Samenvatting Katalyse

H1: Inleiding
Geschiedenis
- 6000 BC: bierbrouwen met moutenzymes
- Fermentatieprocessen voor wijn, brood, azijn, kaas, yoghurt
- 1813: Jean Jaques Thénard
o Contact v heet Pt met NH3  H2 & N2
- 1817: Humphry Davy
o Ontwikkeling veiligheidslamp voor mijnwerkers
o Ontdekking vh effect v N2O
- 1835: William Grove
o Water kan gesplitst worden tot H2 & O2 middels heet Pt filament
- 1835: Jacob Berzelius
o Eerste vermelding term katalyse



o
- 1894: Wilhelm Ostwald
o 1ste echte definitie: “versnelling ve chemische reactie, die langzaam verloopt, door
aanwezigheid ve vreemde substantie”
o Nadruk op feit dat enkel snelheid wordt beïnvloed maar niet thermodynamische
evenwichtstoestand
o 1909: Nobelprijs


Wat is katalyse?
- Katalysator versnelt chemische reactie door bindingen te vormen met reagentia  vorming
product  verlaat katalysator & laat dit ongewijzigd achter




-
- Energiediagram (reactiecoördinaat diagram)
o Energie ifv chemische pathway
- Katalysator zorgt voor
o Alternatieve route, complexer maar
energetisch gunstiger
o Kleinere activeringsenergie
o Identieke ∆G, geen invloed op thermodynamica
o Versnelling voorwaartse & terug-reactie
- Mogelijke problemen
o Slechte adsorptie: A & B niet binden
o Slechte desorptie: P blijft hangen
o A & B binden te sterk: moeten nog over opp v katalysator kunnen bewegen om
elkaar te vinden (Sabatier principe)

,Soorten katalyse
Homogene katalyse
- Katalysator & reagentia in zelfde fase
- Vaak productie v fijnchemicaliën (farma) met hoge selectiviteit
- Vb: ozon ontbindt tot O2 gekatalyseerd door chlooratomen
o Cl + O3  ClO3
o ClO3  ClO + O2
o ClO + O  Cl + O2
- Vb: Carbonylatie v methanol tot azijnzuur
[Rh(CO)2I2]-
o CH3OH + CO  CH3COOH

Heterogene katalyse
- Meest voorkomende vorm
- Katalysator is vaste stof die reactie versnelt in vloeistof / gas
o Reactie aan opp (al dan niet in poriën)
o Vaak dure metalen (vb Pt)  kleine deeltjes willen maar niet te klein want dan
opstopping krijgen  heel kleine partikels op dragermateriaal
- Vb: CO oxidatie op edelmetalen (Pt, Pd, Rh)




Homogene versus heterogene katalyse




- Selectiviteit: homogeen selectief door organometaalcomplexen (org liganden met zijgroepen
op)  grote org metalen fungeren beetje zoals enzym
- Toepassingen: complexen bij homogeen heel specifiek
- Afscheiding: moeilijk bij homogeen want is opgelost

Biokatalyse
- Katalysator = eiwit met zeer vorm-specifieke actieve site
- Hoge specificiteit & efficiëntie
- Vb: alcohol dehydrogenase (*)
o Alcohol  acetaldehyde
*
o Acetaldehyde  acetaat

,Het belang van katalyse
Groene chemie
- Groen =
o Efficiënt gebruik v grondstoffen
o Vermijden v toxische & schadelijke reagentia / solventen
o Minimale vorming v zij- / afvalstromen
- Vb: oxidatie v ethyleen tot ethyleen epoxide
o Niet-katalytisch: Cl2 + NaOH + 0,5 Ca(OH)2 + C2H4  C2H4O + 0,5 CaCl2 + NaCl + H2O
o Katalytisch: C2H4 + O2 heeft 90% C2H4O + 10% CO2

Atoomefficiëntie en milieu
- R. A. Sheldon (1997)
o “The best solvent is no solvent, but if a solvent is unavoidable, then water is a good
canditate”
o Indicatoren efficiëntie & milieu-impact ve reactie
 Atoomefficiëntie = MWgewenst product / MWalle producten
 E-factor = massaongewenste producten / massagewenst product (zo klein mogelijk)
 Milieuquotiënt EQ = E-factor x “onvriendelijkheids”quotiënt Q
 Q = 0 voor H2O
 Q = 1 voor onschadelijke zouten (vb NaCl)
 Q = 100 – 1000 voor toxische stoffen
Industry segment Product tonnage E factor
kg waste / kg product
Oil refining 106 – 108 < 0,1
Bulk chemicals 104 – 106 <1 – 5
Fine chemicals 102 – 104 5 – 50
Pharmaceuticals 10 – 103 250 – >100

, Chemische industrie
- 85 – 90% vd chemische industrie = katalyse
- Belangrijkste heterogeen gekatalyseerde processen:




- Belangrijkste org producten:




- Belangrijkste anorg producten:




Belangrijke terminologie
- 3 belangrijkste woorden v katalyse
o Activiteit: snel omzetten v reagentia tot producten
o Selectiviteit: omzetten substraat tot juiste gewenste product
o Stabiliteit: omzetting kan cyclus na cyclus blijven doorgaan
o Prioriteitsvolgorde: selectiviteit > stabiliteit > activiteit
n A , 0−n A
- Conversie: X =
n A ,0
1 dn
Turnover frequentie: TOF ( s )=
−1
-
¿ actieve sites dt
o Hoeveel omzettingen kunnen doen per tijd per actieve site
¿ mol product
o Heel moeilijk te bepalen  vaak versimpeld: TOF=
¿ mol katalysator ×tijd
Weight Hourly Space Velocity: WHSV ( m ) = debiet ( flow rate)
−1 −1
3 kg h
-
mkat