Katalyse

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Wechseln zu: Navigation, Suche

Als Katalyse wird die Einleitung, Beschleunigung oder Lenkung chemischer Reaktionen durch Beteiligung bestimmter Stoffe, so genannter Katalysatoren, die sich bei diesem Prozess nicht aufbrauchen, bezeichnet.

In der lebenden Zelle spielen Enzyme, die biochemische Prozesse katalysieren, eine fundamentale Rolle im Stoffwechsel von der Verdauung bis hin zur Reproduktion und Transkription der Erbinformation.

Im Umweltbereich spielen sowohl natürlich ablaufende katalytische Prozesse wie die Bildung von Smog eine große Rolle als auch die katalytische Reduzierung von Schadstoffen im Automobil- und Kraftwerksbereich. Neue Systeme zur Energieherstellung und –speicherung wie die Brennstoffzelle basieren auf katalytischen Prozessen.

Die Wertschöpfung durch Katalyse in der Chemischen Industrie ist von erheblicher volkswirtschaftlicher Bedeutung, da über 80 % aller Chemieerzeugnisse mit Hilfe katalytischer Prozesse hergestellt werden. Durch deren Optimierung kann der Energie- un Ressourcenaufwand entscheidend verringert werden. Über 90% des weltweiten Katalysator-Umsatzes im Jahr 2007 von circa 16 Milliarden US-Dollar wurde mit Katalysatoren für heterogen katalysierte Prozesse erwirtschaftet.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Geschichte der Katalyse

Als erste vom Menschen angewandte katalytische technischer Prozesse gelten die Alkoholvergärung aus Zucker sowie die Essigsäureherstellung aus Alkohol mit Hilfe von katalytisch wirkenden Enzymen.

Im 18. und frühen 19. Jahrhundert wurden eine ganze Reihe von neuen katalytischen Reaktionen gefunden. Antoine-Augustin Parmentier entdeckte 1781 die Stärkespaltung zu Zucker unter Säurekatalyse, Carl Wilhelm Scheele entdeckte 1782 die säurekatalysierte Veresterung von Alkoholen und Säure zu Estern und Joseph Priestley 1783 den Zerfall von Ethanol zu Ethylen und Wasser an Tonerde.

Schon 1806 wurde von Desormes und Clement das Bleikammerverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure entwickelt.[1]

Berthollet entdeckte den Ammoniakzerfall zu Stickstoff und Wasserstoff an Eisenkatalysatoren, 1818 Thénard den Zerfall von Wasserstoffperoxid an Silber, Silberoxid und Mangandioxid. Die Entdeckung der Entzündung von Wasserstoff durch Döbereiner führte zur Entwicklung des Döbereiners Feuerzeug.

Wilhelm Ostwald

1835 erkannte Jöns Jakob Berzelius in den obigen Reaktionen die Gemeinsamkeit, dass neben den Edukten und Produkten immer ein weiterer Stoff in der Reaktion notwendig war, der offenbar nicht verbraucht wurde. Er prägte dazu den Begriff Katalyse in Analogie zu Analyse: …Ich werde sie die katalytische Kraft der Körper, und die Zersetzung durch dieselbe Katalyse nennen. Die katalytische Kraft scheint eigentlich darin zu bestehen, dass Körper ihre blosse Gegenwart, und nicht durch ihre Verwandtschaft, die bei dieser Temperatur schlummernden Verwandtschaften zu erwecken vermögen, so dass zufolge derselben in einen zusammengesetzten Körper die Elemente sich in solche andere Verhältnisse ändern, durch welche eine größere elektrisch-chemische Neutralisierung hervorgebracht wird.[2]

Eine moderne Definition der Katalyse fand Wilhelm Ostwald im Jahr 1894. Diese lautet: Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes[3]. Später spezifiziert zu: Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden und ohne die endgültige Lage des thermodynamischen Gleichgewichts dieser Reaktion zu verändern. Als Anerkennung für seine Arbeiten über die Katalyse sowie für seine grundlegenden Untersuchungen über chemische Gleichgewichtsverhältnisse und Reaktionsgeschwindigkeiten wurde Ostwald im Jahre 1909 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Bereit 1903 arbeitete der französische Chemiker Victor Henri auf dem Gebiet der Enzymkatalyse. Er untersuchte die Spaltung von Saccharose mit Hilfe des Enzyms Saccharase in Glucose und Fructose. Durch die Fortsetzung seiner Arbeiten durch den deutschen Biochemiker Leonor Michaelis und die kanadische Medizinerin Maud Menten gelang bereits 1913 die Formulierung der Michaelis-Menten-Theorie, dem bis heutige gültigen Grundstein der Enzymkinetik.

