Definition der Katalyse in der Chemie

Katalyse ist definiert als Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Einführung von a Katalysator. Ein Katalysator ist wiederum eine Substanz, die nicht durch die chemische Reaktion verbraucht wird, sondern deren Aktivierungsenergie senkt. Mit anderen Worten ist ein Katalysator sowohl ein Reaktant als auch ein Produkt einer chemischen Reaktion. Typischerweise wird dazu nur eine sehr geringe Menge Katalysator benötigt katalysieren eine Reaktion.

Die SI-Einheit für die Katalyse ist die Katalyse. Dies ist eine abgeleitete Einheit, die Mol pro Sekunde ist. Wenn Enzyme eine Reaktion katalysieren, ist die bevorzugte Einheit die Enzymeinheit. Die Wirksamkeit eines Katalysators kann unter Verwendung der Umsatzzahl (TON) oder der Umsatzfrequenz (TOF) ausgedrückt werden, die TON pro Zeiteinheit ist.

Die Katalyse ist ein wichtiger Prozess in der chemischen Industrie. Es wird geschätzt, dass 90% der kommerziell hergestellten Chemikalien durch einen katalytischen Prozess synthetisiert werden.

Manchmal wird der Begriff "Katalyse" verwendet, um eine Reaktion zu bezeichnen, bei der eine Substanz verbraucht wird (z. B. basenkatalysierte Esterhydrolyse). Laut IUPAC ist dies eine falsche Verwendung des Begriffs. In diesem Fall sollte der der Reaktion zugesetzte Stoff als a bezeichnet werden Aktivator eher als ein Katalysator.

Wichtige Erkenntnisse: Was ist Katalyse??

• Bei der Katalyse wird die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Zugabe eines Katalysators erhöht.
• Der Katalysator ist sowohl ein Reaktant als auch ein Produkt in der Reaktion, so dass er nicht verbraucht wird.
• Die Katalyse bewirkt eine Verringerung der Aktivierungsenergie der Reaktion, wodurch sie thermodynamisch günstiger wird.
• Katalyse ist wichtig! Etwa 90% der kommerziellen Chemikalien werden unter Verwendung von Katalysatoren hergestellt.

Wie die Katalyse funktioniert

Ein Katalysator bietet einen anderen Übergangszustand für eine chemische Reaktion mit einer geringeren Aktivierungsenergie. Kollisionen zwischen Reaktantenmolekülen erreichen mit größerer Wahrscheinlichkeit die zur Bildung von Produkten erforderliche Energie als ohne Anwesenheit des Katalysators. In einigen Fällen besteht eine Auswirkung der Katalyse darin, die Temperatur zu senken, bei der eine Reaktion abläuft.

Die Katalyse verändert das chemische Gleichgewicht nicht, da sie sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsgeschwindigkeit der Reaktion beeinflusst. Es ändert die Gleichgewichtskonstante nicht. Ebenso wird die theoretische Ausbeute einer Reaktion nicht beeinflusst.

Beispiele für Katalysatoren

Als Katalysatoren können verschiedenste Chemikalien eingesetzt werden. Für chemische Reaktionen, an denen Wasser beteiligt ist, wie Hydrolyse und Dehydratisierung, werden üblicherweise Protonensäuren verwendet. Als Katalysatoren verwendete Feststoffe umfassen Zeolithe, Aluminiumoxid, Graphitkohlenstoff und Nanopartikel. Übergangsmetalle (z. B. Nickel) werden am häufigsten verwendet, um Redoxreaktionen zu katalysieren. Organische Synthesereaktionen können unter Verwendung von Edelmetallen oder "späten Übergangsmetallen" wie Platin, Gold, Palladium, Iridium, Ruthenium oder Rhodium katalysiert werden.

Arten von Katalysatoren

Die zwei Hauptkategorien von Katalysatoren sind heterogene Katalysatoren und homogene Katalysatoren. Enzyme oder Biokatalysatoren können als separate Gruppe oder als zu einer der beiden Hauptgruppen gehörend angesehen werden.

Heterogene Katalysatoren sind solche, die in einer anderen Phase vorliegen als die zu katalysierende Reaktion. Beispielsweise sind feste Katalysatoren, die eine Reaktion in einem Gemisch von Flüssigkeiten und / oder Gasen katalysieren, heterogene Katalysatoren. Die Oberfläche ist entscheidend für die Funktion dieses Katalysatortyps.

Homogene Katalysatoren existieren in der gleichen Phase wie die Reaktanten in der chemischen Reaktion. Metallorganische Katalysatoren sind eine Art homogener Katalysatoren.

Enzyme sind Katalysatoren auf Proteinbasis. Sie sind eine Art von Biokatalysator. Lösliche Enzyme sind homogene Katalysatoren, während membrangebundene Enzyme heterogene Katalysatoren sind. Die Biokatalyse wird zur kommerziellen Synthese von Acrylamid und Maissirup mit hohem Fructosegehalt verwendet.

Verwandte Begriffe

Vorkatalysatoren sind Substanzen, die sich bei einer chemischen Reaktion in Katalysatoren umwandeln. Es kann eine Induktionsperiode geben, während der die Vorkatalysatoren aktiviert werden, um Katalysatoren zu werden.

Co-Katalysatoren und Promotoren sind Bezeichnungen für chemische Spezies, die die katalytische Aktivität unterstützen. Bei Verwendung dieser Substanzen spricht man von einem Prozess kooperative Katalyse.

Quellen

• IUPAC (1997). Kompendium der chemischen Terminologie (2. Aufl.) (Das "Goldbuch"). doi: 10.1351 / goldbook.C00876
• Knözinger, Helmut und Kochloefl, Karl (2002). "Heterogene Katalyse und feste Katalysatoren" in Ullmanns Enzyklopädie der Industriechemie. Wiley-VCH, Weinheim. doi: 10.1002 / 14356007.a05_313
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