Geschichte
Der Begriff Katalyse (von griechisch kata-, „nach unten“, und lyein, „lösen“) wurde erstmals 1835 von dem großen schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius verwendet, um eine Reihe von Beobachtungen zu korrelieren, die von anderen Chemikern im späten 18. und frühen 19. Dazu gehörten die von Gottlieb Sigismund Constantin Kirchhoff erstmals beobachtete verstärkte Umwandlung von Stärke in Zucker durch Säuren, Sir Humphry Davys Beobachtungen, dass Platin die Verbrennung einer Reihe von Gasen beschleunigt, die Entdeckung der Stabilität von Wasserstoffperoxid in saurer Lösung, aber seine Zersetzung in Gegenwart von Alkali und Metallen wie Mangan, Silber, Platin und Gold sowie die Beobachtung, dass die Oxidation von Alkohol zu Essigsäure in Gegenwart von fein verteiltem Platin erfolgt. Die Mittel, die diese verschiedenen Reaktionen begünstigen, wurden als Katalysatoren bezeichnet, und Berzelius postulierte eine besondere, unbekannte katalytische Kraft, die bei solchen Prozessen wirksam ist.
Im Jahr 1834 hatte der englische Wissenschaftler Michael Faraday die Fähigkeit einer Platinplatte untersucht, die Rekombination von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff (die Produkte der Elektrolyse von Wasser) und die Verzögerung dieser Rekombination durch die Anwesenheit anderer Gase, wie Ethylen und Kohlenmonoxid, zu erreichen. Faraday vertrat die Ansicht, dass die Voraussetzung für die Aktivität eine vollkommen saubere metallische Oberfläche sei (an der die verzögernden Gase mit den reagierenden Gasen konkurrieren und so die Aktivität unterdrücken könnten), ein Konzept, das sich später als allgemein wichtig für die Katalyse erweisen sollte.
Viele der primitiven technischen Künste beinhalteten unbewusste Anwendungen der Katalyse. Die Gärung von Wein zu Essigsäure und die Herstellung von Seife aus Fetten und Alkalien waren in der Frühgeschichte des Menschen gut bekannt. Schwefelsäure, die durch Brennen von Gemischen aus Schwefel und Salpeter (Natriumnitrat) hergestellt wurde, war ein früher Vorläufer des Bleikammerverfahrens zur Herstellung von Schwefelsäure, bei dem die Oxidation von Schwefeldioxid durch die Zugabe von Stickoxiden beschleunigt wurde. (Ein Mechanismus für den letztgenannten Prozess wurde 1812 von Sir Humphry Davy auf der Grundlage von Experimenten anderer vorgeschlagen.)
Im Jahr 1850 wurde das Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit bei Untersuchungen der Hydrolyse oder Inversion von Rohrzucker entwickelt. Der Begriff Inversion bezieht sich auf die Rotationsänderung, die monochromatisches Licht erfährt, wenn es durch das Reaktionssystem geleitet wird, ein Parameter, der leicht zu messen ist und somit die Untersuchung der Reaktion erleichtert. Es wurde festgestellt, dass die Inversionsrate zu jedem Zeitpunkt proportional zur Menge des umgewandelten Rohrzuckers war und dass die Rate durch die Anwesenheit von Säuren beschleunigt wurde. (Später wurde gezeigt, dass die Inversionsgeschwindigkeit direkt proportional zur Stärke der Säure war). Diese Arbeit war zum Teil der Vorläufer für spätere Untersuchungen der Reaktionsgeschwindigkeit und des beschleunigenden Einflusses höherer Temperaturen auf diese Geschwindigkeit durch J.H. van ‚t Hoff, Svante Arrhenius und Wilhelm Ostwald, die alle eine führende Rolle in der sich entwickelnden Wissenschaft der physikalischen Chemie spielten. Ostwalds Arbeiten über Reaktionsgeschwindigkeiten führten ihn in den 1890er Jahren dazu, Katalysatoren als Substanzen zu definieren, die die Geschwindigkeit einer bestimmten chemischen Reaktion verändern, ohne die Energiefaktoren der Reaktion zu verändern.