Im frühen 20. Jahrhundert begann die Entwicklung einer Reihe von Verfahren, die bis heute zu den wichtigsten der chemischen Industrie zählen. Haber, Bosch und Mittasch entwickelten 1910 die Ammoniak-Synthese aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff an Eisen-Kontakten, das Haber-Bosch-Verfahren. Wilhelm Ostwald entwickelte das Ostwald-Verfahren der Ammoniak-Oxidation an Platin-Netzen zu Salpetersäure, wodurch der zuvor knappe Nitrat-Dünger im großen Maßstab zur Verfügung stand.

Im Jahr 1913 wurde das Wacker-Verfahren zur Herstellung von Aldehyden aus Olefinen und Sauerstoff an Palladium-Katalysatoren entdeckt. Durch das Fluid Catalytic Cracking an Silica- / Alumina-Katalysatoren wurde Benzin aus höheren Erdölfraktionen zugänglich, später durch das Hydrocracken an Nickel-Katalysatoren.

Fischer und Tropsch erfanden das Fischer-Tropsch-Verfahren, mit dem ab 1925 erstmalig aus Kohle gewonnenes Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff an Eisen-Cobalt Katalysatoren zu Paraffinen und Olefinen umgesetzt wurden.

Otto Roelen entdeckte 1938 mit der Hydroformylierung die Herstellung von Aldehyden aus CO und H2 an Rhodium- und Cobalt-Katalysatoren. Durch Katalytisches Reforming von niedrigoktanigen Alkanen an Platin-Zinn- oder Platin-Rhenium / Aluminiumoxid-Kontakten entstanden hochoktanige, aromaten- und isoalkan-reiche Benzine.

Mit dem von Karl Ziegler am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung entwickelten Niederdruckverfahren, bei dem Ethylen und Propylen an Titan/Aluminium-Katalysatoren zu Polyolefinen umgesetzt werden, wurde die Grundlage für die petrochemische industrielle Massenproduktion von Polymeren gelegt, die das Kunststoffzeitalter einläutete. Ziegler wurde für seine Arbeiten mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Am MPI in Mülheim an der Ruhr entstanden auch die grundlegenden Arbeiten von Günther Wilke, der die Herstellung von Cyclooctadien aus 1,3-Butadien an Nickel-Katalysatoren entdeckte sowie die Arbeiten von Wilhelm Keim zum SHOP-Prozess.

Ein weiterer Nobelpreis auf dem Gebiet der Katalyse wurde 2005 für die Entdeckung der Alkenmetathese von Olefinen an Ruthenium-Katalysatoren an Chauvin, Schrock und Grubbs verliehen. Im Jahr 2007 wurde Gerhard Ertl für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen ausgezeichnet, die weitgehende Einblicke in die Elementarschritte heterogen-katalysierter Reaktionen erlauben.

[Bearbeiten] Energetische Grundlagen der Katalyse

Energiediagramm einer enzymatischen Reaktion: Die Aktivierungsenergie (freie Aktivierungsenthalpie) wird im Vergleich zu unkatalysierten Reaktionen durch Stabilisierung des Übergangszustandes gesenkt. Die freie Reaktionsenthalpie dagegen bleibt unverändert.

Eine einfache chemische Reaktion A + B → AB kann zum Beispiel folgendermaßen durch einen Katalysator Kat. beeinflusst werden, wobei A-KAT dem Übergangszustand entspricht:

\mathrm{A + KAT \rightarrow A-KAT\!}

\mathrm{A-KAT + B \rightarrow AB + KAT\!}

Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen um mehrere Größenordnungen. Es ist jedoch nicht möglich, mit Katalysatoren Reaktionen durchzuführen, die thermodynamisch verboten sind in der Hinsicht, dass die Gesamtenergie der Produkte höher liegt als die der Ausgangsstoffe, das heißt, die Katalyse ist eine kinetische und keine thermodynamische Erscheinung. Wie bei jeder spontan ablaufenden Reaktion muss die freie Reaktionsenthalpie (ΔG) negativ sein. Ein Katalysator verändert nicht das chemische Gleichgewicht einer Reaktion, sondern die Geschwindigkeit, mit der es sich einstellt. Die katalytische Wirksamkeit beruht einzig auf der Fähigkeit, die Aktivierungsenergie (\Delta G^{\ddagger}) einer chemischen Reaktion zu senken. Die Aktivierungsenergie ist der Energiebetrag, der zunächst überwunden werden muss, um die Reaktion in Gang zu setzen. Während der Reaktion wird das Substrat zunehmend verändert, es nimmt einen energetisch ungünstigen Übergangszustand ein. Die Aktivierungsenergie ist der Energiebetrag, der benötigt wird, um das Substrat in den Übergangszustand zu zwingen. Hier setzt die Wirkung des Katalysators ein, der durch seinen räumlichen Bau und seine Ladungsverhältnisse die Wahrscheinlichkeit für das Substrat erhöht, den Übergangszustand einzunehmen. Somit wird weniger Energie benötigt, um das Substrat in diesen Zustand zu bringen. Aus der Arrhenius-Gleichung ergibt sich der Effekt einer niedrigen Aktivierungsenergie bei sonst gleichen Reaktionsbedingungen auf die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante:

k=A\cdot e^\frac{-E_A}{\mathrm{R}\cdot T}
A präexponentieller Faktor oder Frequenzfaktor, entspricht nach der Stoßtheorie dem Produkt aus der Stoßzahl Z und dem Orientierungsfaktor P,
EA Aktivierungsenergie (Einheit: J/mol)
R = 8,314 J/(K mol) allgemeine Gaskonstante
T absolute (thermodynamische) Temperatur (Einheit: K)
k Reaktionsgeschwindigkeitskonstante

Die Katalyse ist daher als rein kinetischer Effekt anzusehen.

[Bearbeiten] Einteilung der Katalyse

Die Einteilung der Katalyse erfolgt nach verschiedenen Kriterien wie den beteiligten Phasen oder der Art der eingesetzten Katalysatoren. Je nachdem, in welcher Phase Katalysator und Substrat vorliegen, wird nach homogener (Katalysator und Substrat liegen in der gleichen Phase vor) und heterogener Katalyse (Katalysator und Substrat liegen in verschiedenen Phasen vor) unterschieden. Wechselt ein Katalysator oder Substrat während der Reaktion die Phase, wird der Vorgang Phasentransferkatalyse genannt.[4]

Je nach Art des verwendeten Katalysators gibt es weitere Einteilungskriterien wie Übergangsmetallkatalyse, Säure-Base-Katalyse oder Biokatalyse. Weisen die Produkte einer katalytischen Reaktion spezielle stereochemische Eigenschaften auf, wird dies enantioselektiver Katalyse genannt.[5] Wirkt ein während einer Reaktion hergestellter Stoff katalytisch auf die Erzeugungsreaktion, wird dieser Vorgang Autokatalyse genannt.

Werden Reaktionen mit Hilfe organischer Moleküle katalysiert, wird dies als Organokatalyse bezeichnet. Solche Katalysatoren enthalten kein Metall und bestehen nur aus leichten Hauptgruppenelementen.[6]

[Bearbeiten] Heterogene Katalyse

→ Hauptartikel: Heterogene Katalyse

Bei der heterogenen Katalyse liegt der Katalysator oft in fester Form vor (so genannter Kontakt) und das Substrat reagiert aus der Gas- oder Flüssigphase. Die heterogene Katalyse ist die Grundlage vieler chemischer und petrochemischer Prozesse. Katalysatoren sind häufig feste Basen und Säuren, wie Zeolithe, Metalloxide oder heterogenisierte Homogenkatalysatoren, wie trägerfixierte Enzyme. Neben der Chemie der Katalysereaktion sind bei heterogen-katalysierten Reaktionen oft Transportvorgänge geschwindigkeitsbestimmende Schritte. Ein großer Vorteil von heterogenen Katalysatoren ist ihre einfache Trennung von den Reaktionsprodukten.

