Anorganische Chemie: Heterogene Katalyse

Name: Lara Hohenberger 2022-04

Allgemeines zu heterogenen Katalysatoren

- es dreht sich hierbei um eine Form der Katalyse, bei der der Katalysator und die reagierenden Stoffe einer chemischen Reaktion in unterschiedlichen Phasen vorliegen, wie zum Beispiel als Gas und Feststoff oder als nicht mischbare Flüssigkeiten.

- bei industriellen Prozessen liegt der heterogenen Katalysator meist als Feststoffe vor, als sogenannter "Kontakt" und die Reaktionspartner sind Gase oder Flüssigkeiten

- Vorteil der heterogenen Katalysatoren: leichte Trennung des Katalysators von Reaktanten und Produkten, sowie die Möglichkeit, deaktivierte Katalysatoren einfach aufzuarbeiten

- Herstellung von Grundchemikalien (z.B. Kontaktverfahren zur Schwefelsäureherstellung oder Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese) spielt entscheidende Rolle für den Erfolg der chemischen Industrie 

- durch Fischer-Tropsch-Synthese von Synthesegas (z.B. aus Biomasse, Kohle und Erdgas) entstehen synthetische XtL-Kraftstoffe und Rohstoffe 

- außerdem liefern heterogen-katalytische Reaktionen einen erheblichen Beitrag zur Gewinnung hochoktaniger Ottokraftstoffe und anderer wertvoller Kohlenwasserstoffkomponenten

Umwelttechnik:

- in der Umwelttechnik dient die heterogene Katalyse der Reinhaltung der Luft durch die Reduktion und Entfernung von Schadstoffen aus Kraftwerksemissionen

Aufbau von Feststoffkatalysatoren:

- häufigster eingesetzter Aggregatzustand ist die feste Form

- der Katalysator oder auch Kontakt genannt besteht entweder vollständig aus aktiven Vollkatalysatoren, oder die wirksame aktive Komponente wird auf das Trägermaterial gebracht

- das Verfahren der ablaufenden chemischen Reaktion stellen zahlreiche Anforderungen an die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kontakte

—> die Katalysatorenentwicklung muss daher eine zweckmäßige Herstellungsmethode bereitstellen, welche die gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Katalysatoren liefert

- man unterscheidet Feststoffkatalysatoren grob in Pulver-, Formkörper-, Monolith- oder Netzkatalysatoren

Ostwaldverfahren

- es dient der Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak, welches durch das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wird 

Verfahren:

- drei Teilschritte 

- Ausgangsstoffe sind Ammoniakgas, Sauerstoff und Wasser

1.Schritt: Heterogen katalysierte Verbrennung von Ammoniakgas

-Ammoniak wird mit Sauerstoff gemischt und in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei 800 Grad bis 900 Grad zu Wasser und Stickstoffmonoxid umgesetzt 

- Gasgemisch darf Katalysator nur etwa eine tausendstel Sekunde berühren, da das Stickstoffmonoxid ansonsten in N₂ und O₂ zerfällt 

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂0

- unerwünschte Nebenreaktionen die auftreten können (auch ohne Katalysatoren):

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

sowie Bildung von Lachgas:

2NH₃ + 2O₂ → N₂O + 3H₂O

—> werden nach dem Prinzip von Le Chatelier durch hohe Netztemperatur und niedrigen Druck zurückgedrängt 

2.Schritt: Erzeugung von Stickstoffdioxid

- Senkung der Temperatur des Stickstoffmonoxids auf unter 50 Grad 

- Vermischung mit Luft 

- es läuft weitere Oxidation mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid ab, welches dann zu Distickstofftetraoxid dimersiert

2NO + O₂ → 2NO₂

2NO₂ → N₂O₄

3.Schritt: Reaktion in der Oxidations- und Absorptionskolonne

- Stickoxide werden in Riesentürmen mit Wasser zu Salpetersäure umgesetzt

2N₂O₄ + O₂ + H₂O → 4HNO₃

- es entstehen Stickstoffmonoxid und salpetrige Säure als Zwischenprodukte