Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration des Katalysators
Experimente:
Versuch: Verschiedene Wege zur Hydrolyse von Stärke
Versuch: Autokatalyse bei der Permanganat/Oxalsäure-Redoxtitration
Bei katalysierten Reaktionen scheint die notwendige Konzentration der
Katalysatoren häufig (verglichen mit den Mengen an Edukten und Produkten) sehr
gering zu sein. Dadurch ist bei vielen die Vorstellung entstanden, dass
Katalysatoren grundsätzlich in Spuren wirken. Das stimmt so nicht.
Denn die Geschwindigkeit einer katalysierten Reaktion hängt nicht allein von der
Anwesenheit eines Katalysators überhaupt ab, sondern auch von dessen
Konzentration. Je mehr katalytisch wirksame Substanz anwesend ist, desto
schneller ist die Reaktion und desto größer ist der Stoffumsatz. Das ist vor allem für
die Industrie von Bedeutung. Aber auch Enzyme werden bei geforderten hohen
Syntheseleistungen vermehrt produziert.
Für die Konzentrationsabhängigkeit gibt es eine Menge Beispiele.
Homogene Katalysen
Bei Reaktionen der verunreinigten Atmosphäre (wie z. B. bei der
bodennahen Ozonbildung) spielen Stickoxide die zentrale Rolle.
Je mehr Autos fahren und damit (vor allem bei Fahren unter Volllastbedingungen) die
NOx-Konzentration erhöhen, desto mehr Ozon wird in der Troposphäre gefunden.
Folglich wäre die beste Methode zur Vermeidung der Ozonbildung, den Autoverkehr
drastisch einzuschränken.
Protonen-Katalysen (-> Versuch)
hängen von der Säurestärke der eingesetzten Säure ab. Dadurch kann man auch die Geschwindigkeit regulieren.
Denn oftmals will man gar keine optimale Reaktionsgeschwindigkeit. Beispiel ist die
Stärkehydrolyse. Wenn sie nur zu partiell abgebauter Stärke wie im Dextrogen
führen soll, so nutzt man Phosphorsäure statt Salzsäure.
Heterogene Katalysen
Hier definiert sich die Konzentration des Katalysators über seine für die Reaktanden
verfügbare Oberfläche. Dazu gibt es eine besondere Webseite.
Autokatalysen
Gerade dieser Katalysetyp zeigt den Zusammenhang von Reaktionsgeschwindigkeit
und Katalysatorkonzentration. Ist diese zu Beginn gleich Null, so startet die
Reaktion nur langsam, um dann in dem Umfang, wie der Katalysator entsteht,
zunehmend rascher zu verlaufen. Man gibt deshalb oftmals den als Autokatalysator
wirkenden Stoff von vornherein zu.
Ein Beispiel ist die Permanganatometrie (->
Versuch), bei der
Mangan(II)-Ionen autokatalytisch wirken. Je mehr man zugibt, desto schneller
startet die Reaktion.
Wachsende, lebende Systeme bilden mit zunehmender Größe immer mehr
Enzyme, die das Wachstum vorantreiben.
Enzymkatalysen
Die vielen Enzyme, die eine Zelle für ihre vielfältigen Aufgaben benötigt, kann sie
aus Platzgründen gar nicht speichern, sondern stellt sie erst bei Bedarf her und
baut sie gleich danach wieder ab. So bilden die Zellen erst bei Kontakt mit
Substrat die zum Abbau notwendigen Enzyme. Das geschieht durch Rückkopplung
über die DNA. Die Enzymsynthese dauert etwas, daher gibt es Induktionsphasen
von etwa einer halben Stunde, bevor die Zelle antwortet. Ein Beispiel ist der Abbau
von Saccharose durch Hefen bei der alkoholischen Gärung.
Auch hier gilt: Je mehr Substrat angeboten wird, desto mehr Enzymmoleküle
werden hergestellt. Denn das Substrat besetzt ein Zentrum eines großen
Repressormoleküls, das die DNA an der Stelle, wo das herzustellende Enzym
codiert ist, blockiert. Die dadurch ausgelösten sterischen Veränderungen im
Repressormolekül haben zur Folge, dass der Repressor die DNA zur Ablesung
freigibt. Wenn die Substratmoleküle verbraucht sind, wird auch das letzte aus dem
Repressor freigegeben, der Repressor wird wieder aktiv, lagert sich an die DNA und
die Enzymsynthese ist zu Ende.
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