Lexikon               Experimente zur Katalyse
 
Katalyse, Katalysatoren
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Katalysen kommen in der Natur oft vor und lassen sich auch an alltäglichen Phänomenen beobachten. Schneidet man eine (unbehandelte) Birne oder einen Apfel auf, so färben sie sich an der Luft schnell braun. Dabei wirken im Obst vorhandene Enzyme als Biokatalysatoren, die in Verbindung mit dem Luftsauerstoff wirksam werden und die Braunfärbung einleiten (>Versuchsbeschreibung).
 

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links: Birne direkt nach dem Aufschneiden, rechts: nach wenigen Minuten

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion einleiten kann ohne dabei selbst verbraucht zu werden. So lässt sich ein Würfelzucker nicht ohne weiteres mit einem Streichholz anzünden. Benetzt man das Würfelzuckerstück mit Zigarettenasche, brennt es nach einem erneuten Zündversuch mit bläulicher Flamme. Hier wirkt die Asche als Katalysator (>Versuchsbeschreibung).
 
Ein bedeutender Katalysator in der Technik ist das Edelmetall Platin: Wirft man in ein Knallgasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff Platinschwamm, zündet das Gemisch. Beim Abgaskatalysator werden die Autoabgase mit Hilfe eines platin- und rhodiumbeschichteten Keramikeinsatzes zu unschädlichen Stoffen umgewandelt. Somit leisten Platin-Katalysatoren wirksame Beiträge zum Umweltschutz. In der chemischen Industrie erleichtern Katalysatoren den Ablauf chemischer Reaktionen. Beispiele:

Den Begriff der Autokatalyse (nicht zu verwechseln mit dem Katalysator-Begriff bei den Kraftfahrzeugen!) verwendete erstmals Wilhelm Ostwald. Hierbei entsteht der Katalysator erst während der Reaktion. Gibt man Kupfer zu konzentrierter Salpetersäure, setzt die Reaktion zunächst nur langsam ein. Die dabei gebildeten braunen Dämpfe der Stickoxide wirken katalytisch und beschleunigen die Reaktion dann immer mehr. Andere Beispiele für Autokatalyse stellen die oszillierenden Reaktionen dar und erstaunlicherweise auch das Wachstum der Lebewesen.
 
Liegen die Reaktionspartner und der Katalysator im gleichen Aggregatzustand vor, spricht man von einer homogenen Katalyse. Die Estersynthese ist ein klassisches Beispiel dafür (>Schülerübung). Bei unterschiedlich vorliegenden Aggregatzuständen von Katalysator und den reagierenden Stoffen handelt es sich um eine heterogene Katalyse, z.B. beim Abgaskatalysator oder beim katalytischen Zerfall von Wasserstoffperoxid durch eine Platinmünze (>Schülerübung). Auf dem Foto ist zu erkennen, wie die Platinmünze die Sauerstoffentwicklung beim Zerfall des Wasserstoffperoxids anregt und die Gold- und Kupfermünze durch elektrochemische oder sogar durch autokatalytische Vorgänge "ansteckt":
  
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Münzen in Wasserstoffperoxid
 
Die Wirkung eines Katalysators kann man sich folgendermaßen vorstellen: Zwei Reaktionspartner ("System a", z.B. Wasserstoffmoleküle und "System b", z.B. Sauerstoffmoleküle) würden im atomaren Zustand eine chemische Reaktion eingehen. Es fehlt zunächst jedoch die notwendige Aktivierungsenergie zur Trennung der Bindungen. Fügt man einen Katalysator (z.B. Platin) hinzu, werden die Bindungen in den jeweiligen Systemen "gelockert" oder teilweise sogar aufgehoben und in einen Übergangszustand versetzt.
  
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Eine mit Platin beschichtete Tonerdekugel glüht im Wasserstoffstrom auf
 
So kann auch das Aufglühen von fein verteiltem Platin in einem Wasserstoffstrom erklärt werden: Platin kann Wasserstoff absorbieren. Dabei wird der molekulare Wasserstoff teilweise in atomaren Wasserstoff umgewandelt und die chemische Reaktion eingeleitet. An dem Prozess ist der Katalysator aktiv beteiligt, er geht mit den Systemen Zwischenverbindungen ein, liegt aber am Ende der chemischen Reaktion wieder unverändert vor. Die Aktivierungsenergie einer katalytisch eingeleiteten Reaktion ist also immer niedriger als bei einer nicht katalysierten Reaktion. Es steigt auch die Reaktionsgeschwindigkeit bei chemischen Reaktionen.
 
