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Tutorial MenueKompaktkurs KatalyseLerneinheit 5 von 6

Acide Katalysatoren

Saure Eigenschaften der Zeolithe

Werden in Zeolithen durch Ionenaustausch die freien Alkaliionen gegen Wasserstoffionen ausgetauscht, entstehen Festkörpersäuren, die so genannten H-Zeolithe. Die Acidität dieser H-Zeolithe lässt sich durch den Grad des Ionenaustausches oder partielle Dealuminierung über einen großen Bereich einstellen.

Die Stabilität der Zeolithe gegenüber Säuren steigt mit zunehmenden Si/Al-Verhältnis. Der direkte Austausch der Kationen mit Säuren ist deswegen oft nicht möglich.

Das folgende Schema zeigt die Deammonisierung, bei der die Alkalikationen zunächst gegen Ammoniumionen ausgetauscht werden und diese schließlich durch Erhitzen auf ca. 500 – 600 °C zersetzt werden:

Abb.1

Die Protonen sind überwiegend in Form von Brücken-Hydroxidgruppen gebunden, zeigen aber aufgrund der polarisierenden Wirkung des koordinativ ungesättigten Aluminiums einen stark sauren Charakter.

Durch starkes Erhitzen der Zeolithe kommt es zur Dehydroxylierung. Dabei bilden sich Lewis-Säure-Zentren aufgrund der Ausbildung von koordinativ ungesättigten aluminiumhaltigen Spezies.

Abb.2

Das folgende Diagramm zeigt das Verteilung der Brönsted- und Lewiszentren mit steigender Temperatur am Beispiel des Faujasits:

Abb.3

Die Acidität von Zeolithen kann mit Hilfe der Hammett-Funktion in verschiedene Klassen eingeteilt werden. Die Hammett-Gleichung ergibt sich aus der Spezialform der Brönsted-Gleichung für konzentrierte Säuren und ist nicht auf wässrige Medien beschränkt:

lg K = lg a + α⋅ H 0
Tab.1
SymbolBeschreibung
K Gleichgewichtskonstante der Säure-Base-Reaktion
a Konstante für bestimmte Klassen von Reaktionen
α Maß für den Protonentransfer (α kleiner als 1)
H 0 Aciditätsfunktion nach Hammett

Mit Hilfe der Hammett-Funktion können auch Säuren mit einer Säurestärke pH >14 beschrieben werden.

Die Säurestärke von Zeolithen ist abhängig vom Si/Al-Verhältnis. Mit abnehmenden Aluminiumgehalt nimmt die Säurestärke des einzelnen Zentrums zu (vgl. Einfluss der Kettenlänge auf die Säurestärke bei Dicarbonsäuren). Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Zentren ab. Durch die Überlagerung dieser beiden gegenläufigen Effekte kommt es zur Ausbildung eines Maximums der Acidität.

Allgemein sind alle homogenen säurekatalysierten Reaktionen auch an Zeolithen möglich, soweit die Reaktanden die sauren Zentren erreichen und die entstehenden Produkte auch desorbiert werden können.

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