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Von der „verborgenen Kraft“ zum Ökonomiefaktor

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Von der „verborgenen Kraft“ zum Ökonomiefaktor. Prinzipien und Anwendungen der Katalyse. Gliederung. Historisches zum Begriff „Katalyse“ V 1 Prinzipien der Katalyse Formen der Katalyse 1. homogene Katalyse V 2 2. heterogene Katalyse V 3 3. enzymatische Katalyse V 4

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Presentation Transcript
von der verborgenen kraft zum konomiefaktor

Von der „verborgenen Kraft“ zum Ökonomiefaktor

Prinzipien und Anwendungen der Katalyse

gliederung
Gliederung
  • Historisches zum Begriff „Katalyse“ V 1
  • Prinzipien der Katalyse
  • Formen der Katalyse

1. homogene Katalyse V 2

2. heterogene Katalyse V 3

3. enzymatische Katalyse V 4

4. Autokatalyse V 5

  • Anwendungen von Katalysatoren

1. Abgaskatalysator D 1, V 6

2. Ostwald-Verfahren V 7

  • Ausblick
  • Schulrelevanz
historisches zum begriff katalyse
Historisches zum Begriff „Katalyse“
  • Anfang 19. Jh. Thénard, Döbereiner

(V1: Zerfall von H2O2 an Silber)

  • 1835 J.J. Berzelius
  • Begriff „Katalyse“: von griech. Καταλύειν = auflösen

Definition:

„verborgene Kraft“

„bloße Gegenwart“ ruft „chemische Tätigkeiten

hervor, die ohne sie nicht stattfänden“

historisches zum begriff katalyse1
Historisches zum Begriff „Katalyse“
  • Um 1900 W. Ostwald
  • 1909-1913 F. Haber, A. Mittasch:

Ammoniaksynthese→ Meilenstein

Definition: Katalyse ist die Beschleunigung

eines langsam verlaufenden

Vorgangs durch die Gegenwart

eines fremden Stoffes (des

Katalysators). Ein Katalysator

erhöht die Geschwindigkeit der

Reaktion ohne im Endprodukt zu

erscheinen.

prinzipien der katalyse
Thermodynamik

Lehre von den Energie-änderungen

Voraussage, ob eine bestimmte chemische Reaktion unter gegebenen Bedingungen ablaufen kann

Keine Aussagen über Geschwindigkeit

Kinetik

Lehre von der Geschwindigkeit

Abhängigkeit der RG von der

- Konzentration (Zeitgesetz)

- Temperatur (Arrhenius-Glei-

chung

- Katalysatoranwesenheit

Prinzipien der Katalyse

Energetik

wie wirkt ein katalysator
Wie wirkt ein Katalysator?
  • Energiediagramm

Theorie des aktivierten Komplexes

Annäherung der Eduktmoleküle

→ Anstieg von Epot um EA

→ Erreichen eines Maximums bei Bildung des aktivierten Komplexes

→ Umlagerung der Atome

→ Absinken von Epot

→Katalysator: Einwirkung auf die Aktivierungsenergie!

Aktivierter

Komplex

Edukte

positive und negative katalyse
Positive Katalysatoren

Senken EA

Erhöhen die RG

Beschleunigen die GW-Einstellung

Negative Katalysatoren

(Inhibitoren)

Wirken entgegengesetzt zu positiven Katalysatoren

Positive und negative Katalyse
homogene katalyse
Homogene Katalyse
  • Katalysator und Reaktanten liegen in gleicher Phase vor (Gas- oder Lösungsphase)
  • „Überträger“
  • Reaktionsmodell:

A + K AK

1. Edukt Katalysator Zwischenprodukt

AK + B AB + K

2. Edukt Produkt

K

A + B AB

→ Bildung von Zwischenverbindungen!

v2 nachweis von zwischenverbindungen beim katalytischen zerfall von tartrat ionen
V2: Nachweis von Zwischenverbindungen beim katalytischen Zerfall von Tartrat-Ionen

Erklärung:

