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Einführung in die Kinetik II (Katalyse)

Beispiele für Katalysatorreaktionen

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

N2(g)+ 3H2(g) A l 2 O 3 / K 2 O / F e 500 °C 200 bar 2NH3(g)

Die Reaktion verläuft bevorzugt nach einem Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus (Langmuir-Hinshelwood-Geschwindigkeitsansatz):

Abb.1
schematische Darstellung der Ammoniak-Synthese nach dem Langmuir-Hirshelwood-Mechanismus

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Adsorption des N2-Moleküls am Eisen. Anschließend erfolgt Oberflächendiffusion (Diffusion) 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 (Eley-Rideal-Geschwindigkeitsansatz).

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.

Die meisten großtechnischen Synthesen verlaufen auch heute noch heterogen katalysiert. Vergleicht man die beiden Katalysearten, so sprechen eine Reihe von Punkten für die homogene Katalyse:

Tab.1
Vor- und Nachteile der homogenen Katalyse
VorteileNachteile
höhere AktivitätTrennprobleme
höhere Selektivität
höhere Lebensdauer

Die höhere Aktivität liegt darin begründet, dass die gesamte Katalysatorsubstanz wirksam ist. Die geringere Lebensdauer heterogener Katalysatoren (heterogene Katalyse) beruht auf der allmählichen Veränderung der Kristallinität.

Extrem wirksame Katalysatoren im biochemischen Bereich sind die Enzyme. Das sind vom Organismus produzierte Stoffe, die zum einen bei Körpertemperatur Stoffwechselreakionen ermöglichen, die unter Laborbedingungen wesentlich drastischere Maßnahmen erfordern würden, zum anderen hochselektiv (Selektivität) wirken, d.h. 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.

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