses den Zugang versperrt. Blei zum Beispiel
kann den Platin-Katalysator inaktivieren. Deshalb dürfen Autos mit Katalysatoren nur mit bleifreiem
Benzin betankt werden.
Biokatalysatoren: Enzyme
In lebenden Zellen findet man Katalysatoren von ausserordentlicher Wirksamkeit. Sie haben die Aufgabe, die
Aktivierungsenergien der Reaktionen
in einer Zelle so abzusenken, dass die
chemischen Vorgänge bei Körpertemperatur mit ausreichender Geschwindigkeit ablaufen. Diese so
genannten „Enzyme“ sind sehr grosse
Protein-Moleküle, die nur eine ganz
bestimmte chemische Reaktion katalysieren (sie sind also hochspezifisch).
Die Enzyme besitzen ein „katalytisches Zentrum“, wo die Reaktion
vorgenommen wird. Um das katalytische Zentrum herum muss das
Enzym eine ganz bestimmte Form
haben, so dass sich nur die richtigen
Edukte (Substrat) anlagern können.
Aufgaben:
1. Nicht alle Stoffe, die ein Zwischenprodukt innerhalb einer Reaktion bilden können, sind Katalysatoren. Welche zwei zusätzlichen Bedingungen muss ein Katalysator erfüllen?
2. Weshalb kommt beim Beispiel der Wasserstoffperoxid-Zersetzung mit Iodid in der Gesamtreaktion gar kein Iodid vor?
3. Weshalb ist es für die chemische Industrie wichtig, dass die chemischen Reaktionen dank Katalysatoren …
a) … auch bei tieferer Temperatur verlaufen?
b) … schneller verlaufen?
4. Wenn ein Auto mit Katalysator aus Versehen mit bleihaltigem Benzin gefahren ist. Was muss man
dann mit dessen Katalysator machen? (mit Begründung)
5. Was bedeutet „hochspezifisch“?
6. Weshalb sind Enzyme hochspezifisch?
7. Um eine Reaktion zu beschleunigen kann man die Temperatur erhöhen, die Oberfläche vergrössern, mit grösseren Konzentrationen arbeiten oder eben Katalysatoren einsetzen. Der menschliche Körper setzt alle diese vier Methoden ein. Geben Sie für jede Methode ein Beispiel an.