Diese Aussage Ostwalds war ein denkwürdiger Fortschritt, da sie implizierte, dass Katalysatoren die Gleichgewichtslage in einer Reaktion nicht verändern. 1877 hatte Georges Lemoine gezeigt, dass die Zersetzung von Iodwasserstoffsäure zu Wasserstoff und Iod bei 350 °C (660 °F) den gleichen Gleichgewichtspunkt, nämlich 19 Prozent, erreicht, unabhängig davon, ob die Reaktion schnell in Gegenwart eines Platinschwamms oder langsam in der Gasphase durchgeführt wird. Diese Beobachtung hat eine wichtige Konsequenz: Ein Katalysator für den Vorwärtsprozess einer Reaktion ist auch ein Katalysator für die Rückwärtsreaktion. P.E.M. Berthelot, der bedeutende französische Chemiker, bestätigte diese Beobachtung 1879 mit flüssigen Systemen, als er feststellte, dass die Reaktion zwischen organischen Säuren und Alkoholen, die so genannte Veresterung, durch die Anwesenheit geringer Mengen einer starken anorganischen Säure katalysiert wird, ebenso wie der umgekehrte Prozess, die Hydrolyse von Estern (die Reaktion zwischen einem Ester und Wasser).
Die bewusste Anwendung von Katalysatoren in industriellen Prozessen wurde im 19. Jahrhundert vorgenommen. P. Phillips, ein englischer Chemiker, patentierte die Verwendung von Platin zur Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid mit Luft. Sein Verfahren wurde eine Zeit lang angewandt, aber wegen des Aktivitätsverlustes des Platinkatalysators wieder aufgegeben. Später wurde festgestellt, dass Gifte in den Reaktanten dafür verantwortlich waren, und das Verfahren wurde um die Jahrhundertwende zum technischen Erfolg. 1871 wurde ein industrielles Verfahren zur Oxidation von Salzsäure zu Chlor in Gegenwart von Kupfersalzen entwickelt, die in Tonziegel imprägniert waren. Das gewonnene Chlor wurde bei der Herstellung von Bleichpulver (einer trockenen Substanz, die bei der Behandlung mit Säure Chlor freisetzt) durch Reaktion mit Kalk verwendet. Auch bei dieser Reaktion wurde festgestellt, dass in beiden Richtungen das gleiche Gleichgewicht erreicht wurde. Außerdem wurde festgestellt, dass der Gleichgewichtsgehalt an Chlor umso größer ist, je niedriger die Temperatur ist; bei einer Arbeitstemperatur von 450 °C (840 °F) wurde die größte Menge an Chlor in einer günstigen Zeit erzeugt.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden die klassischen Studien des bedeutenden französischen Chemikers Paul Sabatier über die Wechselwirkung von Wasserstoff mit einer Vielzahl von organischen Verbindungen unter Verwendung verschiedener Metallkatalysatoren durchgeführt; diese Forschungen führten zur Entwicklung eines deutschen Patents für die Hydrierung von flüssigen ungesättigten Fetten zu festen gesättigten Fetten mit Nickelkatalysatoren. Die Entwicklung dreier wichtiger deutscher katalytischer Verfahren hatte Ende des 19. und in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts großen Einfluss auf die Industrie. Jahrhunderts großen Einfluss auf die Industrie. Eines davon war das so genannte Kontaktverfahren zur katalytischen Herstellung von Schwefelsäure aus dem bei der Verhüttung anfallenden Schwefeldioxid. Ein weiteres war das katalytische Verfahren zur synthetischen Herstellung des wertvollen Farbstoffs Indigo. Das dritte war die von den Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch entwickelte katalytische Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak, das Haber-Bosch-Verfahren zur Stickstofffixierung.