(til katalyse), stoff som har evnen til å forandre en kjemisk reaksjons hastighet uten selv å bli varig kjemisk forandret ved reaksjonen. Normalt vil en katalysator øke reaksjonshastigheten. Dersom virkningen er å redusere reaksjonshastigheten, benyttes gjerne betegnelsen inhibitor i stedet for katalysator. Etter reaksjonen gjenfinner man katalysatoren i uforandret mengde og i praktisk talt uforandret tilstand; derfor inngår den heller ikke i reaksjonsligningen for prosessen.
Typer
Katalysatorer kan være faste, flytende eller gassformige; i teknikken anvendes for det meste faste – kontaktkatalysatorer. Mange katalysatorer er spesifikke, dvs. de virker bare på bestemte stoffer eller bestemte reaksjoner. Andre kan katalysere forskjellige reaksjoner. Et eksempel er fint fordelt platina, som virker katalytisk på spaltningen av hydrogenperoksid i oksygen og vann (2H2O2 = 2H2O + O2), på forbrenningen av hydrogen til vann (2H2 + 5O2 = 2H2O), på oksidasjonen av ammoniakk til nitrogenmonoksid (4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O) og på oksidasjonen av svoveldioksid til svoveltrioksid (2SO2 + O2 = 2SO3).
I den levende organisme finnes det et stort antall katalytisk virksomme stoffer, de såkalte bio-katalysatorer eller enzymer. Disse er komplisert sammensatte, kolloidale proteinstoffer som spiller en fundamental rolle for livsprosessene (se enzymer).
Virkning, egenskaper
Allerede forholdsvis små mengder av en katalysator vil føre til omsetning av store mengder av de reagerende stoffene, og den vil også beholde sin virkning gjennom lengre tid. Både virkningen og levetiden av en katalysator kan ofte økes ved tilsetting av mindre mengder av andre stoffer. Slike bland-katalysatorer har en utstrakt praktisk anvendelse. Ved ammoniakksyntesen for eksempel anvendes en katalysator av fint fordelt metallisk jern tilsatt noen få prosent aluminium-, kalium- og kalsiumoksid som aktivator eller promotor. Aluminiumoksidet bidrar også til å hindre jernpartiklene fra å sintre sammen til grovere partikler og bevarer derved jernpartiklenes store overflate.
For å gi katalysatoren en stor overflate som ikke reduseres ved kornvekst og sammensintring, blir katalysatoren ofte avsatt på et porøst, ikke reagerende materiale med stor indre og ytre overflate. Slike katalysatorbærere er f.eks. aktivt kull, aluminiumoksid, kiselgur, silikagel, kaolin og pimpstein.
Katalysatorer og særlig bland-katalysatorer, forsøkes ofte gitt en selektiv virkning, dvs. at de, blant flere mulige reaksjoner, katalyserer den som er ønskelig for et bestemt formål. En blanding av karbonmonoksid og hydrogen gir med rent sinkoksid, ZnO, som katalysator, nesten utelukkende metanol: CO + 2H2 = CH3OH, med sinkoksid og kromoksid, Cr2O3, som katalysator får man en blanding av høyere alkoholer: nCO + 2nH2 = CnH2n+1OH + (n–1)H2O, mens med sinkoksid og jernoksid Fe2O3 som katalysator fås metan CH4 og andre alifatiske hydrokarboner: CO + 3H2 = CH4 + H2O. Ved optimalisering av en katalysator må man ta hensyn til omsetning, selektivitet, stabilitet, levetid og pris.
Katalysatorens virkning kan bli nedsatt eller helt ødelagt av de såkalte katalysatorgifter. Eksempler på slike stoffer er hydrogensulfid, blåsyre, forskjellige fosfor- og arsenforbindelser. Katalysatorgiftene kan reagere med katalysatoren og danne en uvirksom kjemisk forbindelse eller de kan hindre de reagerende stoffer fra å bli adsorbert på katalysatorens overflate. Ofte kan små mengder være tilstrekkelig til å ødelegge den katalytiske virkning.
Når det gjelder katalysatorers virkning er det særlig to oppfatninger som har gjort seg gjeldende. I den ene antar man at det dannes en lett reagerende, intermediær forbindelse mellom katalysatoren, K, og et av de reagerende stoffer A. Forbindelsen AK reagerer så momentant med den andre av reaktanten B under tilbakedannelse av katalysatoren og det ønskede produkt: A + K = AK; AK + B = AB + K. Addisjon av reaksjonsligningene gir A + B = AB. Den katalytiske virkningen til K fremkommer ved at de to delreaksjonene til sammen forløper med større hastighet enn den direkte reaksjonen. Slike forhold gjør seg særlig gjeldende ved homogen katalyse.
I den andre betraktningsmåten går man ut fra at de reagerende stoffene blir adsorbert på katalysatorens overflate og derved kommer i en særlig energirik og reaktiv tilstand som gjør at stoffene lettere reagerer. I dette tilfellet spiller katalysatorens overflate en viktig rolle. En alminnelig regel er at katalysatorens virkning er bedre jo finere fordelt den er. Ved den heterogene katalyse er katalysatoren ofte et metall eller en halvleder, og det er disse stoffers evne til lett å avgi eller oppta elektroner som er årsak til aktiveringen av de reagerende stoffene. Elektroner vandrer fra katalysatoren til molekylene som skal reagere, eller omvendt. Dette forklarer også at nettopp innskuddsgrunnstoffer som vanadium, krom, mangan, jern, kobolt, nikkel, kobber, platina m.fl. og deres forbindelser, er gode katalysatorer.
Utvikling
Arbeidet med å utvikle en egnet katalysator for en bestemt reaksjon var tidligere basert på prøving og feiling. I forbindelse med Haber–Bosch-prosessen for fremstilling av ammoniakk ble ikke mindre enn ca. 20 000 forskjellige katalysatorer forsøkt. Fremdeles er man ikke uten videre i stand til å forutsi hvilken katalysator som er best egnet for en vilkårlig foreskrevet reaksjon. Man er derfor fremdeles henvist til forsøk i søken etter optimale katalysatorer.
Historikk
Den første som iakttok en katalysator, var tyskeren J. W. Döbereiner, som 1823 oppdaget at hydrogen og oksygen kunne reagere med hverandre ved romtemperatur og danne vann dersom gassene var i berøring med platinapulver. Han fant videre at temperaturen derved kunne stige så høyt at hydrogenet ble antent. I fravær av en katalysator, her platina, kan en blanding av hydrogen og oksygen oppbevares i ubegrenset tid ved romtemperatur. Betegnelsen katalysator skriver seg fra den svenske kjemiker J. J. Berzelius (1835).