Heiratsvermittler
Wir haben schon beim Thema "Unter welchen Bedingungen können Reaktionen starten?" die Wirkungsweise eines sogenannten Katalysators im Zusammenhang mit der Aktivierungsenergie angesprochen.
Der Begriff leitet sich von dem griechischen Wort „katalysis“ ab und bedeutet so viel wie Auflösung. Im Chinesischen bedeutet das Wort Katalysator hingegen "Heiratsvermittler". Das ist kein Widerspruch:
Katalysatoren erleichtern es den Reaktanten alte Bindungen aufzugeben und neue Bindungen einzugehen.
Was leisten Katalysatoren nun genau:
- Sie setzen die Aktivierungsenergie herab.
- Sie beschleunigen Reaktionen auch dann, wenn sie nur in geringen Mengen vorliegen. Katalysatoren, die bei biochemischen Prozessen eine Rolle spielen, nennt man Enzyme. Sie bewirken, dass Reaktionen, die üblicherweise nur bei sehr hohen Temperaturen stattfinden, schon bei Körpertemperatur erfolgen können.
Beispielsweise beschleunigt das Enzym Katalase den Zerfall von H2O2 um den Faktor 107! - Sie liegen nach der Reaktion, obwohl sie massiv in die Reaktion eingegriffen haben, in gleicher Menge und chemisch unverändert wieder vor. Das bedeutet aber nicht, dass sie sich nicht zwischenzeitlich verändern. Oft werden Zwischenstufen gebildet.
-
Sie sind reaktionsspezifisch. Das bedeutet
1. Sie sind wirkungsspezifisch. Das heißt, sie katalysieren nur eine von thermodynamisch mehreren möglichen Reaktionen
2. Sie sind substratspezifisch. Das bedeutet, sie "erkennen ihren" umzusetzenden Stoff unter Tausenden von anderen Substanzen, sind also eine Art "molekulare Sonden".
Durch Katalysatoren können also bestimmte Synthesen gezielt gesteuert werden. Katalysatoren können Reaktionen also auch selektiv steuern. - Sie können auch "bremsende" Wirkungen haben. Dann nennt man den Katalysator jedoch Inhibitor.
- Sie nehmen an Kreisprozessen teil.
Durch Erniedrigung der Aktivierungsenergie und drastischer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, steuert ein Katalysator schon in geringen Mengen eine Reaktion. Dabei steuert er auch, welche spezifische Reaktion stattfinden soll und beeinflusst auch nicht andere Stoffe. Bei einem idealen Kreisprozess liegt er am Ende der Reaktion (scheinbar) unverändert und unverbraucht wieder vor; auch, wenn er über verschiedene Zwischenstufen reagiert hat. Der Katalysator wird über dem Reaktionspfeil notiert.
Wir kennen katalytische Prozesse aus dem Unterricht der Mittelstufe:
Alkoholische Gärung
Hefeenzyme setzen Fruchtzucker zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid um.
Kann ein Katalysator ein chemisches Gleichgewicht verschieben?
Oft laufen Reaktionen nicht nur in eine Richtung ab. Ein Teil der Reaktionsprodukte reagieren zurück. Es stellt sich zwichen Edukten und Produkten ein Gleichgewicht ein. Auf der Teilchenebene reagieren aber immer Edukte zu Produkten und Produkte zu Edukten. Daher spricht man auch von einem dynamischen Gleichgewicht. Von "außen betrachtet" schein eine solche Reaktion nach Einstellung des Gleichgewichtes zum Stillstand gekommen zu sein.
Ein Katalysator kann die Lage eines chemischen Gleichgewichtes nicht beeinflussen. Ein Katalysator kann jedoch bewirken, dass sich das Gleichgewicht schneller einstellt. Bei industriellen Prozessen können Katalysatoren also nicht die Ausbeute eines Stoffes erhöhen. Wie dies jedoch durch Verschiebung eines chemischen Gleichgewichtes erfolgen kann, ist Gegenstand des Kapitels "Chemisches Gleichgewicht".
Merke: Die Katalyse ist also kein thermodynamisches, sondern ein kinetisches Phänomen.
