Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

42Katalyse

Een fles waterstofperoxide staat maandenlang onveranderd in een badkamerkastje. Op een geschaafde knie gegoten schuimt ze meteen: iets in het bloed laat het in een paar seconden ontleden in water en zuurstof. Dat iets wordt niet verbruikt, en het staat niet in de vergelijking van de reactie. Het is een katalysator. Katalysatoren maken het grootste deel van de chemische industrie mogelijk, reinigen de uitlaatgassen van auto’s en sturen elke reactie van het leven.

Wat je al weet

De snelheid van een reactie en de kinetische factoren die haar veranderen (Hoofdstuk 41). Een mechanisme is een reeks elementaire stappen, via intermediairen (Hoofdstuk 40).

42.1 Wat een katalysator is

Definitie 42.1 (Katalysator, katalyse)

Een katalysator is een deeltje dat een reactie sneller maakt zonder verbruikt te worden: het doet mee aan het mechanisme, maar wordt aan het eind onveranderd teruggegeven, en het staat niet in de totale reactievergelijking. Het versnellen van een reactie door een katalysator heet katalyse.

Propositie 42.2 (Een katalysator verandert de weg, niet de bestemming)

Een katalysator opent een ander mechanisme, met lagere energiebarrières dan die van de niet-gekatalyseerde reactie, zodat meer ontmoetingen tussen deeltjes slagen. Hij verandert niet welke reactieproducten ontstaan, en ook niet welke eindtoestand bereikt wordt; hij bereikt die alleen sneller.

Bewijs. Aangenomen: het energieprofiel wordt bestudeerd in het deel voor het eerste universiteitsjaar. Dat de eindtoestand niet verandert, volgt daaruit dat de katalysator wordt teruggegeven: de totale reactie, beginstoffen en reactieproducten, is dezelfde. ∎

Links: de energie langs de reactie; de gekatalyseerde weg loopt via een intermediair en twee lagere barrières. Rechts: de zuurstof die vrijkomt uit een oplossing van waterstofperoxide; de katalysator versnelt de reactie, maar het eindvolume is hetzelfde. (Modelkrommen.)

42.2 Homogene katalyse

Definitie 42.3 (Homogene en heterogene katalyse)

Er is sprake van homogene katalyse als de katalysator in dezelfde fase is als de beginstoffen (bijvoorbeeld samen met ze opgelost), en van heterogene katalyse als hij in een andere fase is, meestal een vaste stof waarvan de beginstoffen het oppervlak bereiken vanuit een gas of een vloeistof.

Voorbeeld 42.4 (Jodide-ionen en waterstofperoxide)

Waterstofperoxide ontleedt uit zichzelf heel langzaam: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ . Met een beetje kaliumjodide erin opgelost begint het meteen te schuimen. Het jodide-ion opent een weg in twee stappen:

\ce{H2O2 + I- -> H2O + IO-}, \qquad \ce{H2O2 + IO- -> H2O + O2 + I-} .

Opgeteld geven de twee stappen weer $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ : het jodide-ion, dat in de eerste stap gebruikt en in de tweede teruggegeven wordt, is de katalysator; het ion $\ce{IO-}$ is een intermediair.

Voorbeeld 42.5 (IJzer(III)ionen)

Ook ijzer(III)ionen katalyseren de ontleding, via het koppel $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ (Hoofdstuk 35): eerst oxideren ze waterstofperoxide, $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ , daarna worden de gevormde ijzer(II)ionen door meer waterstofperoxide weer geoxideerd, $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . De lichtoranje kleur van de oplossing wordt groenig zolang het gas vrijkomt, en komt terug als het waterstofperoxide op is: een teken dat de katalysator meedoet en weer terugkomt.

