zum Directory-modus

Katalyse

Beispiele für Katalysatorreaktionen

Bei der Ammoniak-Synthese wird ein Fe/K2O/Al2O3-Katalysator verwendet.

N 2 (g) + 3H 2 (g) Al 2 O 3 / K 2 O/Fe 500°C 200bar 2 NH 3 (g) ΔH R = -92 kJmol-1

Die Reaktion verläuft bevorzugt nach einem Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus:

Abb.1

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Adsorption des N2-Moleküls am Eisen. Anschließend erfolgt Oberflächendiffusion des adsorbierten Wasserstoffs und Bildung von Stickstoff-Wasserstoff-Zwischenprodukten. (Allerdings wird nicht ausgeschlossen, dass gleichzeitig auch Reaktion von Wasserstoff aus der Gasphase mit adsorbiertem Stickstoff erfolgt, was einem Rideal-Eley-Mechanismus entspricht.)

Die Reaktion wird bei ca. 500 °C durchgeführt, weil der Katalysator bei niedrigeren Temperaturen unwirksam ist. Gleichzeitig wird dadurch die Gleichgewichtslage der exothermen Reaktion so ungünstig, dass zur Erzielung einer brauchbaren Ausbeute der Druck stark erhöht werden muss. Die kinetische Forderung nach hoher Reaktionsgeschwindigkeit steht hier im Gegensatz zur thermodynamischen nach günstiger Gleichgewichtslage.

Bei den meisten großtechnischen Synthesen werden gegenwärtig heterogene Katalysatoren verwendet. Wenn man homogene und heterogene Katalyse miteinander vergleicht, dann gibt es eine Reihe von Argumenten, die für oder gegen die jeweilige Katalyseart sprechen.

In den vergangenen Jahrzehnten hat die Bedeutung von homogen katalysierten Reaktionen zugenommen. Vorteilhaft ist hier, dass die gesamte Katalysatorsubstanz wirksam ist. Es handelt sich dementsprechend häufig um hochaktive Katalysatoren. Bei der heterogenen Katalyse ist meist nur ein Teil der Oberfläche aktiv. Die Struktur der homogenen Katalysatoren ist im Allgemeinen bekannt und die experimentelle Untersuchung der Reaktionsmechanismen ist einfacher. Schwierig gestaltet sich mitunter die Abtrennung von Produkt und Katalysator aus dem einphasigen Gemisch. Letztlich entscheidet die zu katalysierende Reaktion darüber, ob im Einzelfall ein homogener oder heterogener Katalysator vorteilhafter ist.

Extrem wirksame Katalysatoren im biochemischen Bereich sind die Enzyme. Das sind vom Organismus produzierte Stoffe, die zum einen bei Körpertemperatur Stoffwechselreaktionen ermöglichen, die unter Laborbedingungen wesentlich drastischere Maßnahmen erfordern würden, zum anderen hochselektiv wirken, das heißt Nebenreaktionen praktisch ausschließen. In diesem Zusammenhang sollte auch die Stickstofffixierung erwähnt werden, nämlich die Fähigkeit von Bodenbakterien, in den Wurzelknollen von Leguminosen (Lupinen, Bohnen) molekularen Stickstoff aus der Luft trotz extremer Reaktionsträgheit zu spalten und zu binden. Die Bedingungen der Ammoniaksynthese haben gezeigt, welcher Aufwand mit weniger wirksamen Katalysatoren betrieben werden muss.

Seite 6 von 7