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 198<br />
394 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.3 Der Begriff des Katalysators 395<br />
– Erzielbarer Umsatz bei vorgegebenen (gleichen) Reaktionsbedingungen,<br />
– erzielbare Ausbeute je Zeiteinheit und Reaktionsraum (Raum-Zeit-Ausbeute),<br />
– erforderliche Temperatur zur Erzielung eines bestimmten Umsatzes bei sonst<br />
gleichen Reaktionsbedingungen.<br />
Der Begriff der Selektivität soll nun erläutert werden: Neben der Herabsetzung der<br />
Aktivierungsenergie einer Reaktion kommt dem Katalysator <strong>die</strong> wichtige Aufgabe zu,<br />
den Reaktionsweg so festzulegen, daß möglichst nur das gewünschte Produkt entsteht<br />
und daß zugleich <strong>die</strong> Bildung anderer, thermodynamisch durchaus möglicher, jedoch im<br />
Ergebnis unerwünschter Produkte unterdrückt wird. Diese Aussage kann auch in der<br />
Weise abgewandelt werden, daß jeweils nur ein Katalysator K i einen bestimmten Reaktionsweg<br />
zum gewünschten Produkt P i zuläßt. Diesem Prinzip der Selektivität des<br />
Reaktionsablaufs kommt bei der industriellen Anwendung der Katalyse ganz besondere<br />
Bedeutung zu.<br />
Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, daß <strong>die</strong> Anwesenheit eines Katalysators keinen<br />
Einfluß auf <strong>die</strong> Thermodynamik einer Reaktion nimmt, <strong>die</strong> auf unterschiedlichen<br />
Wegen zu denselben Produkten führen kann, sondern daß lediglich <strong>die</strong> Geschwindigkeiten,<br />
mit denen <strong>die</strong> verschiedenen Reaktionen verlaufen, beeinflußt<br />
werden.<br />
Sterische und energetische Aspekte katalysierter Reaktionen sind für das molekulare<br />
Verständnis entscheidend. Bevor <strong>die</strong> Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion<br />
durch einen Katalysator herabgesetzt werden kann, müssen <strong>die</strong> Reaktanten zunächst mit<br />
<strong>die</strong>sem in Wechselwirkung treten. Dies kann am Beispiel einer heterogen katalysierten<br />
Gasreaktion, nämlich dem Stickstoffoxidzerfall, veranschaulicht werden (vgl. Abb.<br />
8.1.1-2).<br />
Desorption des Produkts<br />
Die der heterogen katalysierten Reaktion vorgeschaltete Adsorption und ihre Auswirkung<br />
auf das adsorbierte Molekül hängt nicht nur von der Art des aktiven Zentrums, sondern<br />
auch von seiner Anordnung auf der Oberfläche ab (sterische Gesichtspunkte) .<br />
Energetische Aspekte sollen im folgenden kurz erläutert werden. Bei einer nichtkatalysierten<br />
Reaktion muß eine bestimmte Aktivierungsenergie aufgebracht werden, <strong>die</strong> im<br />
Falle der katalytischen Reaktion herabgesetzt wird. Wird wieder der schon oben beschriebene<br />
Fall der heterogen katalysierten Reaktion betrachtet, laufen neben der an der<br />
Feststoffoberfläche katalysierten Reaktion auch noch vor- und nachgeschaltete Ad- und<br />
Desorptionsvorgänge ab.<br />
Bei der Adsorption muß zwischen einer dem Kondensationsvorgang ähnlichen Adsorption<br />
(Physisorption) und einer aktivierten Adsorption, bei der es zu einer chemischen<br />
Wechselwirkung zwischen Katalysator und Reaktant kommt (Chemisorption), unterschieden<br />
werden. Beide Prozesse laufen exotherm ab, d.h. Wärme wird abgegeben (s.<br />
Band 1, Abschnitt 5.1).<br />
Die Physisorptionswärme liegt meist in der Größenordnung der Kondensationswärme<br />
(s. auch Band 1, Abschnitt 5.1) der zu adsorbierenden Moleküle; üblicherweise erfolgt<br />
<strong>die</strong> Physisorption ohne eine zusätzliche Aktivierung. Die Chemisorptionswärme<br />
beträgt wegen der stärkeren Wechselwirkung zwischen Reaktant und Katalysator allgemein<br />
ein Mehrfaches der Physisorptionswärme, so daß <strong>die</strong>se in der Größenordnung der<br />
Reaktionsenthalpien liegt.<br />
Das NO muß zunächst aus der den Katalysator umgebenden Gasphase durch Diffusion<br />
an dessen Oberfläche gelangen, wo es adsorbiert wird. Nach der Adsorption erfolgt <strong>die</strong><br />
katalytische Reaktion auf der Oberfläche. Anschließend desorbieren <strong>die</strong> gebildeten Produkte<br />
N 2 und O 2 und diffun<strong>die</strong>ren in <strong>die</strong> umgebende Gasphase zurück.<br />
Die mit der Oberfläche verbundenen katalytischen Vorgänge lassen sich für eine einfache<br />
Reaktion<br />
in allgemeiner Form durch folgende Reaktionsgleichungen beschreiben, worin das<br />
Symbol z für einen katalytisch aktiven Oberflächenplatz (auch aktives Zentrum<br />
genannt) steht:<br />
Adsorption des Edukts<br />
Katalysierte Reaktion auf der Katalysatoroberfläche<br />
Bild 8.1.3-2:<br />
Einfaches Energiediagramm für unterschiedliche Katalysatoren im Vergleich zum<br />
Energiediagramm ohne Katalysatoren als Funktion des Reaktionsweges.<br />
Für <strong>die</strong> Katalyse ist <strong>die</strong> aktivierte Adsorption von Bedeutung. Auch <strong>die</strong> Desorption der<br />
Produke ist ein aktivierter Prozeß, da auch hier zunächst eine gewisse Aktivierungsener-