42.3 Heterogene katalyse

Veel industriële katalysatoren zijn vaste stoffen: metalen zoals platina, palladium, nikkel of ijzer, of oxiden. De reactie vindt plaats aan hun oppervlak, in drie fasen: de moleculen van de beginstoffen worden aan het oppervlak vastgehouden (geadsorbeerd), waar hun bindingen verzwakt worden; ze reageren daar; de reactieproducten verlaten het oppervlak, dat weer vrij is voor nieuwe moleculen. Een katalysator wordt daarom gemaakt met een zo groot mogelijk oppervlak: een fijn poeder, of een dun laagje op een poreuze drager.

Waterstof dat aan etheen addeert op een metaaloppervlak: adsorptie, reactie, desorptie. Het metaal wordt onveranderd teruggegeven.

Voorbeeld 42.6 (De uitlaatkatalysator)

In de uitlaatgassen van een benzinemotor zitten twee giftige gassen, koolstofmono-oxide en stikstofmono-oxide, en onverbrande brandstof. In de uitlaatkatalysator, een keramische honingraat bedekt met platina en rodium, reageren ze aan het metaaloppervlak:

\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} ,

en de koolwaterstoffen verbranden tot koolstofdioxide en water. De gassen gaan in een fractie van een seconde door de katalysator, te snel voor welke reactie dan ook zonder katalysator.

Een uitlaatkatalysator, in de lengte doorgesneden: duizenden dunne kanaaltjes geven de uitlaatgassen een enorm oppervlak met een laagje metaal.

Een opengezaagde uitlaatkatalysator: de kern van honingraat.

Geschiedenis — Haber, Bosch en ammoniak

Aan het begin van de twintigste eeuw vond de scheikundige Fritz Haber hoe je de stikstof uit de lucht met waterstof kunt laten reageren, $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ , op een katalysator op basis van ijzer, en de ingenieur Carl Bosch maakte er een industrieel proces van. Het draait nog steeds, bij 400 tot $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en 150 tot $250\,\mathrm{atm}$ . In 2024 maakte de wereld ammoniak met daarin ongeveer 150 miljoen ton stikstof, het meeste voor kunstmest: een groot deel van de stikstof in het voedsel dat we eten, is door zo’n katalysator gegaan.

42.4 Enzymen

Definitie 42.7 (Enzym)

Een enzym is een eiwit dat door een levend organisme gemaakt wordt en dat één reactie van zijn chemie katalyseert. Enzymen zijn zeer efficiënt en zeer specifiek: elk past maar op een paar moleculen, en ze werken het best binnen een smal gebied van temperatuur en zuurgraad.

Voorbeeld 42.8 (Katalase)

Waterstofperoxide ontstaat in cellen als bijproduct, en is schadelijk voor ze. Het enzym katalase, dat in bloed, lever en veel plantenweefsels voorkomt, ontleedt het met enorme snelheid in water en zuurstof: dat is het schuim op een geschaafde knie, of op een plakje rauwe aardappel. Gekookte aardappel geeft geen schuim: het verwarmen heeft de vorm van het enzym vernietigd.

Waterstofperoxide op een plakje rauwe aardappel: katalase aan het werk.

42.5 Selectiviteit

Definitie 42.9 (Selectieve katalysator)

Als dezelfde beginstoffen verschillende reacties kunnen geven, versnelt een selectieve katalysator er één veel meer dan de andere, en bepaalt hij zo welke reactieproducten ontstaan.

Voorbeeld 42.10 (Twee lotgevallen van ethanol)

Hete ethanoldamp die over aluminiumoxide wordt geleid, verliest water en geeft etheen, $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ (een eliminatie); over heet koper geleid verliest ze waterstof en geeft ze ethanal, $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Dezelfde beginstof, twee katalysatoren, twee reactieproducten.

Opmerking 42.11 (Industrie en leven draaien op katalysatoren)

De meeste producten van de chemische industrie, van brandstoffen tot kunststoffen en kunstmest, worden met katalysatoren gemaakt; een actievere of selectievere katalysator vinden spaart energie en afval. Elke reactie in een levende cel wordt door een enzym gekatalyseerd.

