Katalysator

Ein Katalysator erhöht die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Wie das funktioniert, erfährst du hier!

Was ist ein Katalysator?

Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, muss die sogenannte Aktivierungsenergie (energetische Hürde) überwunden werden. Du kannst sie dir wie einen Berg vorstellen, den die Edukte (Ausgangsstoffe) einer Reaktion bezwingen müssen. 

Da der Aktivierungsenergie für die Stoffe oft hoch sein kann, brauchen sie Hilfe von einem sogenannten Katalysator. Katalysatoren sind Stoffe, die die Aktivierungsenergie herabsetzen können, sodass die Stoffe den „Berg“ überwinden und miteinander reagieren können. Das führt dazu, dass die Reaktion dann auch schneller abläuft. 

Eine Besonderheit ist, dass der Katalysator zwar an der Reaktion (Katalyse) teilnimmt, selbst aber nicht verbraucht wird. Das heißt, du kannst einen Katalysator öfter verwenden.

Katalysator Chemie – Funktion

Ein Katalysator ist in der Chemie also ein Stoff, der die Aktivierungsenergie herabsetzt, wodurch eine chemische Reaktion schneller ablaufen kann. 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 eine katalytischen Reaktion.

Aber wie genau schafft es der Katalysator eigentlich, die Aktivierungsenergie herabzusetzen?

Der Katalysator nimmt selbst an der Reaktion teil. Das heißt, er reagiert mit einem der Ausgangsstoffe. 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. Die Reaktion läuft dann auch deutlich schneller ab.

Das kannst du auch alles mit einer Gleichung ausdrücken.

A + B + Kat A–Kat + B AB + Kat

Zusätzlich kannst du die Katalyse auch in einem Katalysator-Energiediagrammdarstellen. Hier beschreibt die rote Kurve die unkatalysierte Reaktion und die blaue Kurve die katalysierte Reaktion.

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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 danach noch weitere Reaktionen katalysieren kann.

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 Beschleunigers ablaufen kann. Meistens verwendest du als Katalysator einen Platindraht. Das Platin 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 soweit gesenkt, dass die beiden chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren können.

2 H₂ + O₂ 2 H₂O  

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Katalysator Eigenschaften

Du hast bereits einige Eigenschaften von Katalysatoren kennengelernt. Wir haben die wichtigsten noch einmal für dich aufgelistet:

• Katalysatoren verändern sich bei der chemischen Reaktion nicht und können daher öfter verwendet werden.
• Sie können Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen (positive Katalysatoren).
• Es gibt aber auch negative Katalysatoren, die Reaktionen verlangsame, indem sie die Aktivierungsenergie erhöhen.
• Katalysatoren sind selektiv, sie können also nur bestimmte Reaktionen beschleunigen.
• ein Katalysator kann homogen oder heterogen sein:
  • Homogene Katalysatoren haben denselben Aggregatszustand (physikalischer Zustand) wie die Reaktionsteilnehmer, z.B. alle sind flüssig.
  • Heterogene Katalysatoren haben hingegen einen anderen Aggregatszustand als die Reaktionsteilnehmer und sind z.B. fest, während die anderen Stoffe flüssig sind.

Katalysator Bedeutung

Katalysatoren sind von großer Bedeutung und finden daher in vielen unterschiedlichen Gebieten Anwendung. Wir haben ein paar Katalysator-Beispiele von chemischen Reaktionen für dich aufgelistet:

• Industrie: Auch hier kann nicht mehr auf die Beschleuniger verzichtet werden. Ungefähr 80 % aller chemischen Erzeugnisse (z.B. Klebstoffe, Farbstoffe) müssen bei ihrer Herstellung mindestens einmal katalysiert werden.
• Autos: Durch einen Katalysator (meistens ein Platin Katalysator) im Auto bzw. genauer im Verbrennungsmotor kann der Schadstoffausstoß im Abgas stark reduziert werden. Das ist wichtig, damit wir die Umwelt besser schützen können. 
• Haber-Bosch-Verfahren : Um Ammoniak (NH₃) großtechnisch herzustellen, wird der Katalysator Aluminiumoxid (Al₂O₃) benötigt. Das entstandene Ammoniak verwenden wir wiederum für die Herstellung von Düngemitteln.
• Ostwald-Verfahren : Hier wird Ammoniak weiter zu Salpetersäure (HNO₃) verarbeitet. Das Ganze passiert mithilfe eines Platin-Katalysators.
• Alkoholische Gärung : Ein organischer Katalysator wie ein Hefepilz baut Glucose (C₆H₁₂O₆) zu Ethanol (C₂H₅OH) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) ab.
• Natur: In Lebewesen wie uns 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 sogar wir Menschen ohne Katalysatoren nicht überleben könnten, erfährst du in unserem Video zu den Enzymen. Schau also direkt noch vorbei!