Homogene und Heterogene Katalysen - ein Überblick

Obwohl die prinzipielle Wirkungsweise von Katalysatoren immer die gleiche ist, unterscheidet man entsprechend den Aggregatzuständen der an den Reaktionen beteiligten Katalysatoren zwischen homogenen und heterogenen Katalysereaktionen.
Ein Hinweis: In diesem Überblick verzichten wir auf weiterführende Links. Auf die vielen Beispiele wird im Verlaufe des Webseitenbereichs "Katalyse" ausführlich eingegangen. Dazu werden auch für die Schule geeignete Experimente dargestellt.


Homogene Katalysereaktionen
Edukte und Katalysator liegen nebeneinander innig vermischt, also gelöst oder gasförmig vor ("in einer Phase"). Beispiele sind die Säurekatalysen bei der Estersynthese sowie bei der Hydrolyse von Kohlenhydraten. Hier wirken allerdings allein die hydratisierten Protonen (Oxonium-Ionen) der Säuren.
Stickoxide wirken als gasförmige Katalysatoren bei der bodennahen Ozonbildung mit und sind deshalb in geringen Konzentrationen äußerst wirksam. Cloratome sind Katalysatoren bei der Ozonzerstörung in der Stratosphäre.
Stickoxide sind auch die klassischen homogenen Katalysatoren bei der Oxidation von SO2 im Bleikammerverfahren zur Schwefelsäureherstellung.


Heterogene Katalysen
Heterogene Katalysatoren laufen an den Grenzen verschiedener Phasen ab. Bei Festkörperkatalysatoren wirken vor allem die Atome, Ionen und Moleküle der Oberfläche. Vor der eigentlichen Reaktion laufen immer Adsorptionsvorgänge ab.
Schulbekannte, klassische Beispiele sind die Entzündung eines Zuckerwürfels durch Pflanzenaschezusatz, die Zündung eines Wasserstoff/Sauerstoff-Gemischs durch Platin sowie die Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch Braunstein.
Feste Katalysatoren nennt man auch "Kontakte". Sie spielen in der Chemie-Technik eine große Rolle.
Ein Beispiel dafür ist Schwefelsäuresynthese nach dem (Doppel-)Kontaktverfahren, bei der die Oxidation des Schwefeldioxids mit V2O5 bzw. Fe3O4 als Sauerstoffüberträgern erfolgt. Die Oxidation von SO2 gelingt aber auch mit Aktivkohle ("Chemisorption").
Ein weiteres Beispiel für heterogene Katalysen ist der "Autoabgas-Katalysator", bei dem Stickoxide und Sauerstoff unter Einfluss von Platinmetallen nicht umgesetzte Kohlenstoffverbindungen wie CO und Kohlenwasserstoffe nachverbrennen.
Wichtig sind auch das Verfahren zur Synthese von Ammoniak (Haber-Bosch-Synthese) sowie die Ammoniak-Verbrennung mit dem Ziel der Herstellung von Salpetersäure. Im ersteren Fall nimmt man feinverteiltes Eisen, im zweiten Fall Platin/Rhodium-Netze.
Molybdänsulfid-haltige Kontakte dienen zur katalytischen Druckentschwefelung.
Feinverteiltes Nickel ist Hydrierkatalysator bei der Fetthärtung, aber auch Elektrodenmaterial in der Brennstoffzelle. Zudem überführt Nickel Methan und Wasserdampf in CO2 und Wasserstoff. Das läuft im Reformer mit dem Ziel der Wasserstoffgewinnung für Brennstoffzellen oder für die Ammoniak-Synthese ab.
Bei katalysierten Säure-Korrosionen in Lokalelementen sowie bei dem sich daraus herleitenden Voltaelement dient die Kupfer-Kathode als Katalysator für die Zersetzung von Zink durch Schwefelsäure.


Oftmals macht die Unterscheidung zwischen heterogen oder homogenen Katalysereaktionen keinen Sinn
Beispielsweise ist die klassische Wasserelektrolyse eine doppelte Katalyse:
1. Heterogen: Die Platin-Elektrodenoberfläche überträgt Elektronen.
2. Homogen: Das Sulfat-Ion katalysiert die Sauerstoff-Freisetzung aus dem Wasser.
Wenn im Verlauf von Reaktionen Phasengrenzen zu überschreiten sind, muss man Hilfsstoffe zusetzen, die den Transfer von einer Phase in die andere ermöglichen. Man spricht hier von Phasentransfer-Katalysatoren.
Ein Beispiel ist die Reaktion von Fullerenen mit Kaliumpermanganat. Erstes löst sich in Toluol, zweites in Wasser. Zur Reaktionseinleitung gibt man ein Tensid zu, das die Phasengrenze auflöst.


Enzymkatalysen - heterogen?
Enzymreaktionen haben viele Eigenschaften von heterogenen Katalysen. Da ist zunächst das Größenverhältnis von Substrat und Katalysator. Die Urease hat eine Molmasse von 545 000 g/mol. Das Harnstoffmolekül ist dagegen so klein, dass man hier von einer heterogenen Katalyse sprechen muss. Tatsächlich findet als Primärschritt bei vielen Enzymkatalysen wie bei den Kontaktkatalysen eine Adsorption bzw. eine Enzym-Substrat-Komplexbildung statt. Die berühmte Michaelis/Menten-Graphik (Reaktionsgeschwindigkeit gegen Substratkonzentration) ähnelt deshalb der Adsorptionsisotherme von Langmuir (Adsorbierte Menge eines Stoffs gegen äußere Konzentration des Stoffs).
Gleiche Überlegungen gelten auch für Protonenkatalysen durch saure Kationenaustauscher. Letztere sind Makromoleküle.


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Letzte Überarbeitung: 27. August 2001, Dagmar Wiechoczek