Katalysator (van katalyse – Grieks κατάλυσις katálysis,) beschrijft een stof in de chemie die de reactiesnelheid verhoogt door de activeringsenergie van een chemische reactie te verminderen zonder daarbij verbruikt te worden. Het versnelt de voorwaartse en achterwaartse reacties in gelijke mate en verandert dus de kinetiek van chemische reacties, maar niet hun thermodynamica.
Een katalysator neemt deel aan een chemische reactie om een tussenstap te vormen met de reactanten, waaruit de katalysator onveranderd vrijkomt nadat het product is gevormd. Een katalysator kan deze zogenaamde katalytische cyclus vele malen doorlopen.
Afhankelijk van de fasen waarin de katalysator en reactanten aanwezig zijn, spreekt men van homogene of heterogene katalysatoren. Biochemische processen worden gekatalyseerd door enzymen.
Chemische reacties worden al sinds de oudheid uitgevoerd met behulp van katalysatoren. Jöns Jakob Berzelius kwam in 1835 voor het eerst tot de conclusie dat een groot aantal reacties alleen plaatsvond als een bepaalde stof wel aanwezig was maar niet werd geconsumeerd. Volgens hem werden deze stoffen niet omgezet, maar hun aanwezigheid leverde energie door hun katalytische kracht. Hij noemde deze stoffen katalysatoren.
In de periode die volgde was het mogelijk om de thermodynamische achtergrond van katalyse beter te begrijpen. Wilhelm Ostwald definieerde de katalysator in 1895:
“Een katalysator is een stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt zonder daarbij verbruikt te worden en zonder de uiteindelijke positie van het thermodynamisch evenwicht van die reactie te veranderen.”
Wilhelm Ostwald ontving de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn werk aan katalyse.
Het werkingsmechanisme van een katalysator is gebaseerd op zijn vermogen om het mechanisme van een chemische reactie zodanig te veranderen dat de activeringsenergie verandert. Men “loopt een ander pad” op het potentiële hypervlak.
De potentiaal is over het algemeen een functie van meerdere variabelen. Daarom, in het eenvoudigste geval, de afhankelijkheid van de potentiaal van slechts twee variabelen die veranderen, is de potentiaal een driedimensionaal vlak. De variabelen kunnen b.v. B. twee bindingsafstanden tussen de reactanten die tijdens de reactie veranderen. Hoewel dit eenvoudigste geval illustratief is, is het onrealistisch.
Deze verandering in de reactie vindt plaats via de vorming van een reactief tussenstadium en de reactie ervan om de eindproducten te vormen, waarbij de gebruikte katalysator wordt hervormd. In de praktijk zorgen nevenreacties ervoor dat katalysatoren na enige tijd van gebruik ineffectief worden omdat ze worden geblokkeerd door bijproducten.
Katalysatoren komen in de natuur op veel verschillende manieren voor. Bij levende wezens worden bijna alle voor het leven noodzakelijke chemische reacties gekatalyseerd (bijvoorbeeld bij fotosynthese, ademhaling of het opwekken van energie uit voedsel). De gebruikte katalysatoren zijn meestal bepaalde eiwitten, zoals enzymen.
Het verlagen van de activeringsenergie door katalysatoren is van groot commercieel belang bij chemische reacties. Momenteel wordt geschat dat ongeveer 80% van alle chemische producten een katalytische fase in hun waardeketen doorlopen. Zonder de aanwezigheid van de katalysator zou de betreffende chemische reactie veel langzamer of helemaal niet plaatsvinden. Daarom is het tegenwoordig moeilijk om chemische technologie voor te stellen zonder katalysatoren.
Als bij reacties meerdere producten worden gevormd, speelt de selectiviteit van een katalysator een zeer belangrijke rol. De katalysator wordt zo gekozen dat alleen de reactie die het gewenste product oplevert, wordt versneld. Besmetting door bijproducten wordt zo grotendeels vermeden.
Vanuit het oogpunt van milieubescherming bespaart het gebruik van selectieve en actieve katalysatoren energie en vermindert het de hoeveelheid bijproducten. Niet minder belangrijk voor het milieu is de nabehandeling van uitlaatgassen in industriële productie of in elektriciteitscentrales. Bij uitlaatgaskatalytische processen (bijvoorbeeld in personenauto’s) worden onvermijdelijke, gevaarlijke stoffen omgezet in minder gevaarlijke stoffen.
Voorbeeld: In de uitlaatgaskatalysator van de auto reageren het ademhalingsgif koolmonoxide (CO) en onverbrande koolwaterstoffen met NOx en zuurstof (O2) om zowel kooldioxide (CO2) als stikstof en water (H2O) te vormen.
Cruisedesko 