[Bearbeiten] Homogene Katalyse

→ Hauptartikel: Homogene Katalyse

Bei der homogenen Katalyse können Katalysator und Substrat entweder in der Gasphase, etwa NO2 und SO2 beim Bleikammerverfahren, oder in der flüssigen Phase vorliegen. Die Selektivität ist oft höher als bei heterogen katalysierten Reaktionen, jedoch ist oft ihre Abtrennung vom entstehenden Produktgemisch schwierig.

Ist die Aktivität des eingesetzten Homogenkatalysators sehr hoch und durchläuft dieser genügend katalytische Zyklen, ist die Abtrennung des Katalysators nicht notwendig. Der Katalysator verbleibt in solchen Fällen, etwa beim Ziegler-Natta-Verfahren, in sehr geringer Menge im Produkt.

[Bearbeiten] Phasentransferkatalyse

→ Hauptartikel: Phasentransferkatalyse
Phasentransferkatalyse am Beispiel eines quarternären Ammoniumsalzes Q+

Vermittelt ein Katalysator den Kontakt zweier Reaktanden, die in unterschiedlichen Phasen (meist wässrige und organische Phase) vorliegen, wird dies Phasentransferkatalyse genannt. Der Katalysator einer solchen Reaktion ermöglicht den Durchtritt der Reaktanden durch die Phasengrenze.

Beispielsweise ermöglichen Kronenether die Lösung von Alkalimetallionen in organischen Lösungsmitteln; die Anionen, zum Beispiel MnO4-, werden als Kronenether/Alkali-Anion Ionenpaar in die organische Phase geschleppt. Dabei haben sich Kronenether mit 15 und 18 Kohlenstoffatomen im Ring besonders bewährt. Quartäre Ammoniumverbindungen, Phosphonium- oder Arsoniumionen mit lipophilen Alkylresten verbessern die Extraktion. Dabei steigt die Lipophilie mit zunehmendem Kohlenstoffanteil im Alkylrest. Die Reaktionsgeschwindigkeit einer Phasentransferkatalyse steigt oft linear mit der Konzentration des Katalysators an.

[Bearbeiten] Biokatalyse

→ Hauptartikel: Biokatalyse

Stoffwechselvorgänge in Lebewesen werden durch Enzyme katalysiert. Diese Reaktionen zeichnen sich allgemein durch äußerst hohe Effizienz und Selektivität aus und laufen bei milden Temperaturen und in wässrigem Milieu ab. Reaktive Spezies, die mit Wasser reagieren würden, werden durch hydrophobe „Taschen“ abgeschirmt. Viele Biokatalysatoren sind Proteine oder enthalten Proteinbestandteile.

Einige biokatalytische Prozesse gehören zu den ältesten bekanntesten chemischen Prozessen der Menschheit, etwa das Bierbrauen. Biokatalytische Prozesse unter Einsatz von Bakterien, Hefen oder Pilze, besonders in der Herstellung von Wein, Bier. Käse und anderen Nahrungsmitteln sind seit langen bekannt. Auch in der Pharmazeutische Industrie werden verstärk biokatalytische Prozesse eingesetzt. Wirtschaftlich bedeutende biokatalysierte Prozesse sind die Herstellung von Vitamin C, die Herstellung von Aspartam, die Verzuckerung von Stärke zu Glukosesirup und die Antibiotika-Herstellung durch enzymatische Spaltung von Penicillin G.

[Bearbeiten] Katalysator

→ Hauptartikel: Katalysator

Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion verändert, ohne dabei verbraucht zu werden. Der Katalysator beschleunigt eine Reaktion beziehungsweise setzt die notwendige Aktivierungsenergie herab, so dass eine Reaktion bei niedrigeren Temperaturen stattfinden kann. Viele Reaktionen sind überhaupt erst durch einen Katalysator möglich, weil die Reaktion ansonsten extrem langsam ablaufen würde.

[Bearbeiten] Herstellung heterogener Katalysatoren

Die Herstellung heterogener Katalysatoren erfolgt auf viele verschieden Arten. Ein bekanntes Verfahren ist die Extrusion zur Herstellung von Honeycomb-Katalysatoren. Ein Kontakt besteht entweder aus Vollmaterial oder aus einen Trägermaterial, das mit einer katalytisch aktiven Komponente sowie gegebenenfalls Aktivatoren imprägniert oder beschichtet wurde.

