Chemie

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Zuletzt aktualisiert: 17. Dezember 2021

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Name: Lea 2017-11

Die Katalyse und die Funktionen der Katalyse

Die Katalyse besitzt einige wichtige Funktionen, die das Ablaufen mancher Reaktionen erst ermöglicht.Das Ausgangsproblem besteht meistens darin, dass die Aktivierungsenergie einer Reaktion zu hoch ist, sodass nicht viele Teilchen die nötige kinetische Energie besitzen, um die Energiebarriere zu überwinden.

Dieses Eduktgemisch, welches aus Teilchen besteht, die keine Reaktion eingehen können, wird als metastabil bezeichnet.

Indem der Katalysator Zwischenverbindungen mit einem der Edukte eingeht, entsteht ein neuer Reaktionsweg mit herabgesetzter Aktivierungsenergie.

Die Gegenüberstellung der nicht katalysierten und katalysierten Reaktion.

Im Gegensatz zur nicht katalysierten Reaktion, besitzen die Teilreaktionen eine niedrigere Aktivierungsenergie und verlaufen demnach auch schneller.        
 

Allgemeines Beispiel für eine katalytische Reaktion:

Reaktion der Stoffe A und B ohne den Katalysator K:

A + B -> AB

Mögliche Zwischenstufe, die mit Hilfe des Katalysators K erzeugt wird:

A + K -> AK
AK + B -> AB + K

Dadurch, dass sich die Anzahl der Teilchen mit der nötigen kinetischen Energie, um zu reagieren, erhöht, steigt auch die Wahrscheinlichkeit für wirksame Zusammenstöße, sodass die Reaktionsgeschwindigkeit ebenfalls positiv beeinflusst wird.                                                                                                                      
Der Katalysator wird anschließend freigesetzt und geht unverändert aus der Reaktion hervor. Durch die Tatsache, dass dieser nicht verbraucht wird, benötigt man lediglich eine geringe Menge für die Reaktion. Darüber hinaus kann ein Katalysator auch reaktionsspezifisch eingesetzt werden, was nicht durch eine bloße Temperaturerhöhung erreicht werden kann.

Unterschiedliche Arten von Katalysen

Wenn man zwischen heterogener und homogener Katalyse unterscheidet, betrachtet man den Phasenzustand der Reaktionspartner.
In Bezug auf heterogene Katalysen liegen mindestens zwei unterschiedliche Phasen vor. Hierbei treten häufig gasförmige Edukte und feste Katalysatoren wie z.B. Eisen oder Nickel auf. Meist wird der Vorgang vor allem in der Technik als Kontaktkatalyse oder Oberflächenkatalyse bezeichnet, was da herrührt, dass die Oberfläche aufgrund des vorherrschenden Elektronenüberschusses bzw./ -mangels der Ort der Katalyse ist.

Durch eine Vielzahl an Prozessen wie zum Beispiel der Adsorption, also die Anreicherung von Gasen oder Flüssigkeiten auf der Oberfläche von Feststoffen, werden die Bindungen der Moleküle gelockert, sodass die Gase bzw. die Flüssigkeiten in einen reaktionsbereiten Zustand versetzt werden und eine günstige räumliche Orientierung erhalten.

Bezüglich der homogenen Katalyse befinden sich die Reaktionspartner und der Katalysator im gleichen Zustand. Allerdings ist die Homogenität bei unterschiedlichen Flüssigkeiten nicht vorausgesetzt, da sich diese unterschiedlich gut mischen.
Ein besonderer Fall ist die Autokatalyse, da hierbei das Reaktionsprodukt als Katalysator dient.

Die Reaktion weist einen sigmoiden Verlauf des Graphen auf, der zu Beginn aufgrund der zunächst niedrigen Konzentration an Katalysatoren durch eine langsame Geschwindigkeit, also durch einen langsamen Anstieg  gekennzeichnet ist. Je weiter die Reaktion fortschreitet, desto schneller verläuft diese, da die Konzentration an Katalysatoren steigt. Anschließend nimmt die Geschwindigkeit der Reaktion allerdings ab, da die Konzentration der Ausgangsstoffe sinkt. Demnach erreicht der Graph der Reaktion schließlich eine Plateau-Phase.

Die Autokatalyse

Hinsichtlich der Biokatalyse dienen wirkungs- und substratspezifische Enzyme, die aus einer Aminosäuresequenz zusammengesetzt sind und daher zur Stoffklasse der Proteine gehören, zur Senkung der Aktivierungsenergie beispielsweise bei Stoffwechselprozessen, indem sie einen Enzym-Substrat-Komplex bilden.