Katalyse und Temperaturabhängigkeit

Reaktionsgeschwindigkeiten steigen mit der Temperatur stark an, was durch die Arrhenius-Gleichung erfasst wird, und Katalysatoren beschleunigen Reaktionen, indem sie alternative Wege mit niedrigeren Aktivierungsbarrieren bereitstellen.

Definition

Katalyse ist die Beschleunigung einer Reaktion durch eine Substanz, die einen energieärmeren Weg bereitstellt und unverändert regeneriert wird, und Temperaturabhängigkeit bezieht sich auf die Arrhenius-Beziehung zwischen der Geschwindigkeitskonstante, der Aktivierungsenergie und der Temperatur.

Scope

Dieses Thema behandelt die Temperaturabhängigkeit von Geschwindigkeitskonstanten durch die Arrhenius-Gleichung, die Aktivierungsenergie und den präexponentiellen Faktor sowie deren molekulare Interpretation durch die Kollisions- und Übergangszustandstheorien. Es behandelt die Kinetik der Katalyse: wie Katalysatoren die Aktivierungsbarriere senken, ohne verbraucht zu werden, homogene und heterogene Katalyse, die Langmuir-Hinshelwood- und Eley-Rideal-Oberflächenmechanismen und die Enzymkatalyse nach dem Michaelis-Menten-Schema. Die detaillierte Theorie des aktivierten Komplexes und die zugrunde liegenden Geschwindigkeitsgesetze werden in verwandten Themen behandelt.

Core questions

• Wie verknüpft die Arrhenius-Gleichung die Geschwindigkeitskonstante mit Temperatur und Aktivierungsenergie?
• Wie erhöht ein Katalysator die Geschwindigkeit, ohne verbraucht zu werden oder das Gleichgewicht zu verschieben?
• Wie beschreiben die Langmuir-Hinshelwood- und Eley-Rideal-Mechanismen die Oberflächenkatalyse?
• Wie erklärt das Michaelis-Menten-Schema die Enzymkinetik und Sättigung?

Key concepts

• Arrhenius-Gleichung und präexponentieller Faktor
• Aktivierungsenergie
• Homogene und heterogene Katalyse
• Langmuir-Hinshelwood- und Eley-Rideal-Mechanismen
• Michaelis-Menten-Enzymkinetik

Key theories

Arrhenius-Gleichung

Die Geschwindigkeitskonstante hängt exponentiell vom negativen Verhältnis der Aktivierungsenergie zur thermischen Energie ab, sodass eine Auftragung des Logarithmus der Geschwindigkeitskonstante gegen die inverse Temperatur die Aktivierungsenergie aus ihrer Steigung ergibt.

Michaelis-Menten-Enzymkinetik

Ein Enzym bindet das Substrat in einem schnellen Vorgleichgewicht, um einen Komplex zu bilden, der in ein Produkt umgewandelt wird, was eine Geschwindigkeit ergibt, die mit der Substratkonzentration ansteigt und bei einer maximalen Geschwindigkeit sättigt, charakterisiert durch die Michaelis-Konstante.

Clinical relevance

Diese Konzepte untermauern die industrielle heterogene Katalyse wie die Ammoniaksynthese und Katalysatoren, die Temperaturkontrolle und Stabilität chemischer Prozesse und gelagerter Materialien sowie die quantitative Analyse von Enzymen, die die Katalyse zu einem zentralen Bestandteil der Biochemie und der Arzneimittelwirkung macht.

History

Berzelius benannte die Katalyse 1835; Arrhenius formulierte 1889 das Temperaturgesetz der Geschwindigkeiten, und das frühe 20. Jahrhundert sah Langmuirs Oberflächenkinetik und die Michaelis-Menten-Behandlung von Enzymen aus dem Jahr 1913, die die Katalyse als quantitativen Zweig der Kinetik etablierten.

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Wird ein Katalysator bei einer Reaktion verbraucht?

Nein. Ein Katalysator nimmt am Mechanismus teil, wird aber am Ende des katalytischen Zyklus regeneriert, sodass im Prinzip eine kleine Menge eine große Menge an Reaktanten umsetzen kann, obwohl reale Katalysatoren im Laufe der Zeit abbauen oder vergiftet werden können.

Warum beschleunigt eine Temperaturerhöhung Reaktionen in der Regel so dramatisch?

Der Anteil der Moleküle mit genügend Energie, um die Aktivierungsbarriere zu überwinden, wächst exponentiell mit der Temperatur, sodass selbst ein geringer Temperaturanstieg die Geschwindigkeit vervielfachen kann, weshalb sich viele Reaktionen bei jeder zehn Grad Celsius Erhöhung in ihrer Geschwindigkeit ungefähr verdoppeln.