katalyytti

Katalyytin (alkaen katalyysi - Greek κατάλυσις katálysis , Saksan 'liukenevaksi' Latinalaisen päättyy) kuvaa aine on kemian että lisäyksistä reaktio nopeus alentamalla aktivaatioenergia kemiallista reaktiota ilman kulutetaan itse. Se nopeuttaa edestakaisin tapahtuvaa reaktiota tasaisesti ja muuttaa siten kemiallisten reaktioiden kinetiikkaa , ei niiden termodynamiikkaa .

Katalyytti osallistuu kemialliseen reaktioon muodostaen välivaiheen reagoivien aineiden kanssa , josta katalyytti vapautuu muuttumattomana tuotteen muodostumisen jälkeen. Katalyytti voi käydä tämän niin kutsutun katalyyttisen syklin läpi monta kertaa.

Riippuen vaiheista , joissa katalyytti ja reagoivat aineet ovat läsnä, puhutaan homogeenisista tai heterogeenisistä katalyyteistä. Biokemialliset prosessit katalysoivat entsyymit .

tarina

Lähtien antiikin ajoista , kemialliset reaktiot on suoritettu avulla katalyyttejä. Vasta Jöns Jakob Berzelius huomasi vuonna 1835, että suuri määrä reaktioita tapahtui vain tietyn aineen ollessa läsnä, mutta jota ei käytetty. Hänen mielestään nämä aineet eivät muuttuneet, mutta niiden läsnäolo antoi energiaa niiden katalyyttisen voiman kautta. Hän kutsui näitä aineita katalyytteiksi.

Seuraavina vuosina oli mahdollista saada syvempi käsitys katalyysin termodynaamisesta taustasta. Wilhelm Ostwald määritteli katalyytin vuonna 1895:

Wilhelm Ostwald sai kemian Nobelin palkinnon katalyysityöstään .

kemia

Katalysoidun (punainen) ja katalysoimattoman reaktion (musta) energiaprofiili suorassa vertailussa

Tapa, jolla katalyytti toimii, perustuu sen kykyyn muuttaa kemiallisen reaktion mekanismia siten, että aktivointienergia muuttuu. "Menet eri tavalla" potentiaalisella - hyper -tasolla .

Potentiaali on yleensä useiden muuttujien funktio . Siksi yksinkertaisimmassa tapauksessa potentiaalin riippuvuus vain kahdesta muuttuvasta muuttujasta, potentiaali on kolmiulotteinen taso. Muuttujat voivat mm. B. olla kaksi sidosetäisyyttä reagoivien aineiden välillä, jotka muuttuvat reaktion aikana. Tämä yksinkertaisin tapaus on selvä, mutta epärealistinen.

Tämä muutos reaktiossa tapahtuu muodostamalla reaktiivinen välivaihe ja sen täydellinen reaktio lopputuotteiden muodostamiseksi käytetyn katalyytin reformoinnin yhteydessä . Käytännössä sivureaktiot tekevät katalyytit tehottomiksi jonkin ajan käytön jälkeen, koska sivutuotteet estävät ne. Seuraavat graafiset tulokset ovat osa energiahyperpotentiaalipintaa.

Kaaviossa ylempi käyrä (musta) näyttää katalysoimattoman reaktion

${\ displaystyle \ mathrm {A + B \ longrightarrow AB}}$

uudelleen. Tämän katalysoimattoman reaktion aktivointienergiaa merkitään. Alempi käyrä (punainen) näyttää katalysoidun reaktion energiakäyrän . Tässä välivaihe (paikallisen profiilin minimi) saavutetaan siirtymätilan (ensimmäinen profiilin maksimi) kautta : ${\ displaystyle E _ {\ mathrm {u}}}$${\ displaystyle \ mathrm {K}}$${\ displaystyle \ mathrm {KA}}$

${\ displaystyle \ mathrm {K + A \ longrightarrow KA}}$

Tuote muodostuu toisen siirtymätilan kautta (toisen profiilin maksimi) , jolloin katalyyttiä regressoidaan: ${\ displaystyle \ mathrm {AB}}$${\ displaystyle \ mathrm {K}}$

${\ displaystyle \ mathrm {KA + B \ longrightarrow K + AB}}$

Aktivointi energia katalysoidun reaktion merkitty on pienempi. ${\ displaystyle E _ {\ mathrm {k}}}$

Katalyyttinen palaminen on vety , jossa happi, voidaan mainita esimerkkinä. Tämä palaminen on termodynaamisesti niin suotuisaa, että sen pitäisi periaatteessa tapahtua "vapaaehtoisesti", mutta suuren aktivointienergian vuoksi huoneenlämpötilassa se on niin voimakkaasti estetty, että reaktionopeus on hyvin alhainen. Kun läsnä on platinaa katalyytti voi alentaa tätä aktivointia energiaa siten, että tämä reaktio tapahtuu riittävän nopeasti alhaisemmissa lämpötiloissa. Yksi sovellus tähän oli Döbereinersche -sytytin .

