Warum wird ein Katalysator nicht verbraucht?
Ich muss bald ein Chemiereferat über Katalysatoren halten. Ich habe alles soweit gut verstanden, ich weiß nur nicht warum ein Katalysator eine chemische Reaktion einleiten kann, ohne selbst dabei beschädigt zu werden.. wie funkioniert das?
6 Antworten
Katalysatoren nehmen an chemischen Reaktionen teil, aber sie werden am Ende der Reaktionssequenz rückgebildet.
Wenn Du eine Reaktion hast vom Typ
A + B ⟶ C
dann kann es sein, daß diese Reaktion zwar ablaufen möchte, das aber fast unendlich langsam tut. Zum Beispiel sollte Papier an der Luft spontan zu Asche verbrennen, aber die Reaktion ist so langsam, daß es Jahre braucht, bis es auch nur ein bißchen gelb wird (≈hauchdünne Ascheschicht auf der Oberfläche des Papiers), oder H₂O₂ sollte spontan in H₂O und O₂ zerfallen, tut das aber sehr langsam. In solchen Fällen hilft is oft, wenn man einen weiteren Reaktionspartner ins Spiel bringt, der die Reaktion in mehrere schnelle Einzelschritte zerlegt.
A + K ⟶ AK
AK + B ⟶ C + K
Der Reaktionspartner A hängt sich also an den Katalysator dran und kann in dieser Form viel schneller mit B reagieren. Dabei wird der Katalysator wieder freigesetzt und kann das gleiche Spiel nochmals mit einem neuen Molekül A spielen.
Moin,
es gibt verschiedene Typen von (bio-chemischen) Katalysatoren.
Du kannst grob drei Formen unterscheiden:
1) Reaktionskatalysatoren
Das sind Katalysatoren, die zunächst an einem Schritt der Reaktion direkt beteiligt sind, aber in einem Folgeschritt wieder unverändert freigegeben werden. Indiachinacook hat dir bereits das allgemeine Schema solcher Katalysatortypen gepostet. Ich wiederhole das noch einmal (mit kleiner Ergänzung):
A + B ---> C (läuft überaus laaaangsam ab)
A + K ---> AK (läuft sehr schnell ab)
AK + B ---> C + K (läuft schnell ab)
Fazit:
A + B + K ---> C + K (läuft insgesamt schnell ab)
In der letzten Zeile siehst du noch einmal, dass der eingesetzte Katalysator (K) am Ende unverändert wieder vorliegt.
Ein Katalysator, der auf diese Weise funktioniert, ist zum Beispiel Schwefelsäure bei der Esterbildung (Alkohol und Carbonsäure reagieren unter Schwefelsäurekatalyse reversibel zu Ester und Wasser).
2) Oberflächenkatalysatoren
Um diesen zweiten Katalysatortyp (besser) verstehen zu können, ist es nützlich, dir zunächst einmal klar zu machen, unter welchen Umständen bestimmte Reaktionen ablaufen. Vereinfacht gesagt, müssen manchmal Moleküle nicht nur mit einer bestimmten Wucht aufeinanderprallen, sondern auch noch in einem bestimmten Winkel, damit zum Beispiel reaktive Zentren zusammentreffen und die Stoffumwandlung (Reaktion) ausführen zu können. Die Moleküle zu beschleunigen, ist in der Regel nur eine Frage der Wärmezufuhr (also der Energie), aber damit die Moleküle auch im richtigen Winkel zusammenstoßen, braucht man entweder Glück (also Zeit) oder eben den anderen Katalysatortyp. Es gibt nämlich Katalysatoren, die ein bestimmtes Oberflächenrelief bieten. Daran können sich manchmal bestimmte Moleküle so anheften, dass sie ihre reaktiven Zentren günstig präsentieren (zur Verfügung stellen) können. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Reaktionspartner im richtigen Winkel auf die angehefteten Moleküle prallen können, so dass es viel häufiger zu einer erwünschten Reaktion kommt. Das Reaktionsprodukt löst sich dann vom Katalysatoroberflächenrelief und macht Platz für die Anlagerung eines weiteren Moleküls, das noch nicht reagiert hat. Am Ende liegt der Katalysator natürlich unverändert vor, weil er ja im Grunde gar nicht an der Reaktion teilgenommen hat, sondern lediglich sein Oberflächenrelief genutzt wurde.
Typische Oberflächenkatalysatoren sind Platin oder Rhodium, aber auch Magnetit, zum Beispiel im Haber-Bosch-Verfahren der Ammoniaksynthese.
3) Enzyme
Enzyme sind Biokatalysatoren, die (vereinfacht gesagt) ein Protein (Polypeptid) darstellen. Dieses hat (wieder vereinfacht gesagt) ein aktives Zentrum, in dem an einem Substrat eine bestimmte chemische Veränderung vorgenommen wird. Weil in das aktive Zentrum (in der Regel) nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip nur ein ganz bestimmtes Substrat hinein passt, sind Enzyme substratspezifisch. Und weil das aktive Zentrum dann (in der Regel) auch nur eine ganz bestimmte Art der chemischen Umwandlung ausführt, indem es seine Konformation ändert, sind Enzyme auch reaktionsspezifisch. Theoretisch könnten Enzyme (wie alle Katalysatoren) sowohl die Hin- als auch die Rückreaktion begünstigen. Aber nach der Bindung des Substrats im aktiven Zentrum kommt es - wie gesagt - zu einer Konformationsänderung. Dabei erfolgt die chemische Umwandlung des Substrats. Das veränderte Substrat passt dann nicht mehr in das aktive Zentrum und wird hinaus gedrückt. Aber ohne Substrat erfolgt die Rückkehr des aktiven Zentrums in seine ursprüngliche Konformation. Dadurch ist ein Enzym im Grunde entweder unbeladen oder aktiv bei der Umwandlung in eine Richtung. Und deshalb wird nur ein Vorgang begünstigt. Aber wie auch immer, am Ende - wenn es kein Substrat zum Umwandeln mehr gibt - liegt auch ein Enzym (wie ein typischer Katalysator) unverändert vor.
Es gibt noch ein paar feinere oder andere Einteilungsmöglichkeiten, aber das Wesentliche wurde nun (glaube ich) gesagt.
Ach, noch eins: Katalysatoren sind unter anderem so definiert, dass sie nach einer Reaktion unverändert vorliegen. In der Praxis kommt es aber tatsächlich dazu, dass Katalysatoren durch Ablagerungen oder unerwünschte Nebenreaktionen sehr wohl verändert oder verbraucht werden. Deshalb müssen sie von Zeit zu Zeit ausgetauschte und erneuert werden. Aber theoretisch liegen sie nach der Reaktion unverändert vor.
LG von der Waterkant
Im Katalysator werden seltene Edelmetalle (hauptsächlich Platin) verwendet. Platin korrodiert nicht. Es lässt jedoch durch seine Eigenschaft andere leicht instabile Moleküle und Sauerstoff miteinander reagieren. Beispielsweise CO und HC. Diese reagieren zu H²O und Co² ohne sich zu verbrauchen, da bei einer intakten Abgasregelung keines der beiden Schadstoffe im Übermaß vorhanden ist.
Bei einer Brennerei werden ebenfalls Katalysatoren eingesetzt. In dem Fall ist es Kupfer welches bei der hohen Hitze im Auspuff Oxidieren kann und wird.
Ein Katalysator kann allerhöchstens durch eine schlechte Verbrennung beschädigt werden. In dem Fall ist nicht genug Sauerstoff vorhanden um mit den giftigen Rückständen reagieren zu können. So entstehen auf der Platinschicht Ablagerungen welche ihn zerstören.
https://www.youtube.com/watch?v=OG525WOCx54
Da noch mal wie es funktioniert. Ich habe versehentlich das Rhodium vergessen. Das ist fast genau so viel wie Platin vorhanden.
Unser Fragesteller meint nicht den Autokatalysator, sondern allgemein die Katalyse in der Chemie. Daher muss man sagen: Der Autokatalysator funktioniert nur im heißen Zustande. Allgemein gesprochen muss ein Katalysator nicht zwingend erhitzt werden, damit er eine Reaktion entsprechend katalysiert.
Ein Katalysator muss nicht unbedingt ein reines Metall sein. Eisen-/Aluminium-/Manganoxid (Braunstein) sowie diverse Enzyme sind ebenfalls Katalysatoren, und arbeiten teilweise schon bei Raumtemperatur. Ansonsten hast du natürlich recht.
Im ersten Schritt leitet der Katalysator eine chemische Reaktion ein, und reagiert dabei selbst mit deinen Stoffen. Im zweiten Schritt werden die Reaktionsprodukte gebildet und der Katalysator geht in seinen Ausgangszustand zurück.
Dadurch, dass der Katalysator an der Reaktion teilnimmt, läuft diese anders ab. Sie beschreitet einen anderen Reaktionsweg zu den Produkten. Quasi eine Abkürzung.
Weil die Reaktion durch das Platin, mit dem er bedampft ist, in Gang gesetzt wird.
Das nutzt sich nicht ab.
Mir gehts nicht nur um den Autokatalysator. Aber die Reaktion findet durch den Dampf des Katalysators statt? Also muss jeder Katalysator vor der Verwendung erhitzt werden. Verstehe ich das richtig?
Also funktioniert der Katslysator nur wenn er erhitzt wurde?