-1 +3/2 Co2+ -2 +4 +4

Gesamtreaktion: 5 H2O2 + C4H4O62- 6 H2O + 2 HCO3- + 2 CO2 ↑

1

A + B

Raum-T

C

2

A + B

40-50°C

C

3

A + B

40-50°C

-----

langsamer

Farbwechsel

Gasentwicklung

schneller

Farbwechsel

keine Reaktion

farblos

slide11
-1 +2 -2 +3

Schritt 1: ½ H2O2 + [Co(H2O)6]2+ OH- + [Co(H2O)6]3+

rosablau

Schritt 2: [Co(H2O)6]3+ + n C4H4O62- [Co(C4H4O6)n]3-2n + 6 H2O

grün

Schritt 3: [Co(C4H4O6)n]3-2n + 4 ½ H2O2 + OH- + 6 H2O

2 HCO3- + [Co(H2O)6]2+ + 6 H2O + n-1 C4H4O62- + 2 CO2 ↑

rosa

Fazit: 1. Co2+ = Redoxkatalysator

2. Zusatz von Co2+ und T-Erhöhung: Zunahme der RG

3. Beobachtung von Zwischenstufen bei homogenen Katalysen!

4. Der Katalysator liegt nach der Reaktion unverändert vor!

heterogene katalyse
Heterogene Katalyse
  • Katalysator und Reaktanten liegen in verschiedenen Phasen vor:

Katalysator: f, Reaktanten: g oder l

  • „Kontakt“
  • Katalysatorwirkung durch „aktive Stellen“
  • Einfluss von Promotoren
  • Teilprozesse:

1. Diffusion

2. Physisorption oder Chemi-sorption

3. Reaktion

4. Desorption

5. Diffusion

physisorption chemisorption
Physisorption - Chemisorption

Frage: Warum läuft die katalysierte Oberflächenreaktion schneller ab als die Reaktion in der Gasphase?

  • Ursache der Adsorption: nicht voll
  • abgesättigte Valenzen der Atome
  • an der Oberfläche
  • Gründe für katalytische Wirkung
  • durch Adsorption:
  • 1. Erhöhung der Konzentration
  • 2. Schwächung der Bindungen
  • 3. sterische Faktoren
  • wenn EWW = ΔHkond(Gas): Van-der-Waals-Kräfte → Physisorption
  • wenn EWW > ΔHkond(Gas):Atombindungen → Chemisorption
erkl rung v1 zerfall von wasserstoffperoxid an silber
Erklärung V1: Zerfall von Wasserstoffperoxid an Silber

-1 Ag -2 0

Reaktion: H2O2 H2O + ½ O2↑

Erklärung: Oberfläche Ag-Pulver > Oberfläche Ag-Blech

→ Möglichkeiten zur Adsorption bei Ag-Pulver größer

→ pro Zeiteinheit Umsetzung von mehr H2O2

Fazit: Zerteilungsgrad des Katalysators entscheidend

v3 beschleunigte zersetzung von kclo 3 durch mno 2
Ohne Katalysator

Reaktion > 500°C

→ Glimmspanprobe negativ

+5 -1 +7

4 KClO3 KCl + 3 KClO4

+7 -1 0

3 KClO4 3 KCl + 6 O2↑

Mit Katalysator

Reaktion bei 150°C

→ Glimmspanprobe positiv

+5 -2 MnO2 -1 0

2 KClO3 2 KCl + 3 O2↑

+5 +4 -1 +6

KClO3 + 3 MnO2 KCl + 3 „MnO3“

+6 -2 +4 0

3 „MnO3“ 3 MnO2 + 3/2 O2↑

V3: Beschleunigte Zersetzung von KClO3 durch MnO2

Fazit: Eingriff des Katalysators in den Mechanismus!

zwischenbilanz
Zwischenbilanz

Katalysatoren sind Stoffe, die

1. am Ende der Reaktion unverändert vorliegen.

2. in der Bruttogleichung nicht auftreten.

3. in den Reaktionsmechanismus eingreifen!

4. keinen Einfluss auf die GW-Lage haben!

5. ΔG nicht verändern!

enzymatische katalyse
Enzymatische Katalyse
  • Katalyse durch Proteine
  • „Biokatalysatoren“
  • In Lebewesen von Bedeutung, da Reaktionen bei Körpertemperatur
  • Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen (Schlüssel-Schloss-Prinzip)
  • Aktivität und Selektivität

→ Substratspezifität

→ Wirkspezifität

→ Desaktivierung

E

S

Aktive Stelle

v4 zersetzung von harnstoff mittels urease
V4: Zersetzung von Harnstoff mittels Urease

Reaktion: OC(NH2)2 + H2O CO2↑ + 2 NH3(aq)

NH3(aq) + H2O NH4++ OH-

OH- + HInd Ind- + H2O

farblos rot-violett

Erklärung: 1. Farbwechsel des Indikators zeigt Zersetzung des Harnstoffs an

2. Verlust der Wirksamkeit des Katalysators durch Erhitzen und Zusatz von Schwermetallen

denaturierung und vergiftung
Denaturierung und Vergiftung
  • Hitzedenaturierung

> 45 °C

  • „Vergiftung“ des Enzyms

Aktives Zentrum zerstört →

keine Katalysatorwirkung mehr

E

Sekundär- und Tertiär-

struktur zerstört

E

E

Ag+

Ag+

+

autokatalyse
Autokatalyse
  • Katalytische Beeinflussung einer Umsetzung durch ein (Zwischen-) Produkt:

A B + C

  • Rückkopplung (feedback)
  • Bildung des Katalysators während der Reaktion
  • Zunächst: Anstieg von RG bei

T = const.

v5 briggs rauscher reaktion
V5: Briggs-Rauscher-Reaktion

Oszillierende Ioduhr

+4 -1 -2 Mn2+ -1 0 0

BRges: IO3- + 2 H2O2 + CH2(COOH)2 + H3O+ ICH(COO)2 + 2 O2 + 4 H2O

Ursache des Farbwechsels:

periodische Schwankungen, d.h. Oszillation der intermediär gebildeten

Iodid- und Iod-Konzentration

Prozess A

nicht-radikalisch

bei c(I-) > ckrit

Prozess B

radikalisch

bei c(I-) < ckrit

Prozess C

Steuerungsreaktion

Regelung von c(I-)

der abgaskatalysator
Der Abgaskatalysator
  • Trägermaterial: Cordierit
  • Oberfläche der einzelnen Kanäle: γ-Al2O3-Zwischenhaftschicht + Edelmetallschicht aus Rhodium-haltigem Platin
das problem
Das Problem

Problem

CO

CnHm

NOx

Aus unvollständiger

Verbrennung

Verbrennungs-

begleiterscheinung

Dreiwegekatalysator:

1.Weg: 2 CO + 2 NO → N2 + 2 CO2

2. Weg: CH4 + 4 NO→ 2 N2 + CO2 + 2 H2O

3. Weg: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O CO + O2 → 2 CO2

v6 reinigung von autoabgasen
V6: Reinigung von Autoabgasen

Nachweis: 2 [Ag(NH3)2]+ + 2 H2O + CO → 2 Ag ↓ + 4 NH4+ + CO32-

schwarz

Fazit: Katalysator fördert Umsetzung von CO → geringere Silberabscheidung

2 CuO + 2 CO → 2 Cu + 2 CO2

das ostwald verfahren
Das Ostwald-Verfahren
  • Erklärung: 1. dient zur Salpetersäure-Herstellung

2. katalytische Ammoniak-Verbrennung

3. Katalysator: Platin-Rhodium-Netz

  • Reaktion: 4 NH3 + 5 O24 NO + 6 H2O bei 820-950 °C
versuch 7 funkenfont ne in der flasche
Versuch 7: Funkenfontäne in der Flasche

-3 0 Cr2O3 0 -2

Reaktion:4 NH3(g) + 3 O2 (Luft) N2(g) + 6 H2O(g)

Erklärung: 1. Vermischen von NH3 mit Luftsauerstoff

2. Lieferung der nötigen Energie durch Wärmeab- strahlung vom glühenden Oxid

3. Funken durch erneutes Aufglühen des Katalysators

4. „Umherschwirren“ durch Gasauftrieb

5. „Beschlagen“ des Glases durch Wasserdampf

Fazit: Veranschaulichung des Ostwald-Verfahrens

ausblick
Ausblick
  • 90% der technischen Verfahren = katalytische Verfahren!
  • Vorteile:

1. gezielte Steuerung von Synthesen

2. Reduktion von Abfällen

3. Reduktion des Energieausstoßes

  • In Zukunft hohe Bedeutung u.a. bei

Energieforschung (Brennstoffzellen)

schulrelevanz
Schulrelevanz
  • Bestandteil der Energetik (Jahrgang 12/13)
  • Berührungspunke mit

1. Technische Chemie: Großverfahren

2. Redoxchemie

3. Umweltchemie: Abgaskatalysator, Ozonbildung

4. Biologie

  • Hoher Anwendungsbezug
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„Was so die Alchemie erstrebt und

verheißen, hat die Natur, wenn schon in anderer Weise, von jeher in der Katalyse und Biokatalyse vollbracht, und der Chemiker des 19. und 20. Jahrhunderts hat nachahmend und lernend einiges hiervon erfassen können.“

A. Mittasch