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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Letzte Überarbeitung: 30. August 2001, Dagmar Wiechoczek