Die Entstehung von Zwischenverbindungen lässt sich auch als Kreisprozess formulieren. Dies kann an der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid bei der Schwefelsäureherstellung nach dem Doppelkontaktverfahren besonders gut veranschaulicht werden. In der klassischen Schreibweise wird die Reaktion mit einem Reaktionspfeil dargestellt und die Verwendung eines Katalysators über den Pfeil geschrieben:
 
2 SO2  +  O2   2 SO3  +  Energie
 
Bei der Formulierung als Kreisreaktion wird der Tausch der Sauerstoffatome mit dem Vanadiumpentoxid (V2O3) einsichtig:
 
 
 
Derartige Kreisprozesse finden sich auch bei der bodennahen Ozonbildung aus Stickoxiden und bei der atmosphärischen Zerstörung der Ozonschicht.

 
Historische Entwicklung der Grundlagen:
 
Das Wort Katalyse leitet sich vom griechischen Wort katalysis ab und bedeutet so viel wie "Auflösung" oder "Zersetzung". Die Sumerer benutzten schon vor über 3000 Jahren Fermente bei der Bierherstellung. Die Techniken der alkoholischen Gärung und der Essigsäureherstellung waren bereits in der Antike bekannt.
 
Im Jahre 1742 beobachtete der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) bei der Verseifung und Esterbildung durch Mineralsäuren eine Beschleunigung der Reaktion durch katalytische Effekte. 1781 entdeckte Parmentier die Spaltung von Stärke durch Mineralsäuren in Traubenzucker. Joseph Priestley (1733-1804) beschrieb im Jahre 1783 ein Experiment, bei dem er Weingeistdämpfe durch eine erhitztes Pfeifenrohr leitete und danach ein mit weißgelber Flamme brennendes Gas erhielt. Damit gelang ihm erstmals eine katalytische Dehydratisierung von Ethanol zu Ethen. Den (katalytischen) Zerfall von Wasserstoffperoxid und Ammoniak an Festkörpern beschrieb L.J. Thénard (1777-1857) in den Jahren 1813-1818.

Im Jahre 1815 entwickelte der englische Chemiker Humphry Davy (1778-1829) eine Grubenlampe, die mit Benzin betrieben wurde. Die Flamme war von einem Drahtnetz umgeben. Dadurch wurde die Energie an das Drahtnetz abgegeben. Trat über dem Benzinflämmchen ein leicht bläulicher Saum auf, war der Bergmann gewarnt. Dann bestand die Gefahr einer Methangasexplosion ("schlagendes Wetter"). Die Benzinflamme konnte das Methangas nicht entzünden, da außerhalb des Drahtnetzes die Entzündungstemperatur des Methangases nicht erreicht wurde.
 
Zwei Jahre später veröffentlichte Davy eine Arbeit, in der er über die Oxidation von Grubengasen in Anwesenheit glühender Platindrähte schrieb. Sein Vetter E. Davy berichtete im gleichen Jahr über die Entzündung von Alkoholdämpfen an fein verteiltem Platin (>Versuchsbeschreibung). Aus dieser Entdeckung wurde "Davys Nachtlampe" entwickelt, bei der Platinschwamm oder -draht über einem Spiritusbrenner befestigt war. Der heiße Draht glüht in den Alkoholdämpfen auch nach dem Erlöschen der Flamme weiter:
 
  

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J.W. Döbereiner (1780-1849) wies im Jahre 1823 die Oxidation von Alkoholen an Platinschwamm nach. Er löste Platin in Königswasser auf und erhielt Hexachloroplatinsäure (>Film). Durch die Zugabe von Ammoniumchlorid entstand unlösliches Platinsalmiak (Ammoniumhexachloroplatinat), das sich beim Glühen in schwammförmiges Platin umwandelte. Mit diesem Platin konnte er ein Knallgas-Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff entzünden. Aus dieser Entdeckung entwickelte Döbereiner sein berühmtes "Döbereinersches Feuerzeug". Das Feuerzeug bestand aus einem Glasgefäß, das mit Salzsäure gefüllt war. Wurde ein Zinkstab in die Säure getaucht, entstand Wasserstoff, der beim Entweichen des Gefäßes einen Platinschwamm zum Glühen brachte und sich dadurch entzündete. Auch wenn gelegentlich ein Feuerzeug explodierte, war es besonders bei der adligen Gesellschaft sehr beliebt.
 
