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Katalytischer Kalender 2012

Jeden Freitag ein neuer Beitrag zur Katalyse - lehrreich, überraschend oder einfach zum Spaß!


Katalytischer Kalender vom 28. Dezember 2012

Feuerwerk zum JahresendeTemp Bild Feuerwerk

Na, ist das Feuerwerk für den Jahreswechsel schon eingekauft? Dann haben Sie wahrscheinlich Katalysatoren mit erworben. Denn die schönen bunten Silvesterraketen enthalten eine ganze Reihe katalytisch wirksamer Substanzen. So senkt MgO2 die Zersetzungstemperatur von Kaliumchlorat um 70 bis 100°C. Und Eisen(III)oxid kommt in den sogenannten "Heulern" zum Einsatz. Das sind Röhrchen, in denen das Material in einzelnen kleinen Explosionen umgesetzt wird. An der Grenzfläche zur Luft kommt es zu einem schlagartigen Verbrennen; dadurch entsteht ein kurzzeitiger Unterdruck. Luft strömt ein und ermöglicht die nächste Miniexplosion. Was für Geräusche bei diesem oszillierenden Abbrand entstehen, ist unter anderem von den eingesetzten Katalysatoren abhängig.

Und mit diesem Knallen, Heulen und Pfeifen beenden wir unseren Katalytischen Kalender 2012. 52 Wochen lang haben wir Neuigkeiten aus der Katalyse, Unbekanntes über Bekannte und allerlei kleine Wissenshäppchen serviert. Wer mehr lesen will - im DECHEMA-Blog werden wir auch in Zukunft das eine oder andere aus der spannenden Welt der Katalyse berichten.

All unseren Leserinnen und Lesern ein gutes Neues Jahr!

[Bild Photography by Semnoz, August 2005 via Wikimedia Commons]


Katalytischer Kalender vom 21. Dezember 2012

"Majaaaaaa...."

Alle reden heute über Maya - na gut, wir auch.

Maja sammelt Honig, und Honig ist aus Katalyse-Sicht ein überaus interessantes Produkt. Schon in einer Schrift von 1910 heißt es: "Die echten, unerhitzten Honige [...] enthalten [...] jene hochmolekularen Eiweißverbindungen, die wir Fermente oder Enzyme nennen. Diese Honigenzyme entstammen als spezifisch arteigenes Produkt den Sekreten des lebenden Bienenkörpers (der Arbeiterinnen) und haben die Fähigkeit, unter Umständen gewisse Verdauungsprozesse auszulösen."

Honigwabe

Die Enzyme im Honig kommen also sozusagen aus der "Bienenspucke". Die Bienen bringen den gesammelten Nektar in den Bienenstock, wo er von Stockbienen mehrmals eingesogen und wieder ausgespuckt wird. Dabei wird der Saft entwässert und mit Enzymen angereichert. Anschließend reift der Honig drei bis vier Wochen in der Wabe. Dabei wird unter anderem die Saccharose in Glucose und Fructose gespalten, und ein Teil der Glucose wird enzymatisch in Fructose umgewandelt. Fertiger Honig enthält etwa 27-44 % Fructose und 22-41 % Glucose.

Außerdem findet man im Honig tatsächlich eine ganze Reihe von Enzymen, darunter Amylasen, Invertase, Glucoseoxidase, Phosphatase und Katalase. Beim Erhitzen geht ein Teil der Enzymaktivität verloren.

Leider gilt das auch für die Verdauung im Magen. Zwar wird gerne über die verdauungsfördernde Wirkung der Enzyme im Honig geschrieben, wissenschaftlich belegt ist sie jedoch nicht. In der Wundbehandlung werden einige Honigsorten anscheinend mit recht guten Erfolgen eingesetzt. Zum einen wirkt das enthaltene Methylglyoxal antibakteriell. Zum anderen entsteht beim Abbau von Zucker mit Glucoseoxidase Wasserstoffperoxid.

Dass man Babies keinen Honig geben soll, hat entgegen einschlägigen Ratgeber-Büchern nichts mit den Enzymen zu tun, sondern liegt daran, dass das Risiko einer Botulinus-Infektion nicht  ausgeschlossen werden kann. Nach dem ersten Lebensjahr schützen Darmflora und das körpereigene Abwehrsystem vor diesen Bakterien.

[Bild: Alex Anlicker aus der deutschsprachigen Wikipedia]



Katalytischer Kalender vom 14. Dezember 2012

Katalytische Lyrik VI: Katalytische Ballade

Gewaltig ragend in den Himmel292px-Kern_Arion_auf_dem_Delphin
Steht der Turm aus Edelstahl.
Drumherum herrscht ein Gewimmel
Von Rohren wirr und ohne Zahl.

Ingenieur, komm her,
auch du, Chemiker.
Soll das große Werk gelingen
Müsst ihr alle Kraft aufbringen.

Gedenkt euch noch, wie es in dunklen
Zeiten seinen Anfang nahm?
In des Alchimisten Kessel
Eines zu dem anderen kam.
Dämpfe quollen aus Verliesen,
Rauch stieg schweflig in die Luft.
Was die Forscher heute wissen
Hat den Ursprung in der Gruft.

Und nun kommt, ihr Zeolithe,
lasst mit Platin euch bedampfen.
Hört in des Getöses Mitte
Ventile ächzen, Pumpen stampfen.

Walle walle manche Strecke
Dass zum Zwecke
Wasserstoff fließe
Und mit reichem vollem Schwalle
In den Speicher sich ergieße.

Schwarzes Erdöl, glänzend, zähe
formte unsre heut'ge Welt.
Brachte Wohl uns, doch auch Wehe,
seine Jahre sind gezählt.

Grüne Pflanzen, satte Blätter,
Halme voller Saft und Kraft,
sollen nun die Zukunft retten,
wenn man Neues daraus schafft.

Forscher stehn in weißen Kitteln
Tiefe Furchen auf der Stirn,
Erkenntnisse aus Fördermitteln
Entstehn im Wissenschaftlerhirn.

Drum sei ein mehrfach Hoch gesungen
Hoch dem Forscher im Labor
Und dreimal "Hoch" der Katalyse
Sie öffnet uns der Zukunft Tor!


(frei nach allen möglichen großen Dichtern und Denkern)


Katalytischer Kalender vom 7. Dezember 2012

Backblech-Technik für heiße Öfen

Wir bleiben beim Thema Ofen - mehr oder weniger. Letzte Woche wurde nämlich der Deutsche Rohstoffeffizienz-Preis vergeben. Und eines der ausgezeichneten Unternehmen hat bei der Suche nach einer Antihaftbeschichtung für Backbleche sozusagen versehentlich einen neuen umweltfreundlichen Rußkatalysator entwickelt.Rust_and_dirt

In einem "normalen" Autokatalysator wird der Ruß in den Abgasen an Platin oder Schwermetallen verbrannt. Die Katalysatoren müssen außerdem regelmäßig thermisch gereinigt werden - zu deutsch: der Katalysator wird mit Hilfe von Kraftstoff freigebrannt.

Die neuartige Beschichtung der Firma Nano-X war eigentlich für Backbleche gedacht. Mehrere Bleche wurden unterschiedlich beschichtet, und zwar mit einer Glasschicht, in der Alkalisalze ganz fein verteilt waren, als Nanopartikel. Die Bleche wurden mit Zucker bestreut und kamen bei 270°C in den Ofen (und jeder, der nach so einer Aktion schon einmal den Ofen geputzt hat, weiß, dass das der Härtetest für jede Oberfläche ist). Eines der Bleche blieb sauber. Bei der Untersuchung stellt sich heraus, dass die eingesetzte Beschichtung schon bei 250°C die Verbrennung von Ruß mit Luftsauerstoff katalysiert. Zum Vergleich: Ohne Katalysator braucht man ungefähr 600°C, damit Ruß verbrennt. Der Effekt geht wohl darauf zurück, dass die feinverteilten Alkali-Kationen an der Oberfläche des Glases aktive Zentren darstellen. Sie bilden Oxidspezies, die dann die eigentliche Reaktion zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff katalysieren.

Gerade für schwere Fahrzeuge - Baumaschinen, Busse, Lokomotiven etc. - ist das eine sehr nützliche Technologie. Deshalb wird sie in den Katalysatoren solcher Fahrzeuge heute schon kommerziell eingesetzt. Man spart also wertvolle Rohstoffe, verhindert die Freisetzung von Platin- und Schwermetallpartikeln aus Katalysatoren, und Energie wird auch noch gespart.

Leider steht in den Artikeln nicht, was aus den Backblechen geworden ist. Die hätte man doch trotzdem noch verkaufen können - falls die Plätzchen mal anbrennen…

[Bild: Roger McLassus via Wikimedia Commons]


Katalytischer Kalender vom 30. November 2012

Plätzchenduft und Marzipan...

320px-Weihnachtskeks(RobertK)

So langsam wird es weihnachtlich - auch hier bei uns im Katalytischen Kalender. In der Weihnachtsbäckerei und im Punsch finden sich eine ganze Menge Düfte, die wir mit Weihnachten verbin Nelken, Vanille, Anis... Und auch den Geruch von Marzipan kennt jeder. Er stammt vom Benzaldehyd.

Für das Bittermandelaroma in Bittermandeln, aber auch in den Kernen von Steinfrüchten wie Aprikosen, ist das Amygdalin verantwortlich. Bei der Verarbeitung oder bei der Verdauung wird dieses Amygdalin aufgespalten in Blausäure, Benzaldehyd und Glukose, also Zucker.  Deshalb wird immer wieder vor dem leichtfertigen Verzehr von Bittermandeln gewarnt, denn schon wenige roh verzehrte Bittermandeln können für Kinder gefährlich werden.

Das Bittermandelöl, das bei uns in den Handel kommt, ist "entbittert", das heißt, die Blausäure wurde entfernt. Da für das typische Aroma aber allein der Benzaldehyd verantwortlich ist, kann man auch den verwenden; er ist zum Beispiel als "Bittermandelaroma" im Backwarenregal erhältlich. Hergestellt wird er (das wird unsere Leser nicht überraschen) katalytisch - nämlich aus Toluol durch Oxidation mit Luftsauerstoff. Der erhaltene Benzaldehyd ist sehr sauber. Die Kunst besteht darin, die Reaktion auf der Ebene des Benzaldehyds "anzuhalten", denn er reagiert mit Sauerstoff leicht zu Benzