1. Von der „verborgenen Kraft“ zum Ökonomiefaktor
Prinzipien und Anwendungen der Katalyse

2. Gliederung Historisches zum Begriff „Katalyse“ V 1
Prinzipien der Katalyse
Formen der Katalyse
1. homogene Katalyse V 2
2. heterogene Katalyse V 3
3. enzymatische Katalyse V 4
4. Autokatalyse V 5
Anwendungen von Katalysatoren
1. Abgaskatalysator D 1, V 6
2. Ostwald-Verfahren V 7
Ausblick
Schulrelevanz

3. Historisches zum Begriff „Katalyse“
Anfang 19. Jh. Thénard, Döbereiner
(V1: Zerfall von H2O2 an Silber)
J.J. Berzelius
Begriff „Katalyse“: von griech. Καταλύειν = auflösen
Definition:
„verborgene Kraft“
„bloße Gegenwart“ ruft „chemische Tätigkeiten
hervor, die ohne sie nicht stattfänden“

4. Historisches zum Begriff „Katalyse“
Um W. Ostwald
F. Haber, A. Mittasch:
Ammoniaksynthese → Meilenstein
Definition: Katalyse ist die Beschleunigung
eines langsam verlaufenden
Vorgangs durch die Gegenwart
eines fremden Stoffes (des
Katalysators). Ein Katalysator
erhöht die Geschwindigkeit der
Reaktion ohne im Endprodukt zu
erscheinen.

5. Prinzipien der Katalyse
Energetik
Thermodynamik
Lehre von den Energie-änderungen
Voraussage, ob eine bestimmte chemische Reaktion unter gegebenen Bedingungen ablaufen kann
Keine Aussagen über Geschwindigkeit
Kinetik
Lehre von der Geschwindigkeit
Abhängigkeit der RG von der
- Konzentration (Zeitgesetz)
- Temperatur (Arrhenius-Glei-
chung
- Katalysatoranwesenheit

6. Wie wirkt ein Katalysator?
Energiediagramm
Theorie des aktivierten Komplexes
Annäherung der Eduktmoleküle
→ Anstieg von Epot um EA
→ Erreichen eines Maximums bei Bildung des aktivierten Komplexes
→ Umlagerung der Atome
→ Absinken von Epot
→ Katalysator: Einwirkung auf die Aktivierungsenergie!
Aktivierter
Komplex
Edukte

7. Positive und negative Katalyse
Positive Katalysatoren
Senken EA
Erhöhen die RG
Beschleunigen die GW-Einstellung
Negative Katalysatoren
(Inhibitoren)
Wirken entgegengesetzt zu positiven Katalysatoren

8. Formen der Katalyse

9. Homogene Katalyse
Katalysator und Reaktanten liegen in gleicher Phase vor (Gas- oder Lösungsphase)
„Überträger“
Reaktionsmodell:
A K AK
1. Edukt Katalysator Zwischenprodukt
AK B AB + K
2. Edukt Produkt K
A B AB
→ Bildung von Zwischenverbindungen!

10. V2: Nachweis von Zwischenverbindungen beim katalytischen Zerfall von Tartrat-Ionen
Erklärung:
/ Co
Gesamtreaktion: 5 H2O2 + C4H4O H2O + 2 HCO CO2 ↑ 1
A + B
Raum-T C 2
A + B
40-50°C C 3
A + B
40-50°C
-----
langsamer
Farbwechsel
Gasentwicklung
schneller
Farbwechsel
keine Reaktion
farblos

11. Fazit: 1. Co2+ = Redoxkatalysator
Schritt 1: ½ H2O2 + [Co(H2O)6] OH- + [Co(H2O)6]3+
rosa blau
Schritt 2: [Co(H2O)6]3+ + n C4H4O [Co(C4H4O6)n]3-2n + 6 H2O
grün
Schritt 3: [Co(C4H4O6)n]3-2n + 4 ½ H2O2 + OH- + 6 H2O
2 HCO3- + [Co(H2O)6] H2O + n-1 C4H4O CO2 ↑
rosa
Fazit: 1. Co2+ = Redoxkatalysator
2. Zusatz von Co2+ und T-Erhöhung: Zunahme der RG
3. Beobachtung von Zwischenstufen bei homogenen Katalysen!
4. Der Katalysator liegt nach der Reaktion unverändert vor!

12. Heterogene Katalyse
Katalysator und Reaktanten liegen in verschiedenen Phasen vor:
Katalysator: f, Reaktanten: g oder l
„Kontakt“
Katalysatorwirkung durch „aktive Stellen“
Einfluss von Promotoren
Teilprozesse:
1. Diffusion
2. Physisorption oder Chemi-sorption
3. Reaktion
4. Desorption
5. Diffusion

13. Physisorption - Chemisorption
Frage: Warum läuft die katalysierte Oberflächenreaktion schneller ab als die Reaktion in der Gasphase?
Ursache der Adsorption: nicht voll
abgesättigte Valenzen der Atome
an der Oberfläche
Gründe für katalytische Wirkung
durch Adsorption:
1. Erhöhung der Konzentration
2. Schwächung der Bindungen
3. sterische Faktoren
wenn EWW = ΔHkond(Gas): Van-der-Waals-Kräfte → Physisorption
wenn EWW > ΔHkond(Gas): Atombindungen → Chemisorption

14. Erklärung V1: Zerfall von Wasserstoffperoxid an SilberAg
Reaktion: H2O H2O + ½ O2 ↑
Erklärung: Oberfläche Ag-Pulver > Oberfläche Ag-Blech
→ Möglichkeiten zur Adsorption bei Ag-Pulver größer
→ pro Zeiteinheit Umsetzung von mehr H2O2
Fazit: Zerteilungsgrad des Katalysators entscheidend

15. V3: Beschleunigte Zersetzung von KClO3 durch MnO2
Ohne Katalysator
Reaktion > 500°C
→ Glimmspanprobe negativ
4 KClO KCl + 3 KClO4
3 KClO KCl + 6 O2 ↑
Mit Katalysator
Reaktion bei 150°C
→ Glimmspanprobe positiv
+5 -2 MnO
2 KClO KCl + 3 O2 ↑
KClO3 + 3 MnO KCl + 3 „MnO3“
3 „MnO3“ MnO2 + 3/2 O2 ↑
Fazit: Eingriff des Katalysators in den Mechanismus!