Nach der Imprägnierung eines Trägers mit einer Metallsalzlösung erfolgt beispielsweise die Trocknung, die Calzinierung und die Aktivierung des Metalls. Durch die spezifischen Bedingungen bei diesen Schritten lassen sich gegebenenfalls spezielle Metall-Profile auf einem Trägerpellet einstellen, die auf die Reaktionskinetik und die Diffusionscharakteristik der Reaktanden der katalysierten Reaktion abgestellt werden müssen. Die Katalyse von partiellen Oxidationsreaktionen erfordert oft Katalysatoren, welche die aktive Komponente nur im äußeren Bereich des Katalysators aufweisen und eine schnelle Diffusion des partiell-oxidierten Produkts in den Hauptgasstrom erlauben.

Honeycomb aus Cordierit

Trägermaterialien tragen in der heterogenen Katalyse die feinverteilten, katalytisch wirksamen Metallcluster und können aufgrund ihrer Eigenschaften auch als Co-Katalysator dienen, oder sie haben als Ligand einen Einfluss auf die katalytische Aktivität des dispergierten Metalls. Durch besondere Strukturen, zum Beispiel bei Zeolithen, können Trägermaterialien auch die Selektivität einer Reaktion beeinflussen. Beispiele von Trägermaterialien sind Cordierit, Ruß, Silicagel, Zeolithe oder Metalloxide, zum Beispiel Titandioxid, Aluminiumoxid.

Vollkontakte können durch Präzipitation oder Co-Präzipitation von Metallsalzen durch Alkalicarbonate oder -hydroxide hergestellt werden. Diese werden nach der Fällung gewaschen, getrocknet, calziniert und gegebenenfalls durch Reduzierung zum Metall aktiviert.

[Bearbeiten] Herstellung homogener Übergangsmetallkatalysatoren

→ Hauptartikel: Organometallchemie
Crabtree Hydrierungs-Katalysator

Die Herstellung homogener Übergangsmetallkatalysatoren erfolgt oft mit den Methoden der metallorganischen Chemie. Viele Übergangsmetallkatalysatoren sind luft- und feuchtigkeitsempfindlich. Eine besondere Bedeutung hat dabei das Ligandendesign für die Ausbeute und Selektivität der homogen-katalysierten Reaktion. Die elektronischen und sterischen Eigenschaften des Liganden können die Reaktion steuern und zu Beispiel sterische Informationen auf das Reaktandensystem übertragen.

[Bearbeiten] Katalysatordeaktivierung und Regeneration

→ Hauptartikel: Katalysatorgift

Die Mechanismen der Katalysatordeaktivierung sind vielfältig. In der Übergangsmetallkatalyse wird beispielsweise die Reduktion der eingesetzten Metall-Ligand-Katalysatoren zum Metall beobachtet.

Grob kann die Art der Deaktivierung eingeteilt werden in mechanische, etwa durch Abrieb oder Zerfall, thermische wie zum Beispiel durch Sinterung, physikalische wie die Verkokung oder die physikalische Blockade aktiver Zentren sowie die chemische Deaktivierung durch Bildung inaktiver Metallkomponenten wie beispielsweise Sulfide.

In der heterogenen Katalyse sind zum Beispiel bei Raffinerieprozessen die Verkokung, die Sinterung der aktiven Oberfläche oder der Zerfall des Katalysarors durch mechanischen Abrieb, zum Beispiel bei Fluid-Bed-Verfahren, bekannt. Durch Alterungsprozesse kann die katalytisch aktive Oberfläche verkleinert werden oder Poren können verstopfen, zum Beispiel in Zeolithen.

Zu den Regenerationsverfahren zählt beispielsweise das Abbrennen von Koks von Kontakten, die in Crack-Prozessen oder dem katalytisches Reforming eingesetzt werden oder die Oxychlorierung zur Wiederherstellung acider Zentren. Ist der Katalysator soweit deaktiviert, dass eine Regeneration nicht mehr sinnvoll ist, wird der Katalysator aus dem Prozess ausgeschleust. Bei Edelmetallkatalysatoren werden die Träger gegebenenfalls geschmolzen und das Edelmetall durch Verhüttungs- und elektrochemische Prozesse zurückgewonnen.

Irreversibel ist oft die Deaktivierung durch Phasenumwandlungen. Diese wird beispielsweise bei Zink-/Alumiumoxid-Katalysatoren für die Methanolsynthese beobachtet, die zu hohen Temperaturen ausgesetzt wurden. Durch Bildung einer Spinell-Phase wird der Katalysator deaktiviert und kann nicht regeneriert werden.

