Als Katalyse (griechisch κατάλυσις, katálysis - die Auflösung, Abschaffung, Aufhebung) wird die Veränderung (Beschleunigung, Veränderung der Selektivität) einer chemischen Reaktion durch Beteiligung eines Katalysators bezeichnet. Der Katalysator geht aus der Gesamtreaktion wieder hervor und kann somit mehrere Katalysezyklen durchlaufen.

Energetische Grundlagen der Katalyse

Energiediagramm_Enzymreaktion.png

Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen um mehrere Größenordnungen. Es ist allerdings nicht möglich, Reaktionen durchzuführen, die thermodynamisch verboten sind, dass die Gesamtenergie der Produkte höher liegt als die der Ausgangsstoffe. Wie bei jeder spontan ablaufenden Reaktion muss die freie Reaktionsenthalpie ($\backslash Delta\; G$) negativ sein. Das chemische Gleichgewicht wird durch einen Katalysator nicht verändert, wohl aber die Geschwindigkeit, mit der es sich einstellt. Die katalytische Wirksamkeit beruht einzig auf der Fähigkeit, die Aktivierungsenergie $(\backslash Delta\; G^\{\backslash ddagger\})$ einer chemischen Reaktion zu senken. Die Aktivierungsenergie ist der Energiebetrag, der zunächst überwunden werden muss, um die Reaktion in Gang zu setzen. Während der Reaktion wird das Substrat zunehmend verändert, es nimmt einen energetisch ungünstigen Übergangszustand ein. Die Aktivierungsenergie ist nun der Energiebetrag der benötigt wird, um das Substrat in den Übergangszustand zu zwingen. Hier setzt die katalytische Wirkung des Enzyms an: Durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit dem Übergangszustand stabilisiert es diesen, so dass weniger Energie benötigt wird, um das Substrat in den Übergangszustand zu bringen. Das Substrat kann wesentlich schneller in das Reaktionsprodukt umgewandelt werden, da ihm gewissermaßen ein Weg „geebnet” wird.

Katalysator

---

Ein Katalysator ist ein Stoff, der an einer chemischen Reaktion beteiligt ist ohne dabei verbraucht zu werden. Der Katalysator beschleunigt eine Reaktion, bzw. setzt die notwendige Aktivierungsenergie herab, so daß eine Reaktion z.B. bei niedrigeren Temperaturen stattfindet. Viele Reaktionen sind überhaupt erst durch einen Katalysator möglich, weil ohne Katalysator die Reaktion extrem langsam (z.B.) in einigen Millionen Jahren ablaufen würde oder bei der zur Reaktion ohne Katalysator notwendigen Temperatur das thermodynamische Gleichgewicht auf der Seite der Ausgangsstoffe liegt.

Allgemeines Beispiel

---

Eine einfache chemische Reaktion A + B -> AB kann z. B. folgendermaßen durch einen Katalysator "K" beeinflusst werden.

A + K -> AK AK + B -> AB + K

Hiermit ist auch erklärt, dass entgegen der Vermutung aus der Frühgeschichte der Chemie nicht nur die Anwesenheit eines Katalysators die Reaktion beeinflusst, sondern der Katalysator tatsächlich an der Reaktion beteiligt ist, auch wenn er hinterher unverändert vorliegt.

Einteilung

---

Es wird grundlegend zwischen heterogener Katalyse und homogener Katalyse unterschieden. Eine Sonderform stellt die Phasentransferkatalyse dar. Teilweise wird auch die Biokatalyse als Sonderform betrachtet.

Als heterogene Katalyse werden die Reaktionen bezeichnet, bei denen sich der Katalysator und die Ausgangsstoffe der Reaktion in unterschiedlichen Phasen befinden. (Z.B. in Erdölraffinerien, wenn das aufgeheizte Erdöl im Gaszustand mit festen Katalysatoren sog. Kontakten reagiert oder im Fahrzeugkatalysator bei dem die gasförmigen Verbrennungsprodukte an einem Feststoff zu weniger giftigen Abgasen reagieren).

Bei der homogenen Katalyse befinden sich sowohl die Ausgangsstoffe als auch der Katalysator in der gleichen Phase. Vielfach handelt es sich dabei um Reaktionen mit flüssigen Ausgangsstoffen, bei denen z. B. eine katalytisch wirkende Säure als Flüssigkeit hinzugegeben wird. Auch die Olefinmetathese wird durch homogene Übergangsmetallkatalysatoren katalysiert.

Mechanismen in der heterogenen Katalyse

---

Bei monomolekularen Reaktionen zerfällt z.B. einfach das Edukt an der Katalysatoroberfläche. Bei bimolekularen Reaktionen sind drei Mechanismen denkbar:

1. Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus

Beim Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus werden zunächst beide Edukte von der Katalysatoroberfläche adsorbiert. A_g -> A_ads B_g -> B_ads Anschließend reagieren die adsorbierten Edukte auf der Katalysatoroberfläche: A_ads + B_ads -> C_ads Im letzten Schritt desorbiert das Produkt C_ads -> C_g

2. Eley-Rideal-Mechanismus

Beim Eley-Rideal-Mechanismus wird zunächst nur ein Edukt von der Katalysatoroberfläche adsorbiert. A_g -> A_ads Anschließend reagieren die adsorbierten Edukte mit dem noch freien Edukt: A_ads + B_g -> C_ads Im letzten Schritt desorbiert wieder das Produkt. C_ads -> C_g

3. Mars-van-Krevelen-Mechanismus

Das Edukt A wird zunächst aus der Gasphase auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert. ASSI A_g -> A_ads Sauerstoff wird auf einer anderen Oberfläche des Festkörpers adsorbiert, dissoziiert dort und diffundiert an die Oberfläche (eng.: surface), an der A adsorbiert ist: O_2,g -> 2 O_ads -> 2 O_surf Dann findet die Reaktion mit A zu BO und C statt und es folgt die Desorption der Produkte in die Gasphase. A_ads + O_surf -> BO_ads + C_ads -> BO_g + C_g

Biokatalyse

---

Stoffwechselvorgänge in Lebewesen werden durch Enzyme katalysiert. Diese Reaktionen zeichnen sich allgemein durch äußerst hohe Effizienz und Selektivität aus und laufen bei milden Temperaturen und in wäßrigem Millieu ab. Reaktive Spezies, die mit Wasser reagieren würden, werden durch hydrophobe „Taschen“ abgeschirmt. Viele Biokatalysatoren sind Proteine oder enthalten Proteinbestandteile.

Phasentransferkatalyse

---

Vermittelt ein Katalysator den Kontakt zweier Reaktanden, die in unterschiedlichen Phasen (meist wäßrige und organische Phase) vorliegen, so spricht man von Phasentransferkatalyse. Der Katalysator einer solchen Reaktion ermöglicht den Durchtritt der Reaktanden durch die Phasengrenze.

Beispielsweise ermöglichen Kronenether die Lösung von Alkalimetallionen in organischen Lösungsmitteln, quartäre Ammoniumsalze mit lipohilen Alkylresten verbessern die Löslichkeit unpolarer Moleküle in Wasser.

Einige typische Beispiele für Katalyse-Vorgänge

---

• Die katalytische Aufspaltung (Cracking) von Erdöl zu Benzinprodukten in Erdölraffinerien.
• Reduktion von Stickoxiden aus den Motorabgasen im Platin - Katalysator von Kraftfahrzeugen
• Die Ammoniaksynthese
• Oxidation von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in Brennstoffzellen
• Verbrennung von Zucker mit Hilfe von Zigarettenasche (ein beliebter Zaubertrick)
• Nahezu alle biochemischen Vorgänge werden durch Enzyme katalysiert.

Literatur

---

Kripylo, P.; Wendlandt, K.-P.; Vogt, F.:. Heterogene Katalyse in der chemischen Technik. Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie GmbH, Leipzig, 1993

Siehe auch Katalysator, Autokatalyse, homogene Katalyse, heterogene Katalyse, Katalysatorgift, Biokatalysator, Photokatalyse

Chemische Reaktion

Weblinks

---

• http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/katalyse2/katalyse2.htm - Vortrag Prinzipien der Katalyse
• http://reaktionskinetik.de/seite31.html - Anschauliche Erklärung der Katalyse
• Chemie im Alltag: Katalyse - was ist das?

Catalysis | Catálisis | Catalyse | Katalyse | Catálise | Katalýza | 催化