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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.
 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:
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, dies ist beim Abgaskatalysator oder beim katalytischen Zerfall von Wasserstoffperoxid durch eine Platinmünze der Fall (>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":  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 wie Platin hinzu, werden die Bindungen in den jeweiligen Systemen "gelockert" oder teilweise sogar aufgehoben und in einen Übergangszustand versetzt.  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.
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.
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.  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:
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:
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. Weitere Informationen
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