Heterogene Katalyse. Inhalt. Was bewirkt Katalyse? Historisches zum Begriff Katalyse. Historie der Katalyse

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1 Hetergene Katalyse Vrlesung TC 1 (Teil( 1, SS 2008) Detlef Bahnemann Histrie der Katalyse Inhalt Arten der Katalyse: Hmgen, Hetergen, Enzymatisch Beispiele Kinetik der Katalyse Thermdynamik der Katalyse Adsrptinsphänmene, Leibniz Universität Hannver Callinstraße 3, Hannver Was bewirkt Katalyse? Histrisches zum Begriff Katalyse! Anfang 19. Jh. Thénard, Döbereiner (Zerfall vn H 2 O 2 an Silber)! 1835 J.J. Berzelius Definitin: verbrgene Kraft blße Gegenwart ruft chemische Tätigkeiten hervr, die hne sie nicht stattfänden! Begriff Katalyse :: vn griech.!"#"$%&'( = auflösen 1

2 Histrisches zum Begriff Katalyse! Um 1900 W. Ostwald Definitin: Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden Vrgangs durch die Gegenwart eines fremden Stffes (des Katalysatrs). Ein Katalysatr erhöht die Geschwindigkeit der Reaktin hne im Endprdukt zu erscheinen.! F. Haber, A. Mittasch: Katalysatr Begriffsdefinitinen = Spezies, die Reaktinsweg mit geringerer Aktivierungsenergie eröffnet; Kat. beeinflusst nur Geschwindigkeit, nicht GGW-Zusammensetzung, wird nicht verbraucht Hetergene Katalyse:! Kat. und Reaktanden in verschiedenen Phasen! i.d.r. Adsrptin mindestens einer Spezies! Praxis: Dispersin des Kat. ( " 2 nm) auf prösem, xidischen Träger (z.b. Zelithe) Ammniaksynthese! Meilenstein Begriffsdefinitinen Adsrbat adsrbierte Spezies Prinzipien der Katalyse Energetik Adsrbens Physisrptin Oberfläche des kat. aktiven Feststffes VdW-Kräfte zw. Adsrbat und Adsrbens Thermdynamik! Lehre vn den Energie-änderungen Kinetik! Lehre vn der Geschwindigkeit Chemisrptin Bedeckungsgrad! Ausbildung chemischer Bindungen zw. Adsrbat und Adsrbens (beschränkt auf eine Adsrbatschicht) Anzahl besetzter Ads. - Plätze = Anzahl freier Ads. - Plätze! Vraussage, b eine bestimmte chemische Reaktin unter gegebenen Bedingungen ablaufen kann! Keine Aussagen über Geschwindigkeit! Abhängigkeit der RG vn der - Knzentratin (Zeitgesetz) - Temperatur (Arrhenius-Glei-( chung - Katalysatranwesenheit 2

3 Frmen der Katalyse (1) Frmen der Katalyse (2) Katalyse Autkatalyse PTC Hmgen Hetergenisiert Hmgen (auch Enzyme) Hetergen Übergangsmetall- Katalysatren Säure/Base- Katalysatren Trägerkatalysatren Vllkatalysatren Hmgene Katalyse Reaktinsrate r bei verschiedenen Katalysatren! Katalysatr und Reaktanten liegen in gleicher Phase vr (Gas- der Lösungsphase)! Der Katalysatr ist der Überträger berträger! Reaktinsmdell: 1. Edukt A + K AK Katalysatr Zwischenprdukt AK + B AB + K 2. Edukt Prdukt K A + B AB " Bildung vn Zwischenverbindungen! 3

4 Kinetik der hmgenen Katalyse (1) Kinetik der hmgenen Katalyse (2) Kinetik der hmgenen Katalyse (3) Kinetik der hmgenen Katalyse (4) 4

5 Hetergene Katalyse! Katalysatr und Reaktanten liegen in verschiedenen Phasen vr: Katalysatr: f, Reaktanten: : g der l! Kntakt zwischen Reaktanden und Katalysatrberfläche! Katalysatrwirkung durch aktive Stellen! Einfluss vn Prmtren! Teilprzesse: 1. Diffusin 2. Physisrptin der Chemisrptin 3. Reaktin 4. Desrptin 5. Diffusin Physisrptin - Chemisrptin Frage: Warum läuft die katalysierte Oberflächenreaktin schneller ab Reaktin in der Gasphase? Ursache der Adsrptin: nicht vll abgesättigte Valenzen der Atme an der Oberfläche Gründe für katalytische Wirkung durch Adsrptin: 1. Erhöhung der Knzentratin 2. Schwächung der Bindungen 3. sterische Faktren wenn E WW = #H knd (Gas): Van-der-Waals-Kräfte! Physisrptin wenn E WW > #H knd (Gas): Atmbindungen! Chemisrptin als die Reaktinsgeschwindigkeit und Katalyse Katalysatren beeinflussen die Art der Prdukte 5

6 Katalysatren beeinflussen die Art der Prdukte Hetergene Katalyse: Wirtschaftliche Bedeutung Hetergene Katalyse: Träger (Aufbau) Hetergene Katalyse: Verschiedene Frmen 6

7 Einsatzgebiete vn Katalysatren Katalysatren in Müllverbrennungsanlage Der Abgaskatalysatr Das Prblem Prblem CO C n H m NO x Aus unvllständiger Verbrennung Verbrennungsbegleiterscheinung! Trägermaterial: Crdierit! Oberfläche der einzelnen Kanäle: )-Al 2 O 3 -Zwischenhaftschicht + Edelmetallschicht aus Rhdium-haltigem Platin Dreiwegekatalysatr: 1.Weg: 2 CO + 2 NO! N CO 2 2. Weg: CH NO! 2 N 2 + CO H 2 O 3. Weg: CH O 2! CO H 2 O CO + O 2! 2 CO 2 7

8 Beispiel: Das Prinzip der Mess-Snde Das Ostwald-Verfahren! Erklärung: 1. dient zur Salpetersäure-Herstellung 2. katalytische Ammniak-Verbrennung 3. Katalysatr: Platin-Rhdium-Netz Nachweis: 2 [Ag(NH 3 ) 2 ] H 2 O + CO! 2 Ag $ + 4 NH CO 2-3 schwarz! Reaktin: 4 NH + 5 O!Pt/Rh!!! " NO + 6 H 2 O bei C Fazit: Katalysatr fördert Umsetzung vn CO! geringere Silberabscheidung 2 CuO + 2 CO! 2 Cu + 2 CO 2 Fazit (1) Fazit (2)! 90% der technischen Verfahren = katalytische Verfahren!! Vrteile: 1. gezielte Steuerung vn Synthesen 2. Reduktin vn Abfällen 3. Reduktin des Energieausstßes! In Zukunft hhe Bedeutung u.a. bei Energiefrschung (Brennstffzellen) 8

9 Mechanistische Aspekte der Katalyse Kinetische Aspekte der Katalyse Energetische Aspekte der Katalyse Energetische Aspekte der Katalyse 9

10 Energetische Aspekte der Katalyse Energetische Aspekte der Katalyse Hetergene Katalyse: Adsrptin Hetergene Katalyse: Chemisrptin 10

11 Hetergene Katalyse: Adsrptinsisthermen (1) Hetergene Katalyse: Adsrptinsisthermen (2) 11