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Tutorial MenueHomogene KatalyseLerneinheit 1 von 12

Einführung in die homogene Katalyse

Katalysatorcharakterisierung

Katalytische Aktivität

Die Aktivität eines Katalysators bringt die auf die Katalysatorkonzentration bezogene Reaktionsgeschwindigkeit zum Ausdruck. Ein Maß für die Aktivität ist die Umsatzfrequenz T O F (engl.: turnover frequency). Sie ist als Bildungsgeschwindigkeit des Produktes P bezogen auf die Katalysatorkonzentration definiert:

(S = Substrat; P = Produkt)

Vereinfacht wird das in einem Zeitintervall gebildete Produkt pro Katalysatormenge [mol Produkt/(mol Katalysator × Zeit)] angegeben. Umsatzfrequenzen haben die Dimension [1/Zeit]. Früher sind sie - nicht ganz korrekt - als Umsatzzahlen (engl.: turnover number; T O N ) bezeichnet worden, mit denen aber korrekterweise Produktivitäten angegeben werden.

Liegen detaillierte Messungen vor, kann alternativ die Geschwindigkeitskonstante k Kat (Katalysekonstante) der katalysierten Reaktion angegeben werden. Wie aus der Eyring-Gleichung ersichtlich ist, hängt sie von der freien Aktivierungsenergie Δ G Kat # der katalysierten Reaktion ab (siehe Eyring-Theorie):

k Kat = k B T h e Δ G Kat # RT k B :Boltzmann-Konstante h:Planck'sches Wirkungsquantum R:Gaskonstante

Katalytische Produktivität

Die Produktivität eines Katalysators gibt die Menge an Produkt P an, die mit einer bestimmten Menge an Katalysator (unter den gegebenen Reaktionsbedingungen) insgesamt zu erzeugen ist. Sie ist dimensionslos (z.B. [mol Produkt/mol Katalysator]) und wird als Umsatzzahl TON (engl.: turnover number) bezeichnet:

Umsatz-Zeit-Kurven

Aktivität und Produktivität eines Katalysators lassen sich aus Umsatz-Zeit-Kurven ableiten. Der Anstieg zu Beginn der Reaktion ist ein Maß für die Aktivität des Katalysators. Die Produktivität ist aus der Stoffmenge an Produkt abzulesen, bei dem die Reaktion zum Stillstand kommt. (Vorausgesetzt, es steht über den gesamten Verlauf der Reaktion genügend Substrat zur Verfügung.) Solche Umsatz-Zeit-Kurven sind experimentell in einfacher Weise zu erhalten und wesentlich aussagekräftiger als die vielfach in Patenten übliche Angabe, welche Menge an Produkt zu einem bestimmten Zeitpunkt (z.B. 80 % Umsatz nach 5 h) gebildet worden ist.

Abb.1
Umsatz-Zeit-Kurven

Umsatz-Zeit-Kurven zur Bewertung der Katalysatoraktivität und -produktivität.

  • Die Katalysatoren 1 und 2 haben eine vergleichbare Aktivität, aber sehr unterschiedliche Produktivität.
  • Offensichtlich unterliegt Katalysator 2 einer raschen Desaktivierung.
  • Die Katalysatoren 3 und 4 sind von sehr geringer bzw. hoher Aktivität. Die Produktivität kann in dem zu schmalen Zeitfenster nicht angegeben werden, da beide Reaktionen noch nicht zu Ende gekommen sind.

Abb.2
Experimenteller Messpunkt

Der Messpunkt gibt lediglich an, dass nach einer bestimmten Zeit eine bestimmte Menge an Produkt gebildet worden ist. Aussagen zu Aktivität und Produktivität sind nicht möglich.

Abb.3
Produktivität/Aktivität

Die experimentell ermittelte Umsatz-Zeit-Kurve gibt Auskunft über Aktivität und Produktivität eines Katalysators.

  • Kurve 2: Mittlere Aktivität und geringe Produktivität
  • Kurve 3: Geringere Aktivität, aber höhere Produktivität

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