16. Zwischenbilanz Katalysatoren sind Stoffe, die
1. am Ende der Reaktion unverändert vorliegen.
2. in der Bruttogleichung nicht auftreten.
3. in den Reaktionsmechanismus eingreifen!
4. keinen Einfluss auf die GW-Lage haben!
5. ΔG nicht verändern!

17. Enzymatische Katalyse
Katalyse durch Proteine
„Biokatalysatoren“
In Lebewesen von Bedeutung, da Reaktionen bei Körpertemperatur
Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen (Schlüssel-Schloss-Prinzip)
Aktivität und Selektivität
→ Substratspezifität
→ Wirkspezifität
→ Desaktivierung E S
Aktive Stelle

18. V4: Zersetzung von Harnstoff mittels Urease
Reaktion: OC(NH2)2 + H2O CO2 ↑ + 2 NH3(aq)
NH3(aq) + H2O NH4+ + OH-
OH HInd Ind H2O
farblos rot-violett
Erklärung: 1. Farbwechsel des Indikators zeigt Zersetzung des Harnstoffs an
2. Verlust der Wirksamkeit des Katalysators durch Erhitzen und Zusatz von Schwermetallen

19. Denaturierung und Vergiftung
Hitzedenaturierung
> 45 °C
„Vergiftung“ des Enzyms
Aktives Zentrum zerstört →
keine Katalysatorwirkung mehr E
Sekundär- und Tertiär-
struktur zerstört E E
Ag+
Ag+ +

20. Autokatalyse
Katalytische Beeinflussung einer Umsetzung durch ein (Zwischen-) Produkt:
A B + C
Rückkopplung (feedback)
Bildung des Katalysators während der Reaktion
Zunächst: Anstieg von RG bei
T = const.

21. V5: Briggs-Rauscher-Reaktion
Oszillierende Ioduhr Mn
BRges: IO H2O2 + CH2(COOH)2 + H3O ICH(COO)2 + 2 O2 + 4 H2O
Ursache des Farbwechsels:
periodische Schwankungen, d.h. Oszillation der intermediär gebildeten
Iodid- und Iod-Konzentration
Prozess A
nicht-radikalisch
bei c(I-) > ckrit
Prozess B
radikalisch
bei c(I-) < ckrit
Prozess C
Steuerungsreaktion
Regelung von c(I-)

22. Der Abgaskatalysator Trägermaterial: Cordierit
Oberfläche der einzelnen Kanäle: γ-Al2O3-Zwischenhaftschicht + Edelmetallschicht aus Rhodium-haltigem Platin

23. Das Problem Problem CO CnHm NOx Aus unvollständiger Verbrennung
Verbrennungs-
begleiterscheinung
Dreiwegekatalysator:
1.Weg: 2 CO + 2 NO → N2 + 2 CO2
2. Weg: CH4 + 4 NO → 2 N2 + CO2 + 2 H2O
3. Weg: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O CO + O2 → 2 CO2

24. V6: Reinigung von Autoabgasen
Nachweis: 2 [Ag(NH3)2]+ + 2 H2O + CO → 2 Ag ↓ + 4 NH4+ + CO32-
schwarz
Fazit: Katalysator fördert Umsetzung von CO → geringere Silberabscheidung
2 CuO + 2 CO → 2 Cu + 2 CO2

25. Das Ostwald-Verfahren
Erklärung: 1. dient zur Salpetersäure-Herstellung
2. katalytische Ammoniak-Verbrennung
3. Katalysator: Platin-Rhodium-Netz
Reaktion: 4 NH3 + 5 O NO + 6 H2O bei °C

26. Versuch 7: Funkenfontäne in der Flasche
Cr2O
Reaktion: 4 NH3(g) + 3 O2 (Luft) N2(g) + 6 H2O(g)
Erklärung: 1. Vermischen von NH3 mit Luftsauerstoff
2. Lieferung der nötigen Energie durch Wärmeab strahlung vom glühenden Oxid
3. Funken durch erneutes Aufglühen des Katalysators
4. „Umherschwirren“ durch Gasauftrieb
5. „Beschlagen“ des Glases durch Wasserdampf
Fazit: Veranschaulichung des Ostwald-Verfahrens

27. Ausblick 90% der technischen Verfahren = katalytische Verfahren!
Vorteile:
1. gezielte Steuerung von Synthesen
2. Reduktion von Abfällen
3. Reduktion des Energieausstoßes
In Zukunft hohe Bedeutung u.a. bei
Energieforschung (Brennstoffzellen)

28. Schulrelevanz Bestandteil der Energetik (Jahrgang 12/13)
Berührungspunke mit
1. Technische Chemie: Großverfahren
2. Redoxchemie
3. Umweltchemie: Abgaskatalysator, Ozonbildung
4. Biologie
Hoher Anwendungsbezug

29. „Was so die Alchemie erstrebt und
verheißen, hat die Natur, wenn schon in anderer Weise, von jeher in der Katalyse und Biokatalyse vollbracht, und der Chemiker des 19. und 20. Jahrhunderts hat nachahmend und lernend einiges hiervon erfassen können.“
A. Mittasch