On tasapainossa reaktioissa, katalyytin muuttaa edestakaisin reaktio samalla tavalla, niin että kanta tasapaino ei muutu, mutta tasapaino on saavutettu nopeammin.

Katalyyttien merkitys

Katkaise ajoneuvon katalysaattori auki

Katalyyttejä esiintyy luonnossa monin tavoin. Lähes kaikki elävien olentojen elintärkeät kemialliset reaktiot katalysoituvat (esimerkiksi fotosynteesin , hengityksen tai energiantuotannon aikana). Käytetyt katalyytit ovat enimmäkseen spesifisiä proteiineja , kuten entsyymejä.

Aktivointienergian alentamisella katalysaattoreilla on suuri kaupallinen merkitys kemiallisissa reaktioissa. Tällä hetkellä arvioidaan, että noin 80% kaikista kemiallisista tuotteista käy arvoketjussaan katalyyttistä vaihetta . Ilman katalyytin läsnäoloa vastaava kemiallinen reaktio tapahtuisi paljon hitaammin tai ei ollenkaan. Siksi on vaikea kuvitella kemian tekniikkaa ilman katalyyttejä nykyään .

Jos reaktioissa muodostuu useita tuotteita, katalyytin selektiivisyydellä on erittäin tärkeä rooli. Katalyytti valitaan siten, että vain se reaktio kiihtyy, jolla saavutetaan haluttu tuote. Tällä vältetään suurelta osin sivutuotteiden saastuminen.

Näkökulmasta katsottuna ympäristönsuojelun , selektiivisen ja aktiivisten katalyyttien säästää energiaa ja vähentää sivutuotteita. Pakokaasujen jälkikäsittely teollisessa tuotannossa tai voimalaitoksissa on yhtä tärkeä ympäristölle . Pakokaasujen katalyyttisissä prosesseissa (esim. Autoissa ) väistämättömät vaaralliset aineet muutetaan vähemmän vaarallisiksi.

Esimerkki: Kun auto katalysaattori , hengitys toksiini hiilimonoksidin (CO) ja palamattomien hiilivetyjen reagoida NO _x ja happi (O ₂ ), jolloin muodostuu hiilidioksidia (CO ₂ ) sekä typpeä ja vettä (H ₂ O).

Esimerkkejä katalysaattoreista

vasen: osittain karamellisoidut sokerikuutiot , oikea: sokerikuution polttaminen tuhkalla katalysaattorina

Cerium rauta ( ammoniakki synteesi ), Raney-nikkeli , platina , rodium , palladium , mangaani- dioksidi , vanadiinipentoksidi ja samarium (III) oksidi katalysoivat dehydraus ja etanolia .

Hopkaliitit , ryhmä katalyyttejä, jotka on valmistettu erilaisista metallioksideista , katalysoivat hiilimonoksidin hapettumista hiilidioksidiksi huoneenlämmössä.

Ajoneuvon katalysaattori: Tunnetuin esimerkki on katalysaattorin autojen vähentämiseksi pakokaasupäästöjen , jossa koko laite on nimetty mukainen kemiallis-fysikaaliset periaate.

Aktiivihiililämmitin : Suola ja vesi toimivat katalysaattoreina. Se toimii käsien lämmittimenä.

Happokatalyyttejä käytetään protonin luovuttajia varten esteröinteihin . Näiden varmistetaan, että kemiallinen tasapaino on siirtynyt tuotteiden puolelle aikana Fischer esteröinnin . Tunnettuja katalyyttejä ovat p-tolueenisulfonihappo ja rikkihappo .

Tärkeitä katalyyttisiä prosesseja

Katso myös

• Katalyytin tehokkuus
• Inhibiittori
• Pinnan koordinointikemia

kirjallisuus

• Ferdi Schüth : Keskeinen tekniikka kemianteollisuudessa: heterogeeninen katalyysi. Julkaisussa: Chemistry in our time , 2006, 40, s. 92-103.
• Michael Röper: Homogeeninen katalyysi kemianteollisuudessa. Julkaisussa: Chemistry in our time, 2006, 40, s. 126–135.
• Rainer Stürmer, Michael Breuer: Entsyymit katalyytteinä. Kemia ja biologia kulkevat käsi kädessä. Julkaisussa: Chemistry in our time, 2006, 40, s. 104–111.

nettilinkit

Wikisanakirja: Katalyytti  - selitykset merkityksille, sanojen alkuperälle, synonyymeille, käännöksille

Yksilöllisiä todisteita

1. ↑ Eugen Vinkit: Nanosipulit maustavat styreenikemiaa. Julkaisussa: MaxPlanckForschung , Focus on Materials Science , nro 4, 2002, s. 44–50, tässä sivu 48 (laatikko).