Katalysator
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
 |
Werk in uitvoering Aan dit artikel of deze sectie wordt de komende uren of dagen nog druk gewerkt. Klik op geschiedenis voor de laatste ontwikkelingen. |
Een katalysator is een stof die de snelheid van een bepaalde reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden. Gewoonlijk wordt hiermee een versnelling van de reactiesnelheid bedoeld; in enkele gevallen is er sprake van een vertraging van de reactiesnelheid. Dan wordt gesproken van negatief katalytische werking. Soms is het praktisch ondoenlijk om reacties te laten verlopen zonder katalysator: de activatie-energie is dan dusdanig hoog, dat het zonder katalysator eeuwen zou duren voor de evenwichtstoestand wordt bereikt. Dit is bijvoorbeeld het geval bij verbranding van koolwaterstoffen bij kamertemperatuur. Hoewel het energetisch gunstig is dat suiker reageert met zuurstof, gebeurt dit niet omdat de energiebarrière te hoog is. In het menselijk lichaam wordt suiker echter wel verbrand, met behulp van biologische katalysatoren: enzymen.
De werking van een katalysator berust op het feit dat er eigenlijk een andere reactie plaatsvindt. In plaats dat er wordt geprobeerd de reactie direct plaats te laten vinden, worden er (andere) tussenproducten gevormd, waarbij de individuële energiebarrières lager zijn dan de oorspronkelijke.
Katalysatoren kunnen worden onderverdeeld in twee typen: homogene en heterogene katalysatoren. Homogene katalysatoren bevinden zich in het reactiemengsel, en in dezelfde fase als de reactanten. Heterogene katalysatoren daarentegen maken geen deel uit van het reactiemengsel, maar vormen een aparte fase die in contact wordt gebracht met het reactiemengsel. Dit kan echter ook een poeder zijn dat in een vloeistof zweeft.
Inhoud |
[bewerken] Homogene katalysator
Homogene katalysatoren zijn katalysatoren die zich in dezelfde fase bevinden als de reactanten. Wanneer verwezen wordt naar homogene katalysatoren, wordt gewoonlijk geduid op metaalcomplexen die zijn opgelost in een vloeibaar mengsel waarin zich ook de reactanten bevinden (als oplosmiddel of opgelost daarin). De werking van deze metaalcomplexen kan worden beïnvloed door het aanpassen van de liganden die aan het metaalcentrum zijn gebonden.
[bewerken] Werking
[bewerken] Voor- en nadelen
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.
[bewerken] 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.
[bewerken] Heterogene katalysator
Een heterogene katalysator is een katalysator die zich in een andere fase bevindt dan de reactanten. De katalysator is dan een vaste stof, en de reactanten bevinden zich in een vloeibaar of gasvormig mengsel (als hoofdbestanddeel of opgelost). Heterogene katalyse wordt voornamelijk toegepast bij grootschalige chemische productieprocessen zoals de synthese van ammoniak uit waterstof- en stikstofgas, maar wordt bijvoorbeeld ook toegepast in de driewegkatalysator in het uitlaatsysteem van een benzine- of dieselmotor.
[bewerken] Werking
Omdat heterogene katalysatoren vaste stoffen zijn, hebben ze in tegenstelling tot homogene katalysatoren een oppervlak. Het is (een deel van) dit oppervlak dat uiteindelijk de katalysator vormt, en niet een enkel individueel atoom of atoomcomplex. Eerst worden de reactanten ge-adsorbeerd aan het oppervlak, vervolgens vindt er een herrangschikking van de moleculaire banden plaats op dit oppervlak, en het product (de producten) verlaat (verlaten) uiteindelijk het oppervlak.
[bewerken] Voor- en nadelen
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 distikstof 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.
[bewerken] 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. Een katalysator hoeft echter niet per se een tussenproduct te vormen. Het kan ook gebeuren dat de aantrekkingskrachten tussen de atomen van de katalysator en die van het reagens ervoor zorgen dat de bindingen in het reagens worden verzwakt ( soms zelfs verbroken ). dan ontstaan veel reactievere deeltjes. Een voorbeeld hiervan de adsorptie van waterstofgas door platina (of nikkel).
[bewerken] Negatieve katalyse
- poederblussers spuiten een poeder dat negatief katalytisch werkt op verbranding, en
- halonblussers bevatten een gas dat negatief katalytisch werkt[1] op verbranding door het voorkomen van de kettingreactie die plaats vindt bij verbranding.
[bewerken] Zie ook
[bewerken] Voetnoten en referenties
- ↑ G. M. Faeth, C. H. Kim, O. C. Kwon, Int. J. of Energy for a clean environment, 2003, vol.4 issue 2, Mechanisms of fire suppression by halons and halon replacements: a review
