Katalysator

Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden (Katalyse).

Die Beschleunigung der Reaktion beruht darauf, dass der Katalysator einen anderen Reaktionsmechanismus mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie ${\mathit{E}}_{\text{a}}$ ermöglicht:

Die Graphik zeigt das typische Energieprofil einer Einschrittreaktion (mit und ohne Katalysator). Die Edukte bilden hier ohne oder mit Katalysator jeweils einen Übergangszustand (Energiemaximum).

Hinweis

Katalysatoren haben keinen Einfluss auf die Gleichgewichtslage der Reaktionen, die sie beschleunigen.

Zur Erläuterung des chemischen Gleichgewichts wird die Reaktion

mit der Hingeschwindigkeit

$$v_1={\mathit{k}}_1·[A]·[B][A],[B]=\text{aktuelle Konzentrationen zur Zeit }t$$

und der Rückgeschwindigkeit

$$v_{-1}={\mathit{k}}_{-1}·[C]·[D][C],[D]=\text{aktuelle Konzentrationen zur Zeit }t$$

betrachtet. Im Gleichgewicht müssen Hin- und Rückgeschwindigkeit gleich sein, also

$${\mathit{k}}_1·{[A]}_{\text{eq}}·{[B]}_{\text{eq}}={\mathit{k}}_{-1}·{[C]}_{\text{eq}}·{[D]}_{\text{eq}}$$

$${[A]}_{\text{eq}},{[B]}_{\text{eq}},{[C]}_{\text{eq}},{[D]}_{\text{eq}}=\text{Gleichgewichtskonzentrationen zur Zeit }t=\infty$$

und umgestellt:

$$\frac{{[C]}_{\text{eq}}·{[D]}_{\text{eq}}}{{[A]}_{\text{eq}}·{[B]}_{\text{eq}}}=\frac{{\mathit{k}}_1}{{\mathit{k}}_{-1}}=K$$

$K$ ist die Gleichgewichtskonstante der Reaktion (Gleichgewicht).

Wenn für eine Reaktion ein Katalysator eingesetzt wird, bilden sich aus Edukten und Katalysator Zwischenstufen, die in Produkte und Katalysator zerfallen.

Da ein Katalysator nicht in die Gesamtreaktion

eingeht, kann er die Lage des Gleichgewichts nicht beeinflussen.

Wird die Hingeschwindigkeit $v_1$ durch Zugabe eines Katalysators um den Faktor f erhöht, so muss die Geschwindigkeitskonstante ${\mathit{k}}_1$ ebenfalls um den Faktor f größer werden. Dann müssen sich aber auch ${\mathit{k}}_{-1}$ und $v_{-1}$ um den Faktor f vergrößern.

$$K=\frac{k_1}{k_{-1}}=\frac{f\cdot k_1}{f\cdot k_{-1}}=\frac{\frac{f\cdot v_1}{[A]\cdot [B]}}{\frac{f\cdot v_{-1}}{[C]\cdot [D]}}$$

Hin- und Rückrichtung einer Reaktion werden durch einen Katalysator also gleich stark beschleunigt.