Chemie · Klasse 8–9 · aktualisiert
Katalysator: Wirkung und Katalyse einfach erklärt
Du erklärst, wie Katalysatoren Reaktionen beschleunigen und warum sie dabei nicht verbraucht werden.
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Kurz gesagt
Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie und beschleunigt so eine Reaktion, etwa Abgasreaktionen im Auto. Im idealen Reaktionszyklus wird er zurückgebildet, also nicht verbraucht. Anfangs- und Endniveau bleiben gleich; nur der Gipfel sinkt.
Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion, indem er einen anderen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglicht. Dabei wird er im idealisierten Reaktionszyklus zurückgebildet. Im Ausblick siehst du, warum er die Lage eines chemischen Gleichgewichts nicht verändert, sondern nur dafür sorgt, dass es schneller erreicht wird.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Manche Reaktionen wären möglich, laufen aber bei Raumtemperatur kaum merklich ab. Den Teilchen fehlt oft die Energie zum Überwinden der Startbarriere. Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit einer niedrigeren Barriere. So reagieren in derselben Zeit mehr Teilchen. Das nennt man eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit.
Beim katalysierten Weg beteiligt sich der Katalysator vorübergehend und bildet Zwischenstufen. Ein vereinfachtes Buchstabenschema zeigt das, ohne wirkliche Stoffformeln darzustellen:
A+C\rightarrow AC
B+AC\rightarrow AB+C
A und B stehen für Edukte, AB für das Produkt und C für den Katalysator. Zuerst entsteht AC. Im zweiten Schritt wird AB gebildet und C wieder frei.
Im Energiediagramm haben katalysierter und unkatalysierter Weg dieselben Anfangs- und Endniveaus. Nur die höchste Barriere des katalysierten Weges liegt niedriger.
Definition
Aktivierungsenergie
Die Aktivierungsenergie ist die Energiebarriere, die für den Beginn einer Reaktion überwunden werden muss.
Merke: Ein Katalysator macht eine mögliche Reaktion schneller. Er liefert keine Energie und macht aus einer unmöglichen Reaktion keine mögliche.
Beispiel
- 1Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist bei Raumtemperatur stark gehemmt.
- 2Platin kann einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglichen.
- 3Deshalb läuft die Reaktion schon bei niedrigerer Temperatur ausreichend schnell ab.
- 4Das Platin wird im Reaktionszyklus wieder frei.
Teste dich
Für die Einteilung ist wichtig, ob Katalysator und Reaktionsteilnehmer in derselben Phase vorliegen. Eine Phase ist ein einheitlicher Bereich eines Stoffsystems, zum Beispiel eine Flüssigkeit oder ein Feststoff. Bei der heterogenen Katalyse reagieren Teilchen an aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche. Das sind Stellen, an denen Edukte gebunden und über Zwischenstufen umgewandelt werden. Eine große zugängliche Oberfläche kann viele solcher Kontaktstellen bereitstellen. Enzyme sind biologische Katalysatoren. Ihre aktiven Zentren passen nur zu bestimmten Reaktionsteilnehmern. Diese Bevorzugung bestimmter Reaktionen nennt man Selektivität.
Definition
Homogene Katalyse
Bei der homogenen Katalyse liegen Katalysator und Reaktionsteilnehmer in derselben Phase vor, häufig gemeinsam in einer Flüssigkeit.
Definition
Heterogene Katalyse
Bei der heterogenen Katalyse liegen Katalysator und Reaktionsteilnehmer in verschiedenen Phasen vor, zum Beispiel ein fester Katalysator und gasförmige Edukte.
Beispiel
- 1Konzentrierte Schwefelsäure kann die Bildung von Estern beschleunigen. Ester sind zum Beispiel Duftstoffe, die aus einer Säure und einem Alkohol entstehen. Alle beteiligten Stoffe liegen in einer gemeinsamen flüssigen Phase: Das ist homogene Katalyse.
- 2Festes Platin mit gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff gehört dagegen zur heterogenen Katalyse.
- 3Ein Enzym, das in einer Zelle eine bestimmte Stoffumwandlung beschleunigt, ist ein Biokatalysator.
Teste dich
„Der Katalysator wird nicht verbraucht“ beschreibt den idealisierten Reaktionszyklus. Der Katalysator nimmt vorübergehend am Ablauf teil und wird anschließend regeneriert. Er steht deshalb nicht als verbrauchter Stoff in der Gesamtgleichung der Reaktion.
In technischen Anlagen kann ein Katalysator trotzdem an Wirkung verlieren. Nebenprodukte können aktive Zentren blockieren, oder Nebenreaktionen können das Material verändern. Man spricht dann von Deaktivierung.
Ein guter technischer Katalysator ist aktiv, wenn er die gewünschte Reaktion deutlich beschleunigt. Er ist selektiv, wenn er möglichst das gewünschte Produkt begünstigt. Stabilität heißt, dass er unter den Reaktionsbedingungen lange wirksam bleibt. Nicht jeder Katalysator beschleunigt jede Reaktion.
Beispiel
- 1Im Fahrzeugkatalysator unterstützen Edelmetalle verschiedene Abgasreaktionen.
- 2Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kraftstoffreste werden oxidiert; Stickoxide werden reduziert.
- 3Die Auswahl der aktiven Materialien bestimmt mit, welche Reaktionen bevorzugt ablaufen.
Teste dich
Bei einer umkehrbaren Reaktion laufen Hin- und Rückreaktion gleichzeitig. Der Katalysator beschleunigt beide Richtungen. Bei gleichen Bedingungen wird das Gleichgewicht schneller erreicht, seine Lage bleibt jedoch gleich. Genauer lernst du das auf der Seite „Chemisches Gleichgewicht“ kennen.
Definition
Chemisches Gleichgewicht
Im chemischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion gleichzeitig und gleich schnell. In einem geschlossenen Gefäß bleiben die Mengen der Stoffe bei gleichen Bedingungen gleich, obwohl beide Richtungen weiterlaufen.
Merke: Schneller im Gleichgewicht bedeutet nicht: anderes Gleichgewicht. Der Katalysator ändert das Reaktionstempo, nicht die Gleichgewichtslage.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Katalysator
Wirkung
alternativer Weg und niedrigere Aktivierungsenergie
Folge
höhere Reaktionsgeschwindigkeit
Mechanismus
Zwischenstufen und Regeneration
Energiebilanz
nur der Gipfel sinkt, Anfang und Ende bleiben gleich
Arten
homogen, heterogen und biologisch
Praxis
Aktivität, Selektivität, Stabilität und Deaktivierung
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Einen katalysierten Weg vergleichen
- 1Zwei Energiediagramme zeigen dieselben Edukte und Produkte. Nur die Gipfel unterscheiden sich.
- 2Der Weg mit dem niedrigeren Gipfel hat die kleinere Aktivierungsbarriere.
- 3Bei gleichen Bedingungen kann die Reaktion auf diesem Weg schneller ablaufen.
- 4Anfangs- und Endniveau bleiben gleich; die Energiebilanz ändert sich durch den Katalysator nicht.
Fehler finden
Wird der Katalysator verbraucht? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile ist falsch: Ein Katalysator wie das Enzym wird im idealen Reaktionszyklus zurückgebildet. Er steht deshalb nicht als verbrauchter Stoff in der Gesamtgleichung.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Ein Katalysator ermöglicht einen Reaktionsweg mit Startbarriere. Im idealen Reaktionszyklus wird er .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback