Katalysator
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Een katalysator is een stof die de snelheid van een bepaalde reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden. De reactiesnelheid kan zowel verhoogd worden, als verlaagd (negatief katalytische werking). Als er over katalysatoren gesproken wordt zonder verdere aanduiding, kan uitgegaan worden dat het over positief katalytische werking gaat, versnelling van de chemische reactie. Een bepaalde reactie kan zo langzaam verlopen dat het zonder katalysator eeuwen zou duren voordat een evenwichtstoestand is bereikt. In andere gevallen verloopt de reactie zonder katalysator helemaal niet. Door een katalysator wordt de kinetiek van de reactie sterk versneld.
Voorbeelden van gebruik van katalysatoren:
- de katalysator in het uitlaatsysteem van benzine- en dieselmotoren (positief katalytisch),
- Haber-Boschproces, waarbij ijzer als katalysator gebruikt wordt om ammoniak te maken uit waterstof en stikstof (positief katalytisch),
- poederblussers spuiten een poeder dat negatief katalytisch werkt op verbranding, en
- halonblussers bevatten een gas dat negatief katalytisch werkt op verbranding.
- een klassiek schoolvoorbeeld van een positieve katalysator is bruinsteenpoeder dat katalyseert met waterstofperoxide (H2O2) d.m.v. fotolyse. Het ontleedt waterstofperoxide in zuurstofgas en water. Deze reactie verloopt normaliter zeer traag maar door toevoeging van het bruinsteenpoeder zeer snel.
Een groot (milieu)voordeel is dat de katalysator wel kan mee reageren, maar aan het eind van de reactie weer in zijn oorspronkelijke vorm uit de reactie komt en dan weer opnieuw kan werken.
[bewerk] Biologische katalysatoren
Ook in levende organismen komen katalysatoren voor. Meestal gaat het om eiwitten die in het lichaam geproduceerd worden. Deze noemt men enzymen.
Ook het DNA (de bouwtekening van de eiwitten) en het tRNA (dat aangeeft hoe de bouwtekening gelezen moet worden) zijn katalysatoren: ze zijn voor het organisme van levensbelang maar worden zelf niet verbruikt.
[bewerk] Homogeen of heterogeen
Een belangrijke onderverdeling in katalysatoren is die tussen homogene katalysatoren en heterogene katalysatoren.
- Een homogene katalysator maakt deel uit van het reactiemengsel.
- Een heterogene katalysator maakt geen deel uit van het reactiemengsel, maar vormt een aparte fase die in contact wordt gebracht met het reactiemengsel.
Een belangrijk voordeel van een homogene katalysator is dat hij altijd goed in contact is met de reactanten. Daarentegen moet hij, als hergebruik van de katalysator gewenst is, later uit het uitgereageerde mengsel worden teruggewonnen. Voor heterogene katalysatoren geldt het omgekeerde: deze zijn zeer eenvoudig voor hergebruik terug te winnen, maar er is vaak veel onderzoek nodig om voldoende contact tussen de katalysator en het reactiemengsel ook op lange duur te garanderen.
Een heterogene katalysator is zeer geschikt voor een continu proces: hij kan stationair deel uitmaken van een reactieomgeving terwijl de reactanten en producten door de reactor stromen. Een voorbeeld hiervan is de katalysator die in auto's voor de reiniging van uitlaatgassen gebruikt wordt. Hier stroomt het uitlaatgas, dat voor een deel uit onverbrande koolwaterstoffen bestaat, door een keramisch blok met vele kanaaltjes die intern met een laagje platina en palladium bedekt zijn. Deze metalen vormen de eigenlijke katalysator die bij een werktemperatuur tussen 300 en 850 °C onverbrande brandstof en ongewenste producten als koolstofmonoxide oxideert tot koolstofdioxide, en stikstofoxiden reduceert tot stikstof en water. Toevoeging van tetraethyllood aan de brandstof verstoort de werking van de katalysator in ernstige mate. De gebruikelijke naam voor de uitlaatgassen reinigende katalysator is de driewegkatalysator.
[bewerk] Werking van een katalysator
De aanwezigheid van een katalysator laat een reactie sneller verlopen. Toch wordt de concentratie, druk of temperatuur niet verhoogd. De werking valt te verklaren doordat een katalysator Ea (activeringsenergie) verlaagt door zelf met de reactie mee te doen. Na de reactie komt hij weer vrij. Als voorbeeld de reactie
- A + B → AB
Deze verloopt bij aanwezigheid van een katalysator in meerdere stappen:
- A + K → AK
- AK + B → AB + K
Opgeteld geeft dit:
- A + B + K → AB + K
K kan vervolgens links en rechts worden weggestreept.
Het is belangrijk om in te zien dat het energieverschil van de reactie zonder en de reactie met katalysator gelijk is. Aangezien in een evenwichtsreactie de ligging van het evenwicht gebaseerd is op dit energieverschil kan een katalysator niet worden gebruikt om een evenwichtsreactie te laten aflopen naar één kant.
Iets anders wordt het als er nog andere reacties mogelijk zijn, bijvoorbeeld A2 of B2 als producten. Als zo'n storende reactie een activeringsenergie heeft die lager ligt dan de gewenste reactie zonder katalysator, dan zullen er zonder katalysator bijna alleen nevenproducten worden gevormd, en met katalysator bijna alleen de gewenste producten. Op die manier kan een katalysator niet alleen de snelheid, maar ook de selectiviteit van een reactie beïnvloeden.
