Katalysator

Een katalysator is een stof die een bepaalde reactie versnelt of vertraagt zonder zelf verbruikt te worden.

Een katalysator wordt o.a. gebruikt in het uitlaatsysteem van benzinemotoren.

Een bepaalde reactie kan zo langzaam verlopen dat het (letterlijk) eeuwen zou duren voordat een evenwichtstoestand is bereikt, maar door een katalysator wordt de kinetiek van de reactie sterk versneld.

Een groot (milieu)voordeel is dat de katalysator wel kan meereageren, maar aan het eind van de reactie weer in zijn oorspronkelijke vorm uit de reactie komt en dan weer opnieuw kan werken.

Bij biologische katalysatoren spreekt men van enzymen.

Homogeen of heterogeen

Een belangrijke onderverdeling in katalysatoren is die tussen homogene katalysatoren en heterogene katalysatoren.

Een homogene katalysator maakt deel uit van het reactiemengsel.
Een heterogene katalysator maakt geen deel uit van het reactiemengsel, maar vormt een aparte fase die in contact wordt gebracht met het reactiemengsel.

Een belangrijk voordeel van een homogene katalysator is dat hij altijd goed in contact is met de reactanten. Daarentegen moet hij, als hergebruik van de katalysator gewenst is, later uit het uitgereageerde mengsel worden teruggewonnen. Voor heterogene katalysatoren geldt het omgekeerde: deze zijn zeer eenvoudig voor hergebruik terug te winnen, maar er is vaak veel onderzoek nodig om voldoende contact tussen de katalysator en het reactiemengsel ook op lange duur te garanderen.

Een heterogene katalysator is zeer geschikt voor een continu proces: hij kan stationair deel uitmaken van een reactieomgeving terwijl de reactanten en producten door de reactor stromen. Een voorbeeld hiervan is de katalysator die in auto's voor de reiniging van uitlaatgassen gebruikt wordt. Hier stroomt het uitlaatgas, dat voor een deel uit onverbrandde koolwaterstoffen bestaat, door een keramisch blok met vele kanaaltjes die intern met een laagje platina en palladium bedekt zijn. Deze metalen vormen de eigenlijke katalysator die bij een werktemperatuur tussen 300 en 850 °C onverbrande brandstof en ongewenste producten als koolmonoxide en stikstofoxiden omzet in kooldioxide, stikstof en water. Toevoeging van tetraethyllood aan de brandstof verstoort de werking van de katalysator in ernstige mate.

Werking van een katalysator

De aanwezigheid van een katalysator laat een reactie sneller verlopen. Toch wordt de concentratie, druk of temperatuur niet verhoogd. De werking valt te verklaren doordat een katalysator E_a (activeringsenergie) verlaagt door zelf met de reactie mee te doen. Na de reactie komt hij weer vrij. Als voorbeeld de reactie

A + B → AB

Deze verloopt bij aanwezigheid van een katalysator in meerdere stappen:

A + K → AK

AK + B → AB + K

Opgeteld geeft dit:

A + B + K → AB + K

K kan vervolgens links en rechts worden weggestreept.

Het is belangrijk om in te zien dat het energieverschil van de reactie zonder en de reactie met katalysator gelijk is. Aangezien in een evenwichtsreactie de ligging van het evenwicht gebaseerd is op dit energieverschil kan een katalysator niet worden gebruikt om een evenwichtsreactie te laten aflopen naar één kant.

Iets anders wordt het als er nog andere reacties mogelijk zijn, bijvoorbeeld A₂ of B₂ als producten. Als zo'n storende reactie een activeringsenergie heeft die lager ligt dan de gewenste reactie zonder katalysator, dan zullen er zonder katalysator bijna alleen nevenproducten worden gevormd, en met katalysator bijna alleen de gewenste producten. Op die manier kan een katalysator niet alleen de snelheid, maar ook de selectiviteit van een reactie beïnvloeden.

scheikunde

Gourt Home::Gourt :: Katalysator

Homogeen of heterogeen

Werking van een katalysator