Katalysator

Was ist ein Katalysator?

Ein Katalysator ist in der Chemie ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Das gelingt dadurch, indem der Katalysator die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzt. Der Katalysator selbst wird bei der chemischen Reaktion nicht verbraucht.

Aufgrund hoher Aktivierungsenergien ist ein Katalysator für den Ablauf verschiedener Reaktionen wichtig. Er nimmt selbst an der chemischen Reaktion teil, kann aber zurückgewonnen werden.

Indem der Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit verändert, beeinflusst er die Kinetik der Reaktion. Jedoch hat der Katalysator keinen Einfluss auf das Gleichgewicht der Reaktion (Thermodynamik).

Katalysator Chemie

Durch einen Katalysator in der Chemie kann eine Reaktion also schneller ablaufen. Da einige Reaktionspartner die energetische Hürde nicht ohne Hilfe überwinden können, erfordern viele chemische Reaktionen einen Katalysator. Solche Reaktionen nennst du dann auch eine Katalyse oder katalytische Reaktion.

Wirkungsweise eines Katalysators

Der Katalysator nimmt selbst an der Reaktion teil. Das heißt, er reagiert mit einem der Ausgangsstoffe (Edukte). Dadurch bildet sich ein sogenannter Übergangszustand.

Der Übergangszustand mit Katalysator ist stabiler als ohne. Deshalb wird weniger Aktivierungsenergie benötigt, um die Ausgangsstoffe in den Übergangszustand zu bringen. So ist es möglich, dass die beiden Reaktionspartner sich leichter miteinander verbinden und reagieren können. Deshalb läuft die Reaktion dann auch deutlich schneller ab.

Die Katalyse kannst du mit folgender Gleichung beschreiben.

A + B + Kat A–Kat + B AB + Kat

Katalysator Energiediagramm

Zusätzlich kannst du die Katalyse auch in einem Energiediagramm darstellen. Hier beschreibt die rote Kurve die unkatalysierte Reaktion und die blaue Kurve die katalysierte Reaktion.

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Du siehst, dass die benötigte Energie bei der blauen Kurve deutlich geringer ist. Konkret heißt das: Durch den Katalysator erreichen die Edukte leichter und schneller den Übergangszustand. Die Ausgangsstoffe werden dann in einer katalytischen Reaktion in Produkte umgewandelt. Der Katalysator selbst geht dabei unverändert aus der Reaktion hervor. Das führt dazu, dass er die gleiche Reaktion mehrmals katalysieren kann.

Katalysator Eigenschaften

Du hast bereits einige Eigenschaften von Katalysatoren kennengelernt. Zu den wichtigsten gehören folgende:

• Katalysatoren verändern sich bei der chemischen Reaktion nicht
• Sie erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion
• für schwer kontrollierbare Reaktionen gibt es auch negative Katalysatoren, die Reaktionen verlangsamen (Erhöhung der Aktivierungsenergie)
• Katalysatoren wirken selektiv, sie können also nur bestimmte Reaktionen beschleunigen
• Unterscheidung in homogene oder heterogene Katalysatoren:
  • Homogene Katalysatoren haben denselben Aggregatzustand (physikalischer Zustand) wie die Reaktionsteilnehmer, z. B. alle sind flüssig.
  • Heterogene Katalysatoren haben hingegen einen anderen Aggregatzustand als die Reaktionsteilnehmer und sind z. B. fest, während die anderen Stoffe flüssig oder gasförmig sind.

Katalysator Chemie Beispiel

Es gibt viele Katalysatoren (homogen und heterogen) sowie katalytische Reaktionen. Nachfolgend stellen wir dir die katalytische Verbrennung genauer vor und nennen danach noch einige Beispiele.

Katalytische Verbrennung

Ein Beispiel für eine bekannte katalytische Reaktion ist die katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff. Du kennst die Reaktion vielleicht auch unter dem Namen Knallgasreaktion.

Die Aktivierungsenergie bei niedrigen Temperaturen (z. B. Raumtemperatur) ist so hoch, dass die Reaktion nur mithilfe eines Katalysators ablaufen kann. Meistens verwendest du dafür einen Platindraht. Das Platin (Pt) verbindet sich mit den Wasserstoffmolekülen, wodurch ein stabiler Übergangszustand entsteht.

Auf die Weise schafft es das Platin, die Aktivierungsenergie zu senken, sodass die Reaktion auch bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann.

Durch das Platin wird die energetische Hürde also so weit gesenkt, dass die beiden chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff bei Raumtemperatur miteinander reagieren können.

2 H₂ + O₂ 2 H₂O

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Wichtige katalytische Verfahren

Die chemischen Grundstoffe wie beispielsweise Säuren und Basen werden in großem Maßstab in industriellen Verfahren hergestellt:

• Haber-Bosch-Verfahren : Um Ammoniak (NH₃) großtechnisch herzustellen, wird der Katalysator Aluminiumoxid (Al₂O₃) benötigt. Das entstandene Ammoniak wird wiederum beispielsweise für die Herstellung von Düngemitteln verwendet.
• Ostwald-Verfahren : Hier wird Ammoniak in drei Teilschritten weiter zu Salpetersäure (HNO₃) oxidiert. Die Reaktion verwendet einen Katalysator aus Platin.

Katalysator Bedeutung

Katalysatoren sind von großer Bedeutung und werden daher in vielen unterschiedlichen Gebieten verwendet:

• Chemische Industrie: Ungefähr 80 % aller chemischen Erzeugnisse (z. B. Klebstoffe, Farbstoffe) müssen bei ihrer Herstellung mindestens einmal katalysiert werden.
• Autos: Durch einen Katalysator (meistens Platin) im Auto bzw. genauer im Verbrennungsmotor kann der Schadstoffausstoß im Abgas stark reduziert werden. Das ist wichtig, damit wir die Umwelt besser schützen können. 
• Alkoholische Gärung : Ein organischer Katalysator wie ein Hefepilz baut Glucose (C₆H₁₂O₆) zu Ethanol (C₂H₅OH) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) ab.
• Natur: In Lebewesen wie den Menschen, Tieren oder Pflanzen laufen fast alle biochemischen Reaktionen katalysiert ab. Beispielsweise die Photosynthese bei Pflanzen oder Stoffwechselprozesse wie die Zellatmung . Die Reaktionen werden durch Enzyme (organischer Katalysator) katalysiert.

Warum wir Menschen ohne Katalysatoren nicht überleben könnten, erfährst du in unserem Video zu den Enzymen. Schau also direkt noch vorbei!