Katalyse

Katalyse – was ist das und welche Arten davon gibt es?

Die Katalyse wird definiert als das Phänomen der Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion unter Verwendung einer Substanz, die weder ein Substrat noch ein Produkt dieser Umwandlung ist. Ein solcher Stoff wird als Katalysator bezeichnet.

Es werden grundlegende Arten der Katalyse unterschieden:

• Homogene Katalyse – Diese Art der Katalyse setzt voraus, dass sich sowohl das Substrat als auch der Katalysator in denselben Aggregatzuständen befinden. Am häufigsten ist dies die flüssige oder gasförmige Phase. In solch einem Fall geht der Katalysator eine Reaktion mit einem der Substrate ein, bildet mit diesem einen nicht dauerhaften Übergangskomplex und dieser Komplex reagiert mit dem anderen Reaktanten. Als Ergebnis werden Reaktionsprodukte gebildet und der Katalysator wird wiederhergestellt. Man darf nicht vergessen, dass nicht alle Reaktionen auf diese Weise ablaufen. In der Praxis sind meist mehrstufige Prozesse anzutreffen. Ein Beispiel für eine homogene oder anders gesagt einphasige Reaktion ist die Oxidation von Schwefel(IV)-oxid zu Schwefel(VI)-oxid. Alle Komponenten, d.h. Substrat, Katalysator und Produkte, liegen in der Gasphase vor.
• Heterogene Katalyse – Dies ist die am häufigsten verwendete Art der Katalyse, z.B. in Prozessen der chemischen Industrie. Hier liegt der Katalysator in einem anderen Aggregatzustand vor als die übrigen Reaktanten. Es ist in der Regel ein Feststoff d.h. ein sogenannter Kontakt. An seiner Oberfläche erfolgt die Adsorption von Substraten. Der Katalysator geht mit ihnen eine Reaktion ein. Die entstehenden Produkte werden desorbiert und verlassen die Oberfläche des Kontakts, um Platz für die nächsten Substrate zu schaffen. Diese Art der Katalyse bietet die Möglichkeit, z.B. Reaktionen zwischen gasförmigen Substanzen durchzuführen, die unter normalen Bedingungen nicht miteinander reagieren. In Anbetracht dessen, dass die heterogene Katalyse aus industrieller Sicht sehr wichtig ist, besteht eines der Hauptthemen der Katalyse in der Entwicklung von Katalysatoren aus verschiedenen Materialien und mit solchen Formen, die eine möglichst große Kontaktfläche gewährleisten.
• Enzymkatalyse – Enzyme sind, neben Fermenten, eine Gruppe von Proteinen, die an Biokatalyse der Reaktionen von Biosynthese und Zersetzung beteiligt sind. Diese Prozesse finden in den Zellen lebender Organismen und in Körperflüssigkeiten statt. Enzyme senken, wie „klassische“ Katalysatoren, die Aktivierungsenergie einer biologischen Reaktion. Auf ihrer Oberfläche haben sie so genannte aktive Zentren, die aufgrund ihrer Form und Struktur nur mit bestimmten Substraten kompatibel sind. Folglich beträgt die Selektivität von Enzymen als Katalysatoren 100 %. Diese Art der Katalyse wird auch als Schlüssel-Schloss-Modell bezeichnet. Sobald der Enzym-Substrat-Komplex gebildet ist, werden einige der Bindungen gelöst und Produkte gebildet. Das Enzym wird dann freigesetzt und kehrt in seine ursprüngliche Form zurück.

Ein interessantes Phänomen ist die Autokatalyse. Sie tritt auf, wenn das entstehende Produkt einer Reaktion zu deren Katalysator wird. Die Reaktion verläuft also immer schneller, je weiter sie fortschreitet. Ein Beispiel für einen solchen autokatalytischen Prozess ist die Reaktion von KMnO₄ mit Wasserstoffperoxid in einer sauren Umgebung. Die gebildeten Ionen (d.h. Mn²⁺) wirken als Katalysator für die ursprüngliche Reaktion.

Katalysatoren

Katalysatoren sind chemische Substanzen, die, wenn sie in ein Reaktionssystem eingebracht werden, das Auftreten einer chemischen Reaktion beschleunigen. Wichtig ist, dass sie sich während der Reaktion nicht chemisch umwandeln und nach Abschluss der Reaktion wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Ein Katalysator, der einem Reaktionssystem hinzugefügt wird, bildet eine instabile Übergangsbindung mit dem Substrat. Dadurch kann die Aktivierungsenergie gesenkt werden. Wichtig ist, dass der Katalysator nicht in der stöchiometrischen Gleichung des Gesamtprozesses berücksichtigt wird. Es ist auch nicht möglich, mit Hilfe eines Katalysators eine Reaktion einzuleiten, die thermodynamisch nicht dazu in der Lage ist.

Damit eine chemische Reaktion unter bestimmten Bedingungen stattfinden kann, wird mehr Energie als die erforderliche Aktivierungsenergie benötigt. In diesem Fall besteht die Aufgabe des Katalysators darin, die benötigte Energiemenge zu verringern, damit die Reaktion schneller beginnen kann. Zu beachten ist, dass der Katalysator keinen Einfluss auf die Verschiebung des Gleichgewichtszustands einer bestimmten Reaktion hat. Er beschleunigt lediglich den Moment, in dem er vom System erreicht wird. Je schneller er dies tut, desto aktiver ist er. Die Aktivität eines Katalysators ist also definiert als die Differenz zwischen der Geschwindigkeit, mit der der Gleichgewichtszustand der Reaktion in Gegenwart des Katalysators und in Abwesenheit des Katalysators erreicht wird. Ein weiteres Kriterium zur Charakterisierung von Katalysatoren ist ihre Selektivität. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen der Menge des gebildeten Produkts und der Gesamtmenge aller während der Reaktion gebildeten Produkte. Substanzen, die in der Industrie als Katalysatoren eingesetzt werden, erreichen in der Regel eine Selektivität von 70 bis 90 %. In dieser Hinsicht sind Enzyme eine Ausnahme. Die von ihnen in biochemischen Reaktionen erzielbare Selektivität erreicht bis zu 100 %.

Die Bedeutung der Katalyse in industriellen Prozessen

Die Katalyse spielt heutzutage in vielen Prozessen, insbesondere in der chemischen Industrie, eine Schlüsselrolle. Katalysatoren tragen zu einer effizienteren Produktion von chemischen Substanzen bei, die wiederum z.B. bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet werden. Im Folgenden werden drei Beispiele für Prozesse in der chemischen Industrie dargestellt, die auf der Katalyse beruhen. Die aufgeführten Katalysatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten. Es ist jedoch zu beachten, dass ständig neue oder modifizierte Lösungen auf den Markt kommen, die nach und nach die bisher verwendeten Stoffe erfolgreich ersetzen.

Herstellung von Salpetersäure (V)

Die Herstellung von Salpetersäure (V) besteht aus mehreren, aufeinander folgenden Schritten. Der erste ist die Verbrennung von Ammoniak in Sauerstoff zu Stickstoffoxid (II) und Wasser. Um die Effizienz dieses Prozesses zu erhöhen, wird er mit Hilfe eines Katalysators durchgeführt, nämlich einer Platin-Rhodium-Legierung (93% Pt und 7% Rh). Diese Legierung wird zur Herstellung von Drähten verwendet, aus denen spezielle Gitternetze gewebt werden. Zwei oder drei Gitternetze werden im Reaktor senkrecht zur Strömungsrichtung der reagierenden Gase angebracht. Diese Methode hat jedoch gewisse Einschränkungen. Die sich bewegenden Gase verursachen Reibung an dem Gitternetz, was zu dessen Zersetzung und zum Aufschweben des Platins führt. Diese Verluste machen sich besonders im Bereich der Oxidation bemerkbar, wo ein erhöhter Druck und hohe Temperaturen herrschen. Darüber hinaus sind Platingitternetze relativ empfindlich gegenüber Vergiftungen, die durch eine unzureichende Reinigung der Reaktionsgase von Störstoffen wie Schwefel verursacht werden. Bei der katalytischen Oxidation von Ammoniak entsteht als Nebenprodukt Distickstoffoxid. Auf dem Markt gibt es inzwischen Lösungen, um dessen Emissionen zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird ein Oxidkatalysator auf der Basis von Aluminaten in der Nähe von Gitternetzen aus einer Pt-Rh-Legierung für die Hochtemperaturzersetzung von Distickstoffoxid in nitrosen Gasen eingesetzt. Ein charakteristisches Merkmal dieses Katalysators ist die hohe Selektivität der Zersetzung gegenüber N₂O.

Oxidation von SO₂ zu SO₃

Einer der wichtigsten Schritte bei der industriellen Herstellung von Schwefelsäure (VI) ist die Oxidation von Schwefel(IV)-oxid zu Schwefel(VI)-oxid. Dieser Prozess wird nach dem Kontaktverfahren durchgeführt. Als Katalysator für diese Oxidationsreaktion können viele Substanzen dienen. Diese beschleunigen die Reaktion in unterschiedlichem Maße. Es ist experimentell bewiesen, dass die höchste Effizienz mit der Verwendung zu diesem Zweck von Vanadium-Katalysatoren erreicht wird. Diese bestehen aus Vanadium(V)-Oxid, das auf einem Träger (meist Siliziumdioxid) aufgetragen ist. Darüber hinaus enthält er Aktivatoren (Natrium- oder Kaliumoxid) und andere Zusätze, die unter anderem seine Beständigkeit bei hohen Temperaturen beeinflussen. Der Anteil an Vanadium(V)-Oxid im Katalysator schwankt zwischen 5 und 7 Gew.-%. Er erreicht seine höchste Effizienz bei relativ hohen Temperaturen. Der Vanadium-Katalysator verfügt an seiner Oberfläche über aktive Stellen, an denen Moleküle von O₂ und SO₂ adsorbiert werden. Dort finden ihre Reaktionen statt, gefolgt von der Desorption der entstehenden Produkte. Eine unzureichende Reinheit der in den Reaktor eingebrachten Substrate kann zu einer Vergiftung des Katalysators führen, d.h. zu einer Deaktivierung seiner aktiven Stellen. Zu den Giften gehören in diesem Fall Chlor, Fluor und Arsen.

Herstellung von Ammoniak

Ein weiteres katalytisches Verfahren in der chemischen Industrie ist die Synthese von Ammoniak. Der Prozess selbst verläuft so langsam, dass es erforderlich ist, entsprechende Kontakte einzusetzen. In diesem Fall ist der günstigste Katalysator Eisen, das mit einer kleinen Menge Aluminiumoxid und Kaliumoxid aktiviert wird. Es wird durch Verbrennen von Eisen in Sauerstoff und anschließendem Schmelzen des entstehenden Fe₃O₄ mit Al₂O₃ und K₂O hergestellt. Die Legierung in Form von Granulat ist (meistens) der fertige Katalysator. Ähnlich wie bei anderen Verfahren besteht die Wirkung des Eisenkatalysators bei der Ammoniaksynthese darin, Wasserstoff und Stickstoff an den aktiven Stellen zu absorbieren und die entstehenden Produkte zu desorbieren. Die Verbindungen, die den Eisenkontakt zerstören, sind hauptsächlich Schwefel, Kohlendioxid und Wasserdampf.