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Man kann nicht alles wissen. Wie Katalysatoren die Aktivierungsenergie senken, etwa – und was das mit Minigolfspielen zu tun hat. Antworten auf die elementarsten Fragen zur Katalyse

 

Was war das noch gleich, Katalyse?

Zunächst einmal muss man wissen, dass bei der Katalyse unterschiedliche Katalysatoren eine ablaufende biologische oder chemische Reaktion steuern. Im Chinesischen steht treffenderweise dasselbe Schriftzeichen für Katalysator wie für Heiratsvermittler. So wie ein Heiratsvermittler zwei Menschen zusammenbringt, ohne sich selbst mit ihnen zu vermählen, lässt ein Katalysator chemische Stoffe miteinander reagieren, ohne selbst eine dauerhafte Bindung mit ihnen einzugehen. Katalysatoren sind also Moleküle oder Atome, die an einer chemischen Reaktion teilnehmen, diese sogar erheblich beschleunigen, dabei selbst aber unverändert bleiben. Ein wichtiger katalytischer Prozess ist zum Beispiel das Haber-Bosch-Verfahren, bei dem aus Stickstoff und Wasserstoff unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen mithilfe eines eisenhaltigen Katalysators Ammoniak gewonnen wird. Dieses kann dann etwa zu Düngemittel oder auch Sprengstoff weiterverarbeitet werden.

Wie genau machen Katalysatoren das?

Ein Katalysator senkt die notwendige energetische Hemmschwelle, die es braucht, um eine chemische Reaktion zu aktivieren – die sogenannte Aktivierungsenergie. Der Katalysator verändert dadurch den Weg, den die Reaktion nimmt, und beschleunigt diese. Man kann sich das wie auf einer Minigolfbahn vorstellen. Der Minigolfspieler hat die Wahl: Entweder er spielt den Ball über den hohen Energieberg – quasi ohne Katalysator – und braucht dafür mehr Schwung. Oder er entscheidet sich für den Weg über zwei 23 niedrige Hügel und spart dabei Energie, was der von einem Katalysator vermittelten Reaktion entspricht. Auf dem Weg zum Ziel (dem gewünschten Produkt) geht der Katalysator Zwischenverbindungen ein, die eine niedrigere Aktivierungsenergie besitzen. Dadurch kann die Reaktion schneller in Gang kommen und läuft mit einer höheren Geschwindigkeit ab.



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Und welche Rolle spielen katalytische Zentren dabei?

Als katalytisches oder aktives Zentrum bezeichnet man diejenigen Stellen eines Katalysators, an denen die katalysierte Reaktion stattfindet. An dieses Zentrum lagern sich die Ausgangsstoffe an (auch Reaktanden oder Edukte genannt), quasi wie Eisenspäne an einen Magneten. Über Zwischenschritte werden diese Edukte dann in ein neues Produkt umgewandelt. Solche katalytischen Reaktionen können beliebig komplex sein und es kann dabei unerwünschte Nebenprodukte geben. Manchmal müssen miteinander gekoppelte Reaktionen auch an verschiedenen katalytischen Zentren nacheinander ablaufen, damit das gewünschte Produkt entsteht. Die Kunst in der Entwicklung neuer Katalysatoren besteht darin, die Zentren so zu gestalten, dass nur bestimmte Reaktionen mit einem möglichst geringen Energieaufwand ablaufen.

Katalyse ist aber nicht gleich Katalyse, oder?

Das stimmt, es gibt unterschiedliche Arten von Katalyse. In der homogenen Katalyse liegen Katalysator und Edukte (also die Ausgangsstoffe, die während der chemischen Reaktion zu den Produkten werden) im selben Aggregatzustand vor. Oft handelt es sich dabei um eine Flüssigkeit wie Wasser oder organische Lösemittel. Ein Beispiel für eine solche homogene Katalyse ist die Umsetzung von Essigsäure und Ethanol zu Essigsäureethylester (der etwa für die Synthese von Kleb- und Aromastoffen benötigt wird) in der Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure als Katalysator. Bei der heterogenen Katalyse hingegen befinden sich Edukte und Katalysator in unterschiedlichen Aggregatzuständen. So kann der Katalysator zum Beispiel als Feststoff in einem Gemisch von gasförmigen Reaktanden vorliegen, wie Platinmetall bei der Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle. Die dritte Katalyseart ist die Biokatalyse, bei der Enzyme, die ebenfalls mit aktiven katalytischen Zentren ausgestattet sind, bestimmte Reaktionen in der Natur steuern, etwa die Spaltung oder die Bildung von Wasserstoff. Diese Enzyme können auch als Vorbild für chemische Katalysatoren dienen.

Wäre eine Welt ohne Katalyse denkbar?

Nein, ohne Katalyse gäbe es gar kein Leben! In unserem Körper und in der Natur laufen unzählige biokatalytische Prozesse ab, die von Enzymen gesteuert werden, etwa die Atmung des Menschen oder die Fotosynthese bei Pflanzen. Enzyme werden beispielsweise auch in Waschmitteln, bei der Alkoholgärung oder der Herstellung von Stonewashed-Jeans eingesetzt. Viele Alltagsgegenstände unseres heutigen Lebens würde es ohne Katalyse gar nicht geben, etwa Kunststoffe, Handys, Antibiotika – oder sogar Windeln! Tatsächlich kommen 85 Prozent aller chemisch hergestellten Produkte in mindestens einem Reaktionsschritt während ihrer Synthese mit einem Katalysator in Kontakt.

 

Text: Ingo Zebger


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