Katalysator
Een katalysator is een stof[1] die de snelheid van een bepaalde chemische 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 activeringsenergie 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 doordat 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 een ander pad geopend wordt waarlangs de reactie plaatsvindt. In plaats dat er wordt geprobeerd de reactie direct plaats te laten vinden, worden er (andere) tussenproducten gevormd, waarbij de individuele 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.
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.
Een voorbeeld hiervan is de ontbinding van mierenzuur, de reactie wordt gekatalyseerd door geconcentreerd zwavelzuur.
Werking
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.
Biologische katalysatoren
Ook in levende organismen komen katalysatoren voor. Bij de productie van eiwitten zijn mRNA en tRNA onmisbare katalysatoren. mRNA is de bouwtekening en tRNA beschrijft hoe de tekening gelezen moet worden. Sommige eiwitten dienen daarna als katalysator voor een ander proces. Deze noemt men enzymen en hormonen.
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.
Werking
Doordat 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 geadsorbeerd 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.
Voor- en nadelen
Heterogene katalysatoren zijn, in tegenstelling tot homogene katalysatoren, 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 dienen als 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 tetra-ethyllood aan de brandstof verstoort de werking van de katalysator in ernstige mate. De gebruikelijke naam voor de uitlaatgasreinigende katalysator is de driewegkatalysator.
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 K de activeringsenergie Ea 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 K 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 zowel zonder als 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, maar alleen om sneller de evenwichtstoestand te bereiken.
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).
Negatieve katalyse
Negatieve katalyse is een onjuiste term voor inhibitie (scheikunde). Negatieve katalyse zou betekenen dat de reactie een pad zou volgen met een grotere activeringsenergie. Dit is in strijd met de wetten van de thermodynamica.
Figuurlijk gebruik
De term "katalysator" wordt ook gebruikt om iets aan te duiden dat een bepaald proces of het verloop van gebeurtenissen bevordert of (beslissend) wijzigt. Het kan van alles betreffen: een persoon, een idee, een andere (niet of slechts zijdelings betrokken) gebeurtenis of iets anders dat invloed heeft gehad op een proces of de geschiedenis.
Voetnoten en referenties
- Ook buiten de natuurwetenschappen wordt de term katalysator gebruikt. Zelfs een mens kan aldus als een katalysator worden aangeduid. In essentie is de betekenis dezelfde: iets of iemand die een (veranderings)proces of reactie teweegbrengt zonder zelf deel te hebben aan bedoelde verandering.