Feinmechanismen der heterogenen Katalyse
Heterogene Katalysen sind Oberflächenvorgänge. Dort werden nicht nur die Stoffe umgesetzt, sondern es wird auch die gesamte Reaktions-Energie frei. Das erkennt man am Aufglühen der Katalysatormasse, wenn sie mit den Edukten in Kontakt kommt.
Aufglühender Platindraht bei der Ammoniakverbrennung
(Foto: Daggi) |
Die Edukte müssen an die Oberfläche diffundieren, vielleicht sogar in die
Oberfläche hineindiffundieren. Sie werden adsorbiert, die Produkte
desorbiert. Man spricht von Chemisorption.
Die reaktionsbeschleunigende Wirkung von heterogenen Katalysatoren hängt deshalb
zunächst einmal von der Größe der Oberfläche, also vom Zerteilungsgrad
der Katalysator-Substanz ab.
Als weitere bestimmende Größe spielt der strukturelle Aufbau des Kontakts eine
wichtige Rolle. Nicht die ganze Oberfläche des heterogenen Katalysators ist wirksam,
sondern nur bestimmte Stellen, die aktiven Zentren.
Wichtig ist aber auch die stoffliche Zusammensetzung des Kontakts. Oftmals
wirken nicht reine, einzelne Stoffe allein, sondern Stoffgemische.
Liegen der katalytisch wirksame Stoff und dessen Aktivator, der so genannte Promotor,
in vergleichbaren Konzentrationen vor, so spricht man von einem Mischkatalysator.
Die Promotoren können durch ihre Strukturveränderung wirken
(Strukturpromotion). Andere wirken chemisch mit (chemische Promotion).
Liegt der aktive Stoff in viel geringerer Konzentration als der Promotor vor, so
bezeichnet man den Promotor als Träger(material).
Liegt der Promotor in vergleichsweise geringen Konzentrationen vor, so spricht man
von Dotierung.
Beispiele:
Ammoniaksynthese: Promotion des Eisenkatalysators durch Aluminiumoxid
(Strukturpromotion) und Kaliumoxid (chemische Promotion).
Auto-Abgasreinigung: Promotion des Platins durch Keramik (Träger,
Strukturpromotion) und Rhodium (chemische Promotion).
Doppelkontaktverfahren: Promotion des Katalysators Vanadium-pentoxid durch
Kaliumsulfat (chemische Promotion).
Je nach stofflicher Zusammensetzung gibt es die Möglichkeiten zur
Reaktionslenkung. Zum Beispiel reagiert Ethanol in einem Katalysator wie Kupfer oder
Silber zu Acetaldehyd und Wasserstoff. An einem Katalysator wie Aluminiumoxid
bilden sich Ethen und Wasser. Bei der ersten Reaktion laufen
Elektronenübertragungen ab, bei der zweiten Protonenübertragungen.
Man unterteilt deshalb die Reaktionen an Kontakten nach
Redox-Katalysereaktionen und
Säure/Base-Katalysereaktionen.
(Es gibt dazu auch noch eine homogene Katalyse für Ethanol: Mit Schwefelsäure kann sich neben Ethen bei doppelter Konzentration von Ethanol auch Diethylether bilden.)
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