1 Überblick über die Sensorik

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