[Bearbeiten] Co-Katalysator

Oft benötigt ein katalytischer Zyklus neben dem eigentlichen Katalysator einen Co-Katalysator, der die Aktivität oder Selektivität eines Katalysators in positiver Weise beeinflusst. Ein bekanntes Beispiel ist die Funktion von Methylaluminoxan als Co-Katalysator in der Olefin-Polymerisation sowie die Jodwasserstoffsäure im Monsanto-Prozess.

[Bearbeiten] Katalytische Mechanismen

[Bearbeiten] Mechanismen in der heterogenen Katalyse

Neben den chemischen Reaktion können in der heterogenen Katalyse die Transportvorgänge die geschwindigekeitsbestimmenden Schritte sein. Es können insgesamt sieben Schritte unterschieden werden. Der erste ist die Diffusion der Reaktanden vom Gasstrom in den Katalysator. Der zweite Schritt ist die Porendiffusion, auf den die Adsorption der Reaktanden am aktiven Zentrum folgt. Nach der chemischen Reaktion verlassen die Produkte durch Desorption, wieder Porendiffusion und Diffusion in den Hauptgasstrom den Kontakt.

Der chemische Prozess nach Adsorption kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei monomolekularen Reaktionen zerfällt zum Beispiel das Edukt an der Katalysatoroberfläche. Bei bimolekularen Reaktionen sind drei Mechanismen denkbar, die davon abhängen, ob und wie die Reaktionspartner adsorbiert werden.

[Bearbeiten] Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus

Der Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus besteht aus den Schritten Adsorption, Oberflächendiffusion, Oberflächenreaktion und Desorption. Zunächst müssen beide Edukte A und B aus der Gasphase auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert werden:[7]

\mathrm{A_{g} \rightarrow A_{ads}\!}

\mathrm{B_{g} \rightarrow B_{ads}\!}

Die adsorbierten Spezies diffundieren auf der Oberfläche des Katalysators und reagieren anschließend zum Produkt C ab:

\mathrm{A_{ads} + B_{ads} \rightarrow C_{ads}\!}

Im letzten Schritt desorbiert Produkt C:

\mathrm{C_{ads} \rightarrow C_{g}\!}

Der Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus wurde unter anderem für die Oxidation von CO an Platin-Katalysatoren, die Methanol-Synthese an Zinkoxid-Katalysatoren sowie die Oxidation von Ethylen zu Acetaldehyd an Palladium-Katalysatoren nachgewiesen.

[Bearbeiten] Eley-Rideal-Mechanismus

Beim Eley-Rideal-Mechanismus, der 1938 von D. D. Eley und E. K. Rideal vorgeschlagen wurde, adsorbiert zunächst Edukt A auf der Katalysatoroberfläche:

\mathrm{A_{g} \rightarrow A_{ads}\!}

Anschließend reagiert das adsorbierte Edukt mit einem weiteren Edukt B aus der Gasphase zum Produkt C:

\mathrm{A_{ads} + B_{g} \rightarrow C_{ads}\!}

Im letzten Schritt desorbiert Produkt C:

\mathrm{C_{ads} \rightarrow C_{g}\!}

Der Eley-Riedel-Mechanismus wurde unter anderem für die Oxidation von Ammoniak an Platin-Katalysatoren sowie die selektive Hydrierung von Acetylen an Eisen-Katalysatoren nachgewiesen.

[Bearbeiten] Mars-van-Krevelen-Mechanismus

Edukt A wird zunächst aus der Gasphase auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert:

\mathrm{A_{g} \rightarrow A_{ads}\!}

Anschließend folgt die Oxidation von Edukt A mit vorhandenem Gittersauerstoff:

\mathrm{A_{ads} + O_{surf} \rightarrow AO_{ads}\!}

Produkt AO desorbiert und es entsteht eine Sauerstoffleerstelle im Kristallgitter:

\mathrm{AO_{ads} \rightarrow AO_{g} + Leerstelle\!}

Nach der Desorption werden durch Reoxidation mit Sauerstoff die Leerstellen wieder aufgefüllt:

\mathrm{O_{2,g} \rightarrow 2\;O_{ads} \rightarrow 2\;O_{surf}\!}

Die oxidative Dehydrierung von Propan zu Propen verläuft nach einem Mars-van-Krevelen-Mechanismus an vanadiumhaltigen Metalloxidkatalysatoren.

