Katalytischer Kalender 2012

Katalytischer Kalender vom 17. Februar 2012

Döbereiner und das Platin

"Am Golde hängt, zum Golde drängt doch alles" - wie wahr. Platin hingegen interessierte eine ganze Zeit lang nicht; es war vielmehr lästiges Beiprodukt der Goldgewinnung und wurde sogar in Flüssen versenkt. Mitte des 18. Jahrhunderts brachten Wissenschaftler das Metall aus Südamerika mit nach Europa, wo es die Neugier der Forscher erregte. Auch der deutsche Chemiker Johann Wolfgang Döbereiner, nicht nur ein Namens-, sondern auch ein Zeitgenosse Goethes, war von dem "mit höchst merkwürdigen Eigenschaften begabte[n] edle[n] Metall" beeindruckt. Berühmt geworden ist er durch das Döbereiner-Feuerzeug, das bis heute ein Klassiker der Katalyse-Experimente geblieben ist. Dabei hatte er aber die katalytischen Eigenschaften des Platins schon früher genutzt - wenn auch ohne seine Entdeckung so richtig benennen zu können. In seiner Schrift "Über Platin" von 1835 beschreibt er höchst eindrücklich: "Derselbe [der Verfasser] fand nämlich […], daß das auf nassem Wege reducirte Platin den mit ihm in Berührung gesezten Alkohol bestimmt, aus der Luft schnell so viel Sauerstoffgas anzuziehen, daß er dadurch erst in Sauerstoffäther und dann in Essigsäure verwandelt wird." Wenig später folgte die Entdeckung, dass sich Wasserstoffgas an der Luft bei Kontakt mit Platin entzündet. Döbereiner versuchte dies damit zu erklären, dass "das auf nassem Wege reducirte oder isolierte Platin die Eigenschaft habe, eine große Menge Sauerstoffgas zu absorbiren und dieses so zu verdichten, daß es fähig wird, sich mit mehreren leicht oxydablen Substanzen chemisch zu verbinden". Er beschrieb das als "mechanische Verbindung des Platins mit Sauerstoffgas". Dabei lag er erstaunlich richtig, wie man heute weiß. Generationen von Schülern haben gelernt, dass Wasserstoffgas auf der Platinoberfläche adsorbiert wird. Neuere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass die Platinoberfläche in der Tat mit Sauerstoff belegt ist (eigentlich auch logisch, wenn das Platin an der Luft ist). Der Wasserstoff reagiert damit zu sehr kurzlebigen Wassermolekülen, die sich wiederum mit benachbartem Sauerstoff zu adsorbierten OH-Teilchen umwandeln. Erst, wenn die ganze Oberfläche damit belegt ist, bildet sich schließlich Wasser. Döbereiner lag also gar nicht so falsch - und das, bevor das Wort Katalyse überhaupt erfunden war!

(Bild: P. Amand Kraml, Sternwarte Kremsmünster)

Katalytischer Kalender vom 10. Februar 2012

Aus der Forschung: Mit Katalyse gegen Gülle"duft"

Vom Schweinemist zum Plasma-Katalysator; ein ganz schöner Spannungsbogen. Worum geht es? Nun, die Intensiv-Tierhaltung bringt erfahrungsgemäß Probleme mit sich, nämlich zum Beispiel die Frage: Wohin mit der Gülle? Schweinegülle enthält bis zu 4 kg/m³ Ammonium; es belastet bei unkontrollierter Ausbringung Böden und Gewässer und stellt außerdem eine erhebliche Geruchsbelästigung für Anwohner dar. Die meisten Verfahren zur Weiterverarbeitung von Gülle senken die Ammoniakgehalte nicht. Deshalb forschen Wissenschaftler in Ungarn im Rahmen des EU-Projektes PLASMANURE an einem kostengünstigen Verfahren, um mit Hilfe eines Plasma-Katalysators Ammoniak bzw. Ammonium in Stickstoff und Wasserdampf umzuwandeln.

Plasma-Katalyse ist ein Verfahren, bei dem Plasma und Katalyse verknüpft werden (so weit, so einleuchtend). Wenn man einen Feststoff erhitzt, wird er erst flüssig und dann zum Gas. Erhitzt man dieses weiter (oder führt auf andere Weise, zum Beispiel durch elektrische Entladung, Energie zu), entsteht ein Plasma. Ein "kaltes Plasma", das durch eine Entladung erzeugt wird, hat eine mittlere Temperatur von unter 30 °C; trotzdem ist es sehr energiereich. Es  enthält viele Ionen, ist aber nach außen elektrisch neutral.  Bei niedrigen Temperaturen lagern sich organische Moleküle oder Ammoniak gerne auf Katalysatoroberflächen an; bei höheren Temperaturen werden sie unruhig und bewegen sich mehr und sind deshalb seltener auf den Oberflächen zu finden. Im Plasma ist es nicht heiß; die Moleküle können sich also am Katalysator "ausruhen". Gleichzeitig liegen im energiereichen Plasma aber anstelle von gemütlichen Sauerstoffmolekülen O₂ streitlustige Ozonmoleküle O₃, unausgeglichene O-Ionen oder beziehungshungrige O-Radikale vor. Solche Sauerstoffradikale sind sehr reaktiv, wie man spätestens aus der Kosmetikwerbung weiß. An der Katalysatoroberfläche treffen also angelagerte NH₃-(Ammoniak)Moleküle, deren Bindungen durch den Katalysator schon gelockert sind, auf O-Spezies auf Partnersuche. Wie das endet, kann man sich leicht vorstellen - H lässt sich vom rührigen O verführen und macht sich als H₂O davon, die sitzengelassenen Ns trösten sich gegenseitig und verschwinden als unschädliches N₂ (Stickstoff) in die Atmosphäre.

So kann man bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen eine vollständige und schnelle Reaktion von organischen Substanzen oder eben von Ammoniak mit Sauerstoff erreichen.

Mehr zum Projekt Novel plasma-catalyst reactor for the total conversion of the ammonia contained in pig manure into environmental neutral products unter http://www.plasmanure.eu/

Katalytischer Kalender vom 3. Februar 2012

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte...

...und viele Bilder sagen dementsprechend noch viel mehr - also Knabberzeug hervorholen, Füße hochlegen und diesen Film über Katalyse genießen!

Produziert von der University of Southampton (Moniek Tromp, Jeroen Klijs, David Read, Gill Reid, John Evans) im Rahmen der europäischen Forschungsnetzwerke IDECAT und ERIC;
Animationen, Filme, Regie und Produktion by mark Breakwell WOWMedia

Katalytischer Kalender vom 27. Januar 2012

Katalyse in Zahlen…  Verblüffendes aus der Welt der Enzyme

• Von etwa 10.000 bekannten Enzymen werden nur 120 kommerziell genutzt. [http://www.transgen.de/lebensmittel/enzyme/931.doku.html]

• Eines der ältesten erhaltenen Enzymmoleküle, das sogar noch Restaktivität zeigte, wurde im Gehirn einer Mumie gefunden, die ca. 1150 v. Chr. datiert. [Manfred Reitz, Auf der Fährte der Zeit, Wiley-VCH (2003), S. 279]

• Eines der effizientesten bekannten Enzyme ist die Katalase; Ein Molekül Katalase kann 10.000.000 (also 10 Millionen Moleküle) Substrat pro Sekunde umsetzen (das beschreibt die sogenannte Wechselzahl). Katalase katalysiert die Reaktion von Wasserstoffperoxid zu Sauerstoff und Wasser.

• Ca. 50 Stoffwechselkrankheiten sind darauf zurückzuführen, dass ein Enzym im Körper fehlt. [http://www.aerztezeitung.de/medizin/fachbereiche/paediatrie/article/511887/krankheiten-enzymmangel-spur.html}

• Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Berkeley haben in einer Mikrobe eine Cellulase (also ein Enzym, das Zellulose spaltet) entdeckt, die bei 109°C ihre höchste Aktivität erreicht. Zur Erinnerung: Enzyme sind Proteine, und als Faustregel kann gelten, dass diese oberhalb von 60°C denaturieren, also nicht mehr funktionsfähig sind. [http://www.astrobio.net/pressrelease/4092/record-breaking-heat-tolerant-enzyme]

Katalytischer Kalender vom 20. Januar 2012

Katalytische Lyrik I - Der katalytische Limerick

Ein Katalysator aus Gold

War einem Zucker sehr hold.

Doch es war nicht von Dauer,

denn der Zucker ward sauer

und hat sich beleidigt getrollt.

Katalytischer Kalender vom 13. Januar 2012

Was ist Katalyse?

Wer nach einer Erklärung für Katalyse sucht, findet verschiedene Bilder: Katalysatoren wirken als "Heiratsvermittler" und bringen Moleküle zusammen, die sich sonst nicht gefunden hätten. Oder als "Bergführer", die anstelle des Luftlinie-Weges über den Gipfel den Substanzen den etwas längeren, aber viel bequemeren Weg über den Pass zeigen.

Wer mit Lego aufgewachsen ist, dem hilft vielleicht noch ein anderes Bild: Da will man etwas Neues bauen, und dann hängen die verflixten Steine aneinander wie Pech und Schwefel. Man sitzt auf dem Boden und schreit nach - dem Katalysator: Er trennt freundlicherweise die Steine und hält sie einem hin, damit man etwas Neues daraus bauen kann.

Mit welchem Bild auch immer Sie am meisten anfangen können - der Heiratsvermittler, der zwei widerstrebende Partner zusammenführt, die sich hinterher doch innig lieben und miteinander verbinden, der Bergführer, der einem  erspart, über den hohen Energieberg zu klettern, oder der freundliche Helfer beim Legobau… merken Sie sich einfach: Ein Katalysator sorgt dafür, dass zwei Moleküle, die sonst ziemlich unbeteiligt voneinander bleiben würden, miteinander reagieren können. Er tut das, in dem er die Energie, die für den Start der Reaktion nötig wäre, herabsetzt, also den Bergpass zeigt oder die Legosteine lockert. Und er selbst bleibt freundlich lächelnd daneben stehen und kann seine hilfreichen Dienste dem Nächsten anbieten.

Nächste Woche wird es dann etwas unernster... wir starten mit der Katalytischen Lyrik!

Katalytischer Kalender vom 6. Januar 2012

Willkommen zum Katalytischen Kalender 2012!

Ein Jahr lang werden hier jeden Freitag kleine Beiträge zur Katalyse zu lesen sein - Lehrreiches, manchmal Bekanntes, hoffentlich häufig Neues, Überraschendes, Kurioses, Unterhaltsames aus der Geschichte der Katalyse, zu ihren Grundlagen und Erscheinungsformen und aus der aktuellen Forschung. Denn Katalysatoren sind überall: als Enzyme im Körper, zur Luftreinhaltung im Auto und zur Herstellung von Kunststoffen, Medikamenten und vielem mehr in der Chemieanlage. Katalysatoren machen Reaktionen erst möglich, die sonst nur mit immensem Energieaufwand oder gar nicht ablaufen würden. Doch wer weiß schon, dass Enzyme in ägyptische Mumien nach über 1.000 Jahren noch funktionieren? Oder wie Elektrokatalyse funktioniert? Ohne Katalyse gäbe es nicht nur keine Plastiktüte, sondern kein Leben. Grund genug für die Deutsche Gesellschaft für Katalyse, diese Disziplin ein ganzes Jahr lang von allen Seiten zu beleuchten. Dabei soll bei allem wissenschaftlichen Inhalt die Unterhaltung nicht zu kurz kommen - dafür sorgen nicht nur Kuriositäten aus der Katalyse-Welt, sondern auch die "Katalytische Lyrik". Neugierig? Dann kommen Sie wieder... nächsten Freitag geht es los!

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