1 Ãberblick über die Sensorik
1 Ãberblick über die Sensorik
1 Ãberblick über die Sensorik
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Seite 196<br />
390 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.3 Der Begriff des Katalysators 391<br />
mischen <strong>Sensorik</strong> sowie der heterogenen Katalyse. Durch <strong>die</strong> schnelle Entwicklung in<br />
der Oberflächen- und Grenzflächenspektroskopie können heute Energiezustände W i<br />
von freien Oberflächen und Teilchen an Oberflächen experimentell bestimmt werden.<br />
Dies ermöglicht im Prinzip ein sehr detailliertes quantitatives Verständnis von Elementarprozessen<br />
zumindest für einfache Modellsysteme.<br />
Bevor wir im Abschnitt 8.1-4 Ähnlichkeiten – aber auch Unterschiede – zwischen der<br />
chemischen <strong>Sensorik</strong> und der heterogenen Katalyse diskutieren, sollen im folgenden einige<br />
Grundlagen der heterogenen Katalyse erläutert werden.<br />
8.1.3 Der Begriff des Katalysators<br />
Katalysatoren [8.1] können <strong>die</strong> Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen herabsetzen,<br />
wodurch <strong>die</strong> Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird, ohne daß das chemische<br />
Gleichgewicht beeinflußt wird. Der Katalysator selbst tritt im Bruttoumsatz nicht in Erscheinung,<br />
greift aber über <strong>die</strong> Bildung aktiver Zwischenstufen in das Reaktionsgeschehen<br />
ein. Man unterscheidet homogene und heterogene Katalyse. Bei ersterer sind <strong>die</strong><br />
Katalysatoren im Reaktionsmedium gelöst. Bei letzterer bieten sie ihre große Oberfläche<br />
für Reaktionen in der Gas- oder der Flüssigphase an. Bei der heterogenen Katalyse<br />
liegen Katalysator und Reaktionsprodukt nach Reaktionsablauf getrennt vor, während<br />
homogene Katalysatoren in der Regel durch Trennoperationen aus dem Reaktionsgemisch<br />
entfernt werden müssen.<br />
Katalysatoren können nicht nur <strong>die</strong> Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion erhöhen,<br />
sondern sie können auch eine Reaktion, <strong>die</strong> unter Umständen auf verschiedenen Wegen<br />
zu unterschiedlichen Produkten führen kann, bevorzugt in eine bestimmte Richtung lenken.<br />
Das heißt, <strong>die</strong> Reaktion verläuft selektiv zu einem unter mehreren möglichen Produkten.<br />
Damit eine chemische Reaktion zwischen Molekülen ablaufen kann, müssen <strong>die</strong>se in einen<br />
energetisch angeregten Zustand überführt, d.h. energetisch aktiviert werden, um<br />
<strong>die</strong> dem Reaktionsablauf entgegenstehenden Barrieren der potentiellen Energie auf dem<br />
Reaktionsweg zu überwinden. Dies ist in Abb.6 veranschaulicht.<br />
Der energetisch leichteste Ubergang von einem stabilen Zustand (Edukte) zu einem<br />
anderen stabilen Zustand (Produkte) führt über einen zwischen zwei Tälern liegenden<br />
Paß; um auf dessen Gipfel zu gelangen, ist eine Aktivierungsenergie W A erforderlich.<br />
Sie stellt <strong>die</strong> minimale Energie dar, <strong>die</strong> den reagierenden Molekülen zugeführt<br />
werden muß, um <strong>die</strong> chemische Reaktion zu ermöglichen, d.h. <strong>die</strong> Reaktanten in einen<br />
reaktionsfähigen Zustand zu bringen.<br />
Bild 8.1.3-1:<br />
Schematische Darstellung der potentiellen Energie W pot längs des Reaktionsweges<br />
bei einer chemischen Reaktion (wie sie z.B. in Bild 8.1.1-2 dargestellt ist, dabei entspräche<br />
A zwei NO 2 -Molekülen und B den O 2 + N 2 -Molkülen). Die in der Gasphase<br />
vorhandene hohe Aktivierungsenergie W A wird durch geeignete Katalysatoren<br />
herabgesetzt, wobei jeweils eine charakteristische Adsorptionsenergie, Desorptionsenergie<br />
und Oberflächenaktivierungsenergie W A,kat aufgebracht werden muß.<br />
∆H R ist <strong>die</strong> Wärmetönung (Reaktionsenthalpie, d. h. <strong>die</strong> freiwerdende und in<br />
Wärme umgesetzte Energie bei der chemischen Reaktion.<br />
Die hierfür erforderliche Energie wird im allgemeinen aus der Wärmebewegung der<br />
Moleküle gedeckt. Der Anteil der Moleküle, deren Energie groß genug ist, entspricht<br />
unter den Voraussetzungen der Boltzmannstatistik (Band 2, Abschnitt 1.2.3):<br />
Von den Molekülen, <strong>die</strong> einen zur Überwindung der Potentialschranke (Paß) ausreichenden<br />
Energiebetrag besitzen, erreicht jedoch nur ein gewisser Anteil den anderen<br />
stabilen Zustand (Produkte), während der Rest vor der Reaktion seine Energie wieder<br />
abgibt.<br />
Bei katalysierten Reaktionen wird <strong>die</strong> für den Reaktionsablauf aufzubringende Aktivierungsenergie<br />
durch den Katalysator herabgesetzt. Die Reaktion verläuft auf einem anderen<br />
Weg, der einer kleineren zu überwindenden Potentialbarriere entspricht. Dies wird<br />
dadurch erreicht, daß sich am Katalysator andere Zwischenstufen (Übergangszustände)<br />
zu bilden vermögen, <strong>die</strong> ohne ihn nicht möglich sind.<br />
Die Aktivität eines Katalysators ist ein Maß dafür, wie schnell <strong>die</strong> chemische Reaktion<br />
in seiner Gegenwart verläuft; der Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit<br />
(Reaktionsrate) und den sie beeinflussenden Größen ist durch <strong>die</strong> Kinetik<br />
gegeben. Die Selektivität sagt etwas darüber aus, in welchem Maße das gewünschte