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Döbereiner's Feuerzeug
 
J.W. Döbereiner beschrieb sein Feuerzeug im Jahre 1823 in seiner Arbeit "Über neu entdeckte höchst merkwürdige Eigenschaften des Platins":
 
"Die in den vorletzten Experimenten sich darstellende feuererregende Tätigkeit des mit Knallgas in Berührung gesetzten Platins brachte mich auf den Gedanken, dieselbe zur Darstellung einer neuen Art von Feuerzeugen, Nachtlampen u.s.w. zu benutzen.
 
Ich stellte eine zahlreiche Menge von Versuchen an, um die Bedingungen auszumitteln, unter welchen das Glühendwerden des Platins mit dem kleinsten Aufwande von Wasserstoffgas erfolgt, und fand endlich, dass das gewünschte Phänomen im höchsten Glanze hervortritt, wenn man das Wasserstoffgas aus einem Gasreservoir (...) durch ein nach unten gebogenes Haarröhrchen von Glas auf den schwammigen Platinstaub, welcher in einem Uhrglase oder in einem nahe am spitzen Ende zugeschmolzenen Glastrichterchen enthalten ist, ausströmen lässt, und zwar so, das der Strom desselben sich vor der Berührung des Platins mit atmosphärischer Luft mischt (welches geschieht, wenn man das äußerste Ende des Haarröhrchens 1, 1 1/2 bis 2 Zoll hoch von dem Platin entfernt steht). Der Platinstaub wird dann fast augenblicklich rot- dann weißglühend, und bleibt dies so lange, als Wasserstoffgas ausströmt. Ist der Gasstrom stark, so entflammt das Wasserstoffgas."

In der Folgezeit wurden katalytische Reaktionen von anderen Chemikern genauer untersucht. Das erste Patent für die Oxidation von Schwefeldioxid mit Hilfe von glühendem Platin meldete P. Phillips jr. im Jahre 1831 an. Während E. Mitscherlich (1794-1863) zunächst von "Kontakt-Reaktionen" sprach, führte der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) für diese Reaktionen im Jahre 1836 den Begriff "Katalysis" ein. Er erkannte, dass immer ein zusätzlicher Stoff im Reaktionsgemisch vorhanden sein musste:
 

"Die katalytische Kraft scheint eigentlich darin zu bestehen, dass Körper durch ihre bloße Gegenwart, nicht durch ihre Verwandtschaft, die bei dieser Temperatur schlummernden Reaktionseigenschaften zu erwecken vermögen..." 
  
J.J. Berzelius im Jahre 1836
 
M. Berthelot (1827-1917) vermutete im Jahre 1875 erstmals das Auftreten von Zwischenverbindungen bei katalytischen Reaktionen. Den bis heute vielfach verwendeten Katalysatorbegriff führte der deutsche Chemiker Wilhelm Ostwald (1853-1932) in den Jahren 1894 und 1901ein:
 
"Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes" (1894).  
"Ein Katalysator ist jeder Stoff, der, ohne im Endprodukt einer chemischen Reaktion zu erscheinen, ihre Geschwindigkeit verändert. (1901)" 
 
Wilhelm Ostwald
 
Für seine Arbeiten zur Katalyse erhielt Ostwald im Jahre 1909 den Nobelpreis für Chemie. Ostwalds Arbeiten stellten auch die Grundlage für das im Jahre 1909 entwickelte Verfahren zur Ammoniaksynthese durch Fritz Haber (1868-1934) und Carl Bosch (1874-1940) an der BASF Ludwigshafen dar.
 
 
Literatur:  
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