Een
katalysator
is in de
scheikunde
een
stof
die de snelheid van een specifieke
chemische reactie
beinvloedt zonder zelf verbruikt te worden. Een katalysator verhoogt de
reactiesnelheid
door de
activeringsenergie
van een chemische reactie te verlagen. In het geval van een
evenwichtsreactie
verhoogt de katalysator de snelheid van de heengaande en de teruggaande reactie gelijkmatig. De
thermodynamica
van de reactie verandert niet: de hoeveelheid
energie
die
verbruikt wordt
of
vrijkomt
bij een reactie is even groot als zonder katalysator, en ook de ligging van het
chemisch evenwicht
blijft dezelfde.
Soms is het praktisch ondoenlijk om reacties te laten verlopen zonder katalysator: de
activeringsenergie
is dan dusdanig hoog, dat het zonder katalysator eeuwen zou duren voor de
evenwichtstoestand
wordt bereikt. Een katalysator opent een ander pad waarlangs de reactie kan plaatsvinden. In plaats dat er wordt geprobeerd de reactie direct plaats te laten vinden, worden er (andere) tussenproducten gevormd, waarbij de individuele energiebarrieres lager zijn dan de oorspronkelijke.
Katalysatoren kunnen worden onderverdeeld in twee typen: homogene en heterogene katalysatoren. Homogene katalysatoren bevinden zich in het reactiemengsel, en in dezelfde
fase
als de reactanten. Heterogene katalysatoren daarentegen maken geen deel uit van het reactiemengsel, maar vormen een aparte fase die in contact wordt gebracht met het reactiemengsel. Dit kan echter ook een poeder zijn dat in een vloeistof zweeft.
Homogene katalysatoren zijn katalysatoren die zich in dezelfde
fase
bevinden als de reactanten. Wanneer verwezen wordt naar homogene katalysatoren, wordt gewoonlijk geduid op metaalcomplexen die zijn opgelost in een vloeibaar mengsel waarin zich ook de reactanten bevinden (als oplosmiddel of opgelost daarin). De werking van deze metaalcomplexen kan worden beinvloed door het aanpassen van de
liganden
die aan het metaalcentrum zijn gebonden.
Een voorbeeld hiervan is de ontbinding van
mierenzuur
, de
ontledingsreactie
wordt gekatalyseerd door geconcentreerd
zwavelzuur
.
Een belangrijk voordeel van een homogene katalysator is dat hij altijd goed in contact is met de
reactanten
. Daarentegen moet hij, als hergebruik van de katalysator gewenst is, later uit het uitgereageerde mengsel worden teruggewonnen.
In de
biologie
zijn, in het
cytosol
opgeloste
, katalysatoren de aanjagers voor alle biochemische reacties in de
cellen
, de
stofwisseling
, die het organisme doen groeien en
in leven houden
:
Een heterogene katalysator is een katalysator die zich in een andere
fase
bevindt dan de
reactanten
. De katalysator is dan een
vaste stof
, en de reactanten bestaan uit een vloeibaar of gasvormig mengsel. Heterogene katalyse wordt voornamelijk toegepast bij grootschalige chemische productieprocessen, zoals het
Haber-Boschproces
, de
synthese
van
ammoniak
uit
waterstof-
en
stikstofgas
, met vaste ijzerdeeltjes als katalysator.
Uitlaatgassen
van een
benzine-
of
dieselmotor
worden heterogeen-katalytisch gereinigd in de
driewegkatalysator
, onderdeel van het uitlaatsysteem.
Doordat heterogene katalysatoren vaste stoffen zijn hebben ze, in tegenstelling tot homogene katalysatoren, een
oppervlak
. Het is (een deel van) dit oppervlak dat uiteindelijk de katalysator vormt, en niet een enkel individueel atoom of atoomcomplex. Eerst worden de reactanten
geadsorbeerd
aan het oppervlak, vervolgens vindt er een herrangschikking van de moleculaire banden plaats op dit oppervlak, en het product (de producten) verlaat (verlaten) uiteindelijk het oppervlak.
Heterogene katalysatoren zijn, in tegenstelling tot homogene katalysatoren, zeer eenvoudig voor hergebruik terug te winnen, maar er is vaak veel onderzoek nodig om voldoende contact tussen de katalysator en het reactiemengsel ook op lange duur te garanderen.
Een heterogene katalysator is zeer geschikt voor een continu proces: hij kan stationair deel uitmaken van een reactieomgeving terwijl de reactanten en producten door de reactor stromen. Een voorbeeld hiervan is de katalysator die in
auto
's voor de reiniging van
uitlaatgassen
gebruikt wordt. Hier stroomt het uitlaatgas, dat voor een deel uit onverbrande
koolwaterstoffen
bestaat, door een keramisch blok met vele kanaaltjes die intern met een laagje
platina
en
palladium
bedekt zijn. Deze metalen dienen als katalysator die bij een werktemperatuur tussen 300 en 850 °C onverbrande
brandstof
en ongewenste producten als
koolstofmonoxide
oxideert tot
koolstofdioxide
, en
stikstofoxiden
reduceert tot distikstof en water. Toevoeging van
tetra-ethyllood
aan de brandstof verstoort de werking van de katalysator in ernstige mate. De gebruikelijke naam voor de uitlaatgasreinigende katalysator is de
driewegkatalysator
.
De aanwezigheid van een katalysator laat een reactie sneller verlopen. Toch wordt de concentratie, druk of temperatuur niet verhoogd. De werking valt te verklaren doordat een katalysator K de activeringsenergie E
a
verlaagt door zelf met de reactie mee te doen. Na de reactie komt hij weer vrij. Als voorbeeld de reactie
Deze verloopt bij aanwezigheid van een katalysator K in meerdere stappen:
Opgeteld geeft dit:
K kan vervolgens links en rechts worden weggestreept.
Het is belangrijk om in te zien dat het
energieverschil
van de reactie zowel zonder als met katalysator gelijk is. Aangezien in een
evenwichtsreactie
de ligging van het evenwicht gebaseerd is op dit energieverschil kan een katalysator niet worden gebruikt om een evenwichtsreactie te laten aflopen naar een kant, maar alleen om sneller de evenwichtstoestand te bereiken.
Iets anders wordt het als er nog andere reacties mogelijk zijn, bijvoorbeeld A
2
of B
2
als producten. Als zo'n storende reactie een activeringsenergie heeft die lager ligt dan de gewenste reactie zonder katalysator, dan zullen er zonder katalysator bijna alleen nevenproducten worden gevormd, en met katalysator bijna alleen de gewenste producten. Op die manier kan een katalysator niet alleen de snelheid, maar ook de selectiviteit van een reactie beinvloeden.
Een katalysator hoeft echter niet per se een tussenproduct te vormen. Het kan ook gebeuren dat de aantrekkingskrachten tussen de atomen van de katalysator en die van het reagens ervoor zorgen dat de bindingen in het reagens worden verzwakt (soms zelfs verbroken). Dan ontstaan veel reactievere deeltjes. Een voorbeeld hiervan de
adsorptie
van
waterstofgas
door
platina
(of
nikkel
).
Negatieve katalyse is een onjuiste term voor
inhibitie (scheikunde)
. Negatieve katalyse zou betekenen dat de reactie een pad zou volgen met een grotere activeringsenergie. Dit is in strijd met de wetten van de thermodynamica.
Wanneer een plotselinge gebeurtenis een reeds lopend proces versnelt, kan deze als 'katalysator' worden aangeduid. De
Augustusstaatsgreep in Moskou
was in
figuurlijke zin
een katalysator voor het
uiteenvallen van de Sovjet-Unie
.