Veiligheid

Geconcentreerd waterstofperoxide is een sterke oxidator die een brand kan aanwakkeren, het brandt huid en ogen, en het is schadelijk bij inslikken. Ook de verdunde oplossingen van het laboratorium vragen om een veiligheidsbril en handschoenen; bij de ontleding komt zuurstof vrij, dus ze wordt nooit in een gesloten vat uitgevoerd.

42.6 Oefeningen

Oefening 42.1 ★

Welke deeltjes zijn bij de ontleding van waterstofperoxide, gekatalyseerd door jodide-ionen, beginstoffen, welke reactieproducten, welk is de katalysator en welk een intermediair?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.1.

Beginstof: $\ce{H2O2}$ . Reactieproducten: $\ce{H2O}$ en $\ce{O2}$ . Katalysator: $\ce{I-}$ (gebruikt in stap 1, teruggegeven in stap 2). Intermediair: $\ce{IO-}$ (gevormd in stap 1, gebruikt in stap 2).

Oefening 42.2 ★

Homogene of heterogene katalyse: jodide-ionen in een oplossing van waterstofperoxide; platina in een uitlaatkatalysator; ijzer bij de ammoniaksynthese; ijzer(III)ionen in een oplossing van waterstofperoxide?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.2.

Homogeen; heterogeen; heterogeen; homogeen.

Oefening 42.3 ★

Welke weg heeft in de energieprofielen de hoogste barrière? Zijn de begin- en eindenergie op beide wegen dezelfde? Wat betekent dit voor de reactieproducten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.3.

De niet-gekatalyseerde weg. Het begin- en eindniveau zijn dezelfde: dezelfde reactieproducten ontstaan, met dezelfde vrijgekomen energie; alleen de weg verschilt.

Oefening 42.4 ★

Waarom staat een katalysator niet in de totale reactievergelijking van een reactie?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.4.

Hij wordt in de ene stap gebruikt en in een andere teruggegeven: in de som van de stappen staat hij aan beide kanten, en valt hij weg.

Oefening 42.5 ★

Waarom worden de vaste katalysatoren van de industrie gebruikt als fijn poeder of als dun laagje op een poreuze drager?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.5.

De reactie vindt aan het oppervlak plaats: hoe groter het oppervlak, hoe meer moleculen tegelijk kunnen reageren, voor dezelfde massa (vaak dure) katalysator.

Oefening 42.6 ★★

Tel de twee stappen op van de door ijzer(III) gekatalyseerde ontleding van waterstofperoxide, en laat zien dat de ijzerionen en de waterstofionen wegvallen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.6.

Som: $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . De ijzerionen en de waterstofionen staan aan beide kanten en vallen weg: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

Oefening 42.7 ★★

Lees de krommen van de vrijgekomen zuurstof af. Hoe lang duurt het bij elke proef tot de helft van het eindvolume is vrijgekomen? Met welke factor verkort de katalysator die tijd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.7.

De helft van $72\,\mathrm{mL}$ is $36\,\mathrm{mL}$ : bereikt na ongeveer $35\,\mathrm{min}$ zonder katalysator en $3.5\,\mathrm{min}$ met katalysator. De katalysator maakt die tijd tien keer korter.

Oefening 42.8 ★★

Gelode benzine wordt niet gebruikt in auto’s met een uitlaatkatalysator: het lood zet zich op het platina af en blijft daar. Leg uit waarom dit de katalysator ruïneert, hoewel het platina bij de normale reactie niet verbruikt wordt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.8.

De reactie vindt plaats aan het oppervlak van het platina; het lood bedekt dat en blijft zitten, zodat de gassen het metaal niet meer bereiken. De katalysator is “vergiftigd”: aanwezig maar nutteloos.

Oefening 42.9 ★★

Een leerling meet het schuim dat plakjes aardappel in waterstofperoxide geven bij 10, 25, 37, 60 en $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : het schuim neemt toe tot ongeveer $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , neemt dan af, en verdwijnt bijna bij $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Verklaar beide delen van de kromme.

