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Katalysator im chemischen Gleichgewicht

1850
Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Ein Katalysator erhöht die Geschwindigkeit sowohl der Hin- als auch der Rückreaktion gleichermaßen, indem er einen alternativen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie bereitstellt. Ein Katalysator ermöglicht es einem System zwar, das Gleichgewicht deutlich schneller zu erreichen, verändert jedoch nicht die Lage des Gleichgewichts selbst. Die Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktanten und Produkte sowie der Wert der Gleichgewichtskonstante K bleiben unverändert.

The function of a catalyst can be visualized using a reaction energy profile diagram. The catalyst lowers the energy of the transition state, which is the peak of the energy barrier between reactants and products. Crucially, it lowers this barrier by the same amount for both the forward and reverse reactions. This means the activation energy for the forward reaction ([Latex]E_{a,fwd}[/latex]) and the activation energy for the reverse reaction ([latex]E_{a,rev}[/latex]) are both reduced, but the difference between them, which corresponds to the overall enthalpy change of the reaction ([latex]\Delta H = E_{a,fwd} – E_{a,rev}[/latex]), is not affected.

Since the equilibrium constant K is related to the standard Gibbs free energy change ([latex]\Delta G^{circ} = -RT \ln K[/latex]), and catalysts do not alter the thermodynamics ([latex]\Delta G^{circ}[/latex], [latex]\Delta H^{circ}[/latex]) of the overall reaction, they cannot change the value of K. Their role is purely kinetic, enabling the system to achieve the thermodynamically favorable equilibrium state in a shorter amount of time. This is vital in industrial processes where reaching equilibrium quickly is economically necessary, as many thermodynamically favorable reactions are too slow to be practical without catalysis.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Physikalische Chemie

Typ

Abstraktes System

Unterbrechung

Grundlegendes

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Arrhenius-Gleichung, die die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Aktivierungsenergie in Beziehung setzt
  • Konzept der Aktivierungsenergie
  • frühe Beobachtungen von Substanzen, die Reaktionen beschleunigen, ohne verbraucht zu werden (z. B. von Kirchhoff, Davy)

Anwendungen

  • Katalysatoren in Autos zur Reduzierung schädlicher Emissionen
  • Enzyme in biologischen Systemen, die als Biokatalysatoren wirken
  • Haber-Bosch-Verfahren mit einem Eisenkatalysator
  • Kontaktverfahren mit einem Vanadium(V)-oxid-Katalysator
  • Erdölraffination und Cracken

Patente:

NA

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