1 Überblick über die Sensorik

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390 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.3 Der Begriff des Katalysators 391
mischen Sensorik sowie der heterogenen Katalyse. Durch die schnelle Entwicklung in
der Oberflächen- und Grenzflächenspektroskopie können heute Energiezustände W i
von freien Oberflächen und Teilchen an Oberflächen experimentell bestimmt werden.
Dies ermöglicht im Prinzip ein sehr detailliertes quantitatives Verständnis von Elementarprozessen
zumindest für einfache Modellsysteme.
Bevor wir im Abschnitt 8.1-4 Ähnlichkeiten – aber auch Unterschiede – zwischen der
chemischen Sensorik und der heterogenen Katalyse diskutieren, sollen im folgenden einige
Grundlagen der heterogenen Katalyse erläutert werden.
8.1.3 Der Begriff des Katalysators
Katalysatoren [8.1] können die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen herabsetzen,
wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird, ohne daß das chemische
Gleichgewicht beeinflußt wird. Der Katalysator selbst tritt im Bruttoumsatz nicht in Erscheinung,
greift aber über die Bildung aktiver Zwischenstufen in das Reaktionsgeschehen
ein. Man unterscheidet homogene und heterogene Katalyse. Bei ersterer sind die
Katalysatoren im Reaktionsmedium gelöst. Bei letzterer bieten sie ihre große Oberfläche
für Reaktionen in der Gas- oder der Flüssigphase an. Bei der heterogenen Katalyse
liegen Katalysator und Reaktionsprodukt nach Reaktionsablauf getrennt vor, während
homogene Katalysatoren in der Regel durch Trennoperationen aus dem Reaktionsgemisch
entfernt werden müssen.
Katalysatoren können nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion erhöhen,
sondern sie können auch eine Reaktion, die unter Umständen auf verschiedenen Wegen
zu unterschiedlichen Produkten führen kann, bevorzugt in eine bestimmte Richtung lenken.
Das heißt, die Reaktion verläuft selektiv zu einem unter mehreren möglichen Produkten.
Damit eine chemische Reaktion zwischen Molekülen ablaufen kann, müssen diese in einen
energetisch angeregten Zustand überführt, d.h. energetisch aktiviert werden, um
die dem Reaktionsablauf entgegenstehenden Barrieren der potentiellen Energie auf dem
Reaktionsweg zu überwinden. Dies ist in Abb.6 veranschaulicht.
Der energetisch leichteste Ubergang von einem stabilen Zustand (Edukte) zu einem
anderen stabilen Zustand (Produkte) führt über einen zwischen zwei Tälern liegenden
Paß; um auf dessen Gipfel zu gelangen, ist eine Aktivierungsenergie W A erforderlich.
Sie stellt die minimale Energie dar, die den reagierenden Molekülen zugeführt
werden muß, um die chemische Reaktion zu ermöglichen, d.h. die Reaktanten in einen
reaktionsfähigen Zustand zu bringen.
Bild 8.1.3-1:
Schematische Darstellung der potentiellen Energie W pot längs des Reaktionsweges
bei einer chemischen Reaktion (wie sie z.B. in Bild 8.1.1-2 dargestellt ist, dabei entspräche
A zwei NO 2 -Molekülen und B den O 2 + N 2 -Molkülen). Die in der Gasphase
vorhandene hohe Aktivierungsenergie W A wird durch geeignete Katalysatoren
herabgesetzt, wobei jeweils eine charakteristische Adsorptionsenergie, Desorptionsenergie
und Oberflächenaktivierungsenergie W A,kat aufgebracht werden muß.
∆H R ist die Wärmetönung (Reaktionsenthalpie, d. h. die freiwerdende und in
Wärme umgesetzte Energie bei der chemischen Reaktion.
Die hierfür erforderliche Energie wird im allgemeinen aus der Wärmebewegung der
Moleküle gedeckt. Der Anteil der Moleküle, deren Energie groß genug ist, entspricht
unter den Voraussetzungen der Boltzmannstatistik (Band 2, Abschnitt 1.2.3):
Von den Molekülen, die einen zur Überwindung der Potentialschranke (Paß) ausreichenden
Energiebetrag besitzen, erreicht jedoch nur ein gewisser Anteil den anderen
stabilen Zustand (Produkte), während der Rest vor der Reaktion seine Energie wieder
abgibt.
Bei katalysierten Reaktionen wird die für den Reaktionsablauf aufzubringende Aktivierungsenergie
durch den Katalysator herabgesetzt. Die Reaktion verläuft auf einem anderen
Weg, der einer kleineren zu überwindenden Potentialbarriere entspricht. Dies wird
dadurch erreicht, daß sich am Katalysator andere Zwischenstufen (Übergangszustände)
zu bilden vermögen, die ohne ihn nicht möglich sind.
Die Aktivität eines Katalysators ist ein Maß dafür, wie schnell die chemische Reaktion
in seiner Gegenwart verläuft; der Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit
(Reaktionsrate) und den sie beeinflussenden Größen ist durch die Kinetik
gegeben. Die Selektivität sagt etwas darüber aus, in welchem Maße das gewünschte