[Bearbeiten] Mechanismen in der homogenen Katalyse

Bekannte Formen der homogenen Katalyse sind die Säure-Base-Katalyse, die Übergangsmetallkatalyse sowie die Organokatalyse. Die Mechanismen der Organokatalyse sind vielfältig. In neuerer Zeit wurde der Einsatz chiraler Aminosäuren wie Prolin in enantioselektiven Synthesen untersucht. Gegenüber der Übergangsmetallkatalyse braucht bei der Organokatalyse kaum unter Luft- oder Wasserausschluss gearbeitet werden, die Katalysatoren sind einfach aus Naturstoffen erhältlich und in unterschiedlichen Lösungsmitteln einsetzbar.

[Bearbeiten] Säure-Base-Katalyse

Ein bekanntes Beispiel einer säurekatalysierten Reaktion ist die bereits oben erwähnte Veresterung von Carbonsäuren mit Alkoholen beziehungsweise die Umkehrung dieser Reaktion unter Verseifung (für die Reaktionsmechanismen siehe Artikel Veresterung, Verseifung).

[Bearbeiten] Übergangsmetallkatalyse

Der erste Schritt der homogenen Übergangsmetallkatalyse ist die Bildung der aktiven Spezies aus dem Prä-Katalysator. Am eigentlichen Katalysator erfolgt im zweiten Schritt die oxidative Addition eines Substrats unter Änderung der Oxidatiosstufe des Katalysatormetalls. In einem weiteren Schritt komplexiert ein weiteres Substrat die katalytisch aktive Spezies. Eine typische Reaktion ist im Folgeschritt die Insertion dieses Substrats in die vorher gebildete Substrat-Katalysatorbindung des oxidative addierten Substrats. Durch Umlagerung und anschließede reduktive Eliminierung des gebildeten Produkt unter Freisetzung des ursprünglichen Katalysators wird der katalytische Zyklus geschlossen.

Katalytischer Zyklus

Beispiele für homogen katalysierte Prozesse sind die Hydrocyanierung, die Hydroformylierung oder die Olefinmetathese.

[Bearbeiten] Nobelpreise im Bereich Katalyse

Jahr Person Begründung für die Preisvergabe
1909 Wilhelm Ostwald „als Anerkennung für seine Arbeiten über die Katalyse sowie für seine grundlegenden Untersuchungen über chemische Gleichgewichtsverhältnisse und Reaktionsgeschwindigkeiten“
1912 Paul Sabatier „für seine Methode, organische Verbindungen bei Gegenwart fein verteilter Metalle zu hydrieren, wodurch der Fortschritt der organischen Chemie in den letzten Jahren in hohem Grad gefördert worden ist“
1918 Fritz Haber „für die Synthese von Ammoniak aus dessen Elementen“ (Haber-Bosch-Verfahren)
1932 Irving Langmuir „für seine Entdeckungen und Forschungen im Bereich der Oberflächenchemie“
1946 James Batcheller Sumner „für seine Entdeckung der Kristallisierbarkeit von Enzymen“
1963 Karl Ziegler, Giulio Natta „für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Chemie und der Technologie der Hochpolymeren“ (Ziegler-Natta-Verfahren)
1975 John W. Cornforth „für seine Arbeiten über die Stereochemie von Enzym-Katalyse-Reaktionen“
2001 William S. Knowles, Ryoji Noyori „für ihre Arbeiten über chiral katalysierende Hydrierungsreaktionen“
2001 Barry Sharpless „für seine Arbeiten über chiral katalysierende Oxidationsreaktionen“ (Sharpless-Epoxidierung)
2005 Yves Chauvin, Robert Grubbs, Richard R. Schrock „für die Entwicklung der Metathese-Methode in der organischen Synthese“
2007 Gerhard Ertl „für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen“

[Bearbeiten] Wortherkunft

Das Wort Katalyse leitet sich vom griechischen κατάλυσις, katálysis – die Auflösung, Abschaffung, Aufhebung ab, ursprünglich von: κατά = „(da)bei“ (örtl./zeitl.) und λύσις = „Auflösung, Zerfall“, also: „örtlich und zeitlich beim Zerfall (anwesend)“.

[Bearbeiten] Organisationen

Als Schnittstelle für Austausch zwischen Industrie und Hochschulen sind verschiedene Verbände im europäischen Raum auf nationaler und internationaler Ebene tätig. Die Organisationen unterstützen die Förderung von Forschung und Lehre und dienen als Interessensvertretung im Bereich Katalyse.

In Deutschland ist die Deutsche Gesellschaft für Katalyse (GECATS) tätig,[8] auf europäischer Ebene vertritt die European Federation of Catalysis Societies (EFCATS) [9] wissenschaftliche Organisationen im Bereich Katalyse von 25 Ländern.

[Bearbeiten] Fachzeitschriften (Auswahl)

Der aktuelle Stand der Forschung auf dem Gebiet der Katalyse wird in einer Vielzahl von Journalen und Fachzeitschriften veröffentlicht. Darunter sind die Catalysis Letters, die von Norbert Kruse und Gábor A. Somorjai heraugegeben werden und Beiträge im Bereich homogene, heterogene und enzymatische Katalyse veröffentlichen.

Die Catalysis Reviews betonen den interdisziplinären Gesichtspunkt der Katalyse und veröffentlichen Beiträge im verschiedenen Bereichen wie Reaktordesign, Computersimulation und Fortschritte in analytischen Verfahren.

Die Zeitschrift Applied Catalysis wird in einer A und B Augabe herausgeben. Während sich die A-Ausgabe auf den Bereich der traditionellen Katalyseforschung mit Schwerpunkt auf katalytische Zyklen im Bereich homogene, heterogene und enzymatische Katalyse sowie den Aspekten der Katalysatorherstellung, Aktivierung und Deaktivierung, Alterung und Regeneration. Die B-Ausgabe konzentriert sich auf katalytische Prozesse im Umweltbereich.

Catalysis Today veröffentlicht hauptsächlich Originalarbeiten und Reviews zu einzelnen Themen.

Das Journal of Catalysis veröffentlicht zum Beispiel Studien katalytischer Elementarprozesse an Oberflächen oder Metallkomplexen über analytische Methoden bis zu theoretischen Aspekten der Katalyse in allen Gebieten der Katalyse.

Bei Kinetics and Catalysis, einem russischen Journal, liegt der Schwrpunkt der Veröffentlichung auf dem Gebiet der kinetischen Studien und quantenmechanischen Berechnungen.

[Bearbeiten] Einzelnachweise

  1. ↑ Grundlagen der metallorganischen Komplexkatalyse von Dirk Steinborn; Google-Books
  2. ↑ Catalysis: An Integrated Approach, von R. Santen, P. Van Leuwen, J. Moulijn. books.google.de. Abgerufen am 14. Dezember 2009.
  3. ↑ W. Ostwald, „Referat zur Arbeit F. Strohmann Über den Wärmegehalt der Bestandteile der Nahrungsmittel“ Z. phys. Chem. 15 (1894), S. 705 f.
  4. ↑ Phase-transfer Catalysis: Fundamentals, Applications, and Industrial Perspectives, von C. Starks, C. Liotta, M. Halpern. books.google.de. Abgerufen am 14. Dezember 2009.
  5. ↑ Asymmetric Catalysis: Science and Opportunities, Nobel-Vortrag, 8. Dezember 2001, von Ryoji Noyori. nobelprize.org. Abgerufen am 21. November 2009.
  6. ↑ Skript der Universität Hannover über Organokatalyse
  7. ↑ Surface Science: Foundations of Catalysis and Nanoscience, von Kurt W. Kolasinski. books.google.de. Abgerufen am 3. Dezember 2009.
  8. ↑ GECATS - Deutsche Gesellschaft für Katalyse - German Catalysis Society. www.gecats.de. Abgerufen am 26. Dezember 2009.
  9. ↑ EFCATS - European Federation of Catalysis Societies. www.efcats.org. Abgerufen am 26. Dezember 2009.

[Bearbeiten] Literatur

[Bearbeiten] Weblinks


Dieser Artikel befindet sich derzeit im Review-Prozess
Qsicon inArbeit.svg Dieser Artikel befindet sich derzeit im Review-Prozess. Sag dort deine Meinung zum Artikel und hilf mit, ihn zu verbessern!
Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Katalyse“
Persönliche Werkzeuge