Katalyse ist definiert als Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Einführung eines Katalysator. Ein Katalysator wiederum ist eine Substanz, die von der nicht verbraucht wird chemische Reaktion, sondern wirkt, um seine zu senken Aktivierungsenergie. Mit anderen Worten ist ein Katalysator sowohl a Reaktant und Produkt einer chemischen Reaktion. Typischerweise wird nur eine sehr kleine Menge Katalysator benötigt, um katalysieren eine Reaktion.
Die SI-Einheit für die Katalyse ist das Katal. Dies ist eine abgeleitete Einheit, die Mol pro Sekunde ist. Wenn Enzyme eine Reaktion katalysieren, ist die bevorzugte Einheit die Enzymeinheit. Die Wirksamkeit eines Katalysators kann unter Verwendung der Umsatzzahl (TON) oder der Umsatzhäufigkeit (TOF) ausgedrückt werden, die TON pro Zeiteinheit ist.
Die Katalyse ist ein wichtiger Prozess in der chemischen Industrie. Es wird geschätzt, dass 90% der kommerziell hergestellten Chemikalien durch einen katalytischen Prozess synthetisiert werden.
Manchmal wird der Begriff "Katalyse" verwendet, um sich auf eine Reaktion zu beziehen, bei der eine Substanz verbraucht wird (z. B. basenkatalysierte Esterhydrolyse). Laut dem IUPACDies ist eine falsche Verwendung des Begriffs. In dieser Situation sollte die der Reaktion zugesetzte Substanz als bezeichnet werden Aktivator eher als ein Katalysator.
Wichtige Erkenntnisse: Was ist Katalyse?
- Bei der Katalyse wird die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Zugabe eines Katalysators erhöht.
- Der Katalysator ist sowohl ein Reaktant als auch ein Produkt in der Reaktion, so dass er nicht verbraucht wird.
- Die Katalyse senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion und macht sie thermodynamisch günstiger.
- Katalyse ist wichtig! Etwa 90% der handelsüblichen Chemikalien werden unter Verwendung von Katalysatoren hergestellt.
Wie Katalyse funktioniert
Ein Katalysator bietet einen anderen Übergangszustand für eine chemische Reaktion mit einer geringeren Aktivierungsenergie. Kollisionen zwischen Reaktantenmolekülen erreichen eher die Energie, die zur Bildung von Produkten erforderlich ist, als ohne die Anwesenheit des Katalysators. In einigen Fällen besteht ein Effekt der Katalyse darin, die Temperatur zu senken, bei der eine Reaktion abläuft.
Die Katalyse verändert das chemische Gleichgewicht nicht, da sie sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsgeschwindigkeit der Reaktion beeinflusst. Es ändert die Gleichgewichtskonstante nicht. Ebenso wird die theoretische Ausbeute einer Reaktion nicht beeinflusst.
Beispiele für Katalysatoren
Eine Vielzahl von Chemikalien kann als Katalysatoren verwendet werden. Für chemische Reaktionen mit Wasser, wie z Hydrolyse und Dehydratisierung werden üblicherweise die Protonensäuren verwendet. Als Katalysatoren verwendete Feststoffe umfassen Zeolithe, Aluminiumoxid, graphitischen Kohlenstoff und Nanopartikel. Übergangsmetalle (z. B. Nickel) werden am häufigsten verwendet, um Redoxreaktionen zu katalysieren. Organische Synthesereaktionen können unter Verwendung von Edelmetallen oder "späten Übergangsmetallen" wie Platin, Gold, Palladium, Iridium, Ruthenium oder Rhodium katalysiert werden.
Arten von Katalysatoren
Die zwei Hauptkategorien von Katalysatoren sind heterogene Katalysatoren und homogene Katalysatoren. Enzyme oder Biokatalysatoren können als separate Gruppe oder als zu einer der beiden Hauptgruppen gehörend angesehen werden.
Heterogene Katalysatoren sind solche, die in einer anderen Phase als die katalysierte Reaktion vorliegen. Beispielsweise sind feste Katalysatoren, die eine Reaktion in einem Gemisch aus Flüssigkeiten und / oder Gasen katalysieren, heterogene Katalysatoren. Die Oberfläche ist entscheidend für die Funktion dieses Katalysatortyps.
Homogene Katalysatoren existieren in der gleichen Phase wie die Reaktanten in der chemischen Reaktion. Metallorganische Katalysatoren sind eine Art homogener Katalysatoren.
Enzyme sind Katalysatoren auf Proteinbasis. Sie sind eine Art von Biokatalysator. Lösliche Enzyme sind homogene Katalysatoren, während membrangebundene Enzyme heterogene Katalysatoren sind. Die Biokatalyse wird zur kommerziellen Synthese von Acrylamid und Maissirup mit hohem Fructosegehalt verwendet.
Verwandte Begriffe
Präkatalysatoren sind Substanzen, die sich während einer chemischen Reaktion in Katalysatoren umwandeln. Es kann eine Induktionsperiode geben, während die Präkatalysatoren aktiviert werden, um Katalysatoren zu werden.
Cokatalysatoren und Promotoren sind Namen für chemische Spezies, die die katalytische Aktivität unterstützen. Wenn diese Substanzen verwendet werden, wird der Prozess als bezeichnet kooperative Katalyse.
Quellen
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