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.9.

Tot ongeveer $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ versnelt de reactie met de temperatuur, zoals elke reactie. Daarboven verliest het enzym, een eiwit, zijn vorm en daarmee zijn activiteit; bij $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ is het vernietigd.

Oefening 42.10 ★★

Schrijf de vergelijking op van de reactie in een uitlaatkatalysator tussen koolstofmono-oxide en stikstofmono-oxide, en controleer dat ze klopt. Waarom verdwijnen beide verontreinigingen tegelijk?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.10.

$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$ : C 2 = 2, O 4 = 4, N 2 = 2. Koolstofmono-oxide wordt geoxideerd door stikstofmono-oxide, dat gereduceerd wordt: elke verontreiniging ruimt de andere op.

Oefening 42.11 ★★

$10.0\,\mathrm{mL}$ oplossing van waterstofperoxide geeft bij volledige ontleding $72\,\mathrm{mL}$ zuurstof bij $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Bereken de hoeveelheid zuurstof ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ), en daarna de concentratie waterstofperoxide van de oplossing.

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.11.

$n(\ce{O2}) = 0.072 / 24.1 = 2.99 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ ; $n(\ce{H2O2}) = 2 \times 2.99 \times 10^{-3} = 5.98 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ in $10.0\,\mathrm{mL}$ : $c = 0.598\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Oefening 42.12 ★★★

Ethanoldamp die over aluminiumoxide wordt geleid, geeft etheen; over koper geeft ze ethanal. Schrijf beide vergelijkingen op, geef aan tot welke soort de eerste behoort, en leg uit wat een selectieve katalysator is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.12.

$\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ , een eliminatie; $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Een selectieve katalysator versnelt een van meerdere mogelijke reacties veel meer dan de andere, en bepaalt zo het product.

Oefening 42.13 ★★★

Een katalysator maakt een reactie tien keer sneller. Een leerling beweert dat hij ook tien keer zoveel product geeft. Verbeter die bewering met de krommen van de vrijgekomen zuurstof.

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.13.

De katalysator verandert de eindtoestand niet: de krommen met en zonder katalysator eindigen bij hetzelfde volume zuurstof. Je krijgt dezelfde hoeveelheid product, alleen eerder.

Oefening 42.14 ★★★

Eén molecuul katalase ontleedt ongeveer een paar miljoen moleculen waterstofperoxide per seconde. Neem $5 \times 10^{6}$ per seconde: hoe lang doet één enzymmolecuul erover om één mol waterstofperoxide te ontleden? Hoeveel enzymmoleculen zouden het in één seconde doen? (Een berekening in ordes van grootte; de snelheid is een gegeven van de oefening.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.14.

$6.02 \times 10^{23} / 5 \times 10^{6} = 1.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s}$ , zo’n vier miljard jaar. Om het in één seconde te doen: $1.2 \times 10^{17}$ enzymmoleculen, dat is $2 \times 10^{-7}\,\mathrm{mol}$ .

Oefening 42.15 ★★★

De wereld maakte in 2024 ongeveer 150 miljoen ton stikstof in de vorm van ammoniak. Welke massa ammoniak is dat? Welke hoeveelheid stikstofgas werd er gebonden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 42.15.

Ammoniak $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$ . Stikstofatomen: $1.50 \times 10^{14} / 14.0 = 1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{mol}$ , dat is $5.36 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ $\ce{N2}$ .

42.7 Probleem: Het waterstofperoxide van de kapper

Probleem 42.1

Weekendprobleem — wat is de concentratie van waterstofperoxide van “20 volumes”?

Kappers gebruiken oplossingen van waterstofperoxide waarvan de sterkte in “volumes” op het etiket staat: een oplossing van “20 volumes” is een oplossing waarvan $1\,\mathrm{L}$ bij volledige ontleding $20\,\mathrm{L}$ zuurstof geeft, gemeten bij $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en normale luchtdruk, waar één mol gas $22.4\,\mathrm{L}$ inneemt.

