Katalysatordefinition und Funktionsweise

Ein Katalysator ist eine chemische Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, indem sie die Aktivierungsenergie ändert, die erforderlich ist, damit die Reaktion abläuft. Diesen Vorgang nennt man Katalyse. Ein Katalysator wird von der Reaktion nicht verbraucht und kann gleichzeitig an mehreren Reaktionen teilnehmen. Der einzige Unterschied zwischen einer katalysierten und einer nicht katalysierten Reaktion besteht darin, dass die Aktivierungsenergie unterschiedlich ist. Es gibt keine Auswirkung auf die Energie der Reaktanten oder der Produkte. Das ΔH für die Reaktionen ist das gleiche.

Wie Katalysatoren funktionieren

Katalysatoren ermöglichen einen alternativen Mechanismus für die Reaktanten, um Produkte mit einer geringeren Aktivierungsenergie und einem anderen Übergangszustand zu werden. Ein Katalysator kann eine Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur ablaufen lassen oder die Reaktionsgeschwindigkeit oder -selektivität erhöhen. Katalysatoren reagieren häufig mit Reaktanten, um Zwischenprodukte zu bilden, die schließlich die gleichen Reaktionsprodukte ergeben und den Katalysator regenerieren. Es ist zu beachten, dass der Katalysator während eines der Zwischenschritte verbraucht werden kann, aber vor Beendigung der Reaktion erneut erzeugt wird.

Positive und negative Katalysatoren (Inhibitoren)

Wenn sich jemand auf einen Katalysator bezieht, bedeutet dies normalerweise a positiver Katalysator, Dies ist ein Katalysator, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie senkt. Es gibt auch negative Katalysatoren oder Inhibitoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verlangsamen oder deren Auftreten verringern.

Promotoren und katalytische Gifte

Ein Promotor ist eine Substanz, die die Aktivität eines Katalysators erhöht. Ein katalytisches Gift ist eine Substanz, die einen Katalysator inaktiviert.

Katalysatoren in Aktion

• Enzyme sind reaktionsspezifische biologische Katalysatoren. Sie reagieren mit einem Substrat unter Bildung einer instabilen Zwischenverbindung. Beispielsweise katalysiert Carboanhydrase die Reaktion:
  H₂CO₃(aq) ⇆ H₂O (l) + CO₂(aq)
  Das Enzym lässt die Reaktion schneller ins Gleichgewicht kommen. Bei dieser Reaktion ermöglicht das Enzym, dass Kohlendioxid aus dem Blut in die Lunge diffundiert und dort ausgeatmet werden kann.
• Kaliumpermanganat ist ein Katalysator für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Sauerstoffgas und Wasser. Die Zugabe von Kaliumpermanganat erhöht die Reaktionstemperatur und deren Geschwindigkeit.
• Mehrere Übergangsmetalle können als Katalysatoren wirken. Ein gutes Beispiel für Platin im Katalysator eines Automobils. Der Katalysator ermöglicht es, giftiges Kohlenmonoxid in weniger giftiges Kohlendioxid umzuwandeln. Dies ist ein Beispiel für eine heterogene Katalyse.
• Ein klassisches Beispiel für eine Reaktion, die erst bei Zugabe eines Katalysators mit nennenswerter Geschwindigkeit abläuft, ist die Reaktion zwischen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Wenn Sie die beiden Gase miteinander mischen, passiert nicht viel. Wenn Sie jedoch Wärme von einem brennenden Streichholz oder einem Funken hinzufügen, überwinden Sie die Aktivierungsenergie, um die Reaktion zu starten. Bei dieser Reaktion reagieren die beiden Gase unter Bildung von Wasser (explosionsartig).
  H₂ + Ö₂ ↔ H₂Ö
• Die Verbrennungsreaktion ist ähnlich. Wenn Sie zum Beispiel eine Kerze anzünden, überwinden Sie die Aktivierungsenergie, indem Sie Wärme anwenden. Sobald die Reaktion beginnt, überwindet die aus der Reaktion freigesetzte Wärme die Aktivierungsenergie, die erforderlich ist, damit sie ablaufen kann.