De snelheid van chemische reacties hangt af van een aantal factoren, waaronder de temperatuur of de concentratie van de reactanten. Het blijkt dat een kleine toevoeging van een vreemde stof de kinetiek van de reactie kan beïnvloeden en deze dus aanzienlijk kan versnellen. Deze kwestie is het onderwerp van katalyse. Het is nu van groot belang, vooral in de chemische industrie. Veel grootschalige technologische processen zouden onmogelijk zijn zonder katalysatoren. Bovendien spelen enzymen, die biochemische processen katalyseren, een sleutelrol in de levensprocessen op aarde.
Katalyse – wat is het en hoe wordt het geclassificeerd?
Katalyse wordt gedefinieerd als een fenomeen waarbij de snelheid van een chemische reactie wordt verhoogd door gebruik te maken van een stof die noch een substraat noch een product van die transformatie is. Zo’n stof heet een katalysator. Basistypen van katalyse zijn als volgt:
- Homogene katalyse – bij dit type katalyse bevinden zowel de substraten als de katalysator zich in dezelfde fysieke staat. Meestal is het een vloeibare of gasvormige fase. In dit geval reageert de katalysator met een van de substraten, waardoor een onstabiel tussencomplex ontstaat, dat op zijn beurt reageert met de andere reactant. Als resultaat worden reactieproducten gevormd en wordt de katalysator teruggewonnen. Opgemerkt moet worden dat niet alle reacties op deze manier verlopen. In feite zijn meerfasige processen de meest voorkomende soort. Een voorbeeld van een homogene (of eenfasige) reactie is de oxidatie van zwavel (IV) oxide tot zwavel (VI) oxide. Alle componenten, dat wil zeggen substraten, de katalysator en producten, zijn aanwezig in de gasfase.
- Heterogene katalyse – dit is het meest gebruikte type katalyse, bijvoorbeeld in processen in de chemische industrie . Hier bevindt de katalysator zich in een andere fysieke toestand van de materie dan de andere reactanten. Meestal is het een solide, of zogenaamd ‘contact’. De substraten adsorberen op het oppervlak. Vervolgens reageert de katalysator ermee. De resulterende producten desorberen en verlaten het contactoppervlak, waardoor er ruimte ontstaat voor de volgende substraten. Het gebruik van dit soort katalyse maakt het mogelijk om bijvoorbeeld reacties uit te voeren tussen gasvormige stoffen die normaal niet met elkaar reageren. Gegeven dat heterogene katalyse vanuit industrieel oogpunt erg belangrijk is, is een van de belangrijkste kwesties van katalyse de ontwikkeling van katalysatoren gemaakt van verschillende materialen en met vormen die een zo groot mogelijk contactoppervlak bieden.
- Enzymkatalyse – enzymen zijn, naast fermenten, een groep eiwitten die betrokken zijn bij de biokatalyse van biosynthese- en afbraakreacties. Deze processen vinden plaats in de cellen van levende organismen en lichaamsvloeistoffen. Enzymen verlagen, net als ‘klassieke’ katalysatoren, de activeringsenergie van een biologische reactie. Op hun oppervlak hebben ze de zogenaamde actieve centra. Vanwege hun vorm en structuur zijn deze centra alleen compatibel met specifieke substraten. De selectiviteit van enzymen als katalysatoren is dus 100%. Bovendien wordt een dergelijke katalyse het sleutel- en slotmodel genoemd. Na de vorming van het enzym-substraatcomplex worden sommige bindingen losgemaakt en worden de producten gevormd. Het enzym wordt vervolgens vrijgegeven en keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm.
Autokatalyse is een interessant fenomeen. Het treedt op wanneer het resulterende product van een reactie de katalysator wordt. Daarom verloopt de reactie na verloop van tijd steeds sneller. Een voorbeeld van een autokatalytisch proces is de reactie van KMnO 4 met waterstofperoxide in een zure omgeving. De gevormde ionen (dwz Mn 2+ ) fungeren als katalysator voor de oorspronkelijke reactie.
Katalysatoren
Katalysatoren zijn chemische stoffen die, wanneer ze in een reactiesysteem worden geïntroduceerd, de chemische reactie versnellen. Wat belangrijk is, is dat ze tijdens de reactie geen chemische transformaties ondergaan en dat ze in hun oorspronkelijke vorm worden teruggevonden zodra de reactie is voltooid. De aan het reactiesysteem toegevoegde katalysator vormt een onstabiele tijdelijke binding met het substraat. Hierdoor kan de activeringsenergie worden verlaagd. Wat belangrijk is, is dat de katalysator niet is opgenomen in de stoichiometrische vergelijking van het totale proces. Bovendien is het zelfs met een katalysator niet mogelijk een reactie op gang te brengen die thermodynamisch niet haalbaar is. Om een bepaalde chemische reactie onder bepaalde omstandigheden te laten plaatsvinden, is het noodzakelijk om energie te leveren die groter is dan de vereiste activeringsenergie. In dit geval is de rol van de katalysator het verminderen van de benodigde hoeveelheid energie, zodat de reactie sneller kan starten. Het is de moeite waard eraan te denken dat de katalysator de verschuiving in de evenwichtstoestand niet beïnvloedt. Het versnelt alleen maar het moment waarop het wordt bereikt. Hoe sneller het dit doet, hoe actiever het wordt geacht te zijn. De katalysatoractiviteit wordt dus gedefinieerd als het verschil in de snelheid waarmee de reactie een evenwicht bereikt in aanwezigheid en afwezigheid van de katalysator. Een ander criterium dat katalysatoren kenmerkt, is hun selectiviteit. Het wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de hoeveelheid gevormd product en de totale hoeveelheid van alle producten die tijdens de reactie worden gevormd. Stoffen die als katalysatoren in industriële processen worden gebruikt, bereiken doorgaans een selectiviteit van 70%tot 90%. In dit opzicht zijn enzymen uniek. Het niveau van selectiviteit dat ze bereiken bij biochemische reacties reikt tot 100%. 
Het belang van katalyse in industriële processen
Momenteel speelt katalyse een sleutelrol in veel processen, vooral in de chemische industrie. Katalysatoren dragen bij aan een efficiëntere productie van chemicaliën, die op hun beurt weer worden gebruikt bij bijvoorbeeld de productie van meststoffen. Hieronder worden drie voorbeelden gegeven van processen in de chemische industrie die afhankelijk zijn van katalyse. Deze katalysatoren behoren tot de meest gebruikte. Men moet echter niet vergeten dat er voortdurend nieuwe of gewijzigde oplossingen op de markt worden geïntroduceerd, en dat zij erin slagen eerder gebruikte stoffen geleidelijk te vervangen.
Productie van salpeterzuur (V).
De productie van salpeterzuur (V) bestaat uit verschillende opeenvolgende fasen. Ten eerste is er de verbranding van ammoniak in zuurstof tot stikstof(II)oxide en water. Om de procesefficiëntie te verhogen, wordt gebruik gemaakt van een katalysator, een legering van platina en rhodium (93%Pt en 7%Rh). Deze legering wordt gebruikt om draden te produceren waaruit speciale mazen worden geweven. In de reactor worden twee of drie mazen geplaatst, loodrecht op de stroom van de reagerende gassen. Deze methode heeft echter enkele beperkingen. De bewegende gassen veroorzaken wrijving tegen de mazen, wat resulteert in de afbraak ervan en het verlies van platina. Deze verliezen zijn vooral merkbaar in het oxidatiegedeelte, waar sprake is van verhoogde druk en hoge temperatuur. Bovendien zijn platina-mazen relatief gevoelig voor vergiftiging veroorzaakt door onvoldoende zuivering van reagerende gassen van storende stoffen, bijvoorbeeld zwavel. Bij de katalytische oxidatie van ammoniak ontstaat lachgas als bijproduct. Momenteel zijn de oplossingen die de uitstoot verminderen beschikbaar op de markt. Voor dit doel wordt een oxidekatalysator op basis van aluminaten gebruikt nabij de mazen van de Pt-Rh-legering voor de ontleding bij hoge temperatuur van lachgas in nitreuze gassen. Een karakteristiek kenmerk van deze katalysator is de hoge selectiviteit van de ontleding in relatie tot N 2 O.
Oxidatie van SO 2 naar SO 3
Een van de belangrijkste stappen bij de industriële productie van zwavelzuur (VI) is de oxidatie van zwavel (IV) oxide tot zwavel (VI) oxide. Dit proces wordt uitgevoerd met behulp van de contactmethode. Bij deze oxidatiereactie kunnen veel stoffen als katalysator fungeren. Ze versnellen de reacties in verschillende mate. Experimenteel is bewezen dat het hoogste rendement wordt bereikt met behulp van vanadiumkatalysatoren. Ze bestaan uit vanadium(V)oxide, dat is afgezet op een drager (meestal silica). Daarnaast bevat het ook activatoren (natriumoxide of kaliumoxide) en andere additieven die onder andere de sterkte ervan bij hoge temperaturen beïnvloeden. De hoeveelheid vanadium(V)oxide in de katalysator varieert van 5 tot 7 gew.%. Het bereikt zijn grootste efficiëntie bij relatief hoge temperaturen. Op het oppervlak heeft de vanadiumkatalysator actieve plaatsen waar de O 2- en SO 2- moleculen worden geadsorbeerd. Daar vinden hun reacties plaats, gevolgd door desorptie van de resulterende producten. Onvoldoende zuiverheid van de substraten die in de reactor worden gevoerd, kan leiden tot katalysatorvergiftiging, dwz de deactivering van de actieve sites ervan. In dit geval omvatten de vergiften chloor, fluor en arseen.
Productie van ammoniak
Een ander katalytisch proces in de chemische industrie is de synthese van ammoniak . Het proces zelf is zo traag dat het noodzakelijk is om geschikte contacten te gebruiken. In dit geval is de meest gunstige katalysator ijzer geactiveerd met een kleine hoeveelheid aluminiumoxide en kaliumoxide. Het wordt gevormd door ijzer te verbranden in aanwezigheid van zuurstof en vervolgens het resulterende Fe 3 O 4 te smelten met Al 2 O 3 en K 2 O. De legering (meestal) in de vorm van korrels is een afgewerkte katalysator. Net als bij andere processen veroorzaakt de ijzerkatalysator tijdens het ammoniaksyntheseproces de absorptie van waterstof en stikstof op zijn actieve plaatsen en de desorptie van de resulterende producten. Verbindingen die verantwoordelijk zijn voor de afbraak van het ijzercontact zijn voornamelijk zwavel, kooldioxide en waterdamp.