Deel I — De ontleding.

Schrijf de vergelijking op van de ontleding van waterstofperoxide.
Is de ontleding een redoxreactie? Zoek de oxidator en de reductor (waterstofperoxide is allebei).
Waarom blijft een fles maandenlang goed, hoewel de reactie mogelijk is?

Deel II — Wat “20 volumes” betekent.

Welke hoeveelheid zuurstof geeft $1\,\mathrm{L}$ van de oplossing?
Leid de hoeveelheid waterstofperoxide in $1\,\mathrm{L}$ af.
Geef de molaire concentratie.
Bereken de molaire massa van waterstofperoxide en de massaconcentratie.
Wat zou “10 volumes” betekenen in mol per liter?

Deel III — Twee katalysatoren.

Een druppel bloed (katalase) en een paar druppels ijzer(III)chloride worden elk aan een monster toegevoegd. Welk soort katalyse is elk?
Schrijf de twee stappen van de ijzer(III)katalyse op en controleer dat hun som de ontleding is.
Beschrijf met de krommen van de vrijgekomen zuurstof hoe het volume zuurstof verandert met en zonder katalysator, en wat hetzelfde blijft.
Waarom verandert de kleur van een monster met ijzer(III) als katalysator tijdens de reactie, en komt ze aan het eind terug?
Waarom laat een gekookte aardappel de oplossing niet schuimen?

Deel IV — De fles.

Welk volume zuurstof, gemeten bij $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , kan een fles van $100\,\mathrm{mL}$ afgeven?
Welk volume is dat bij $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ )?
Waarom moet de dop van zo’n fles langzaam gas laten ontsnappen?
Een fles die lang bewaard is, wordt getitreerd en blijkt $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ te bevatten. Hoeveel “volumes” is dat nu?
Welk deel van het waterstofperoxide is ontleed?
Geef het eindantwoord: wat is de molaire concentratie van een oplossing van waterstofperoxide van “20 volumes”?

Oplossing

Oplossing van Probleem 42.1.

1. $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

2. Ja: waterstofperoxide is de oxidator van het koppel $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ en de reductor van het koppel $\ce{O2}$ / $\ce{H2O2}$ ; het oxideert en reduceert zichzelf.

3. Zonder katalysator is de reactie extreem langzaam.

4. $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$ .

5. Twee mol waterstofperoxide per mol zuurstof: $1.79\,\mathrm{mol}$ .

6. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

7. $M = 2 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 34.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $C_m = 1.79 \times 34.0 = 60.7\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

8. De helft: $0.893\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. Katalase: een enzym, opgelost, een biologische katalysator; ijzer(III)ionen: homogene katalyse.

10. $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ en $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ ; hun som is $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

11. Met een katalysator stijgt het volume veel sneller; beide krommen vlakken af bij hetzelfde eindvolume.

12. De ijzer(III)ionen (oranje) worden in de eerste stap ijzer(II) (lichtgroen) en in de tweede weer ijzer(III); aan het eind is al het ijzer weer ijzer(III).

13. Het koken heeft het enzym vernietigd.

14. $0.100 \times 20 = 2.0\,\mathrm{L}$ .

15. $n(\ce{O2}) = 0.100 \times 0.893 = 0.0893\,\mathrm{mol}$ , dat is $0.0893 \times 24.1 = 2.15\,\mathrm{L}$ .

16. Door de langzame ontleding komt zuurstof vrij, die in een goed afgesloten fles de druk zou opbouwen.

17. $1.50 / 2 = 0.750\,\mathrm{mol}$ zuurstof per liter, dat is $0.750 \times 22.4 = 16.8\,\mathrm{L}$ : “16.8 volumes”.

18. $(1.79 - 1.50)/1.79 \approx 16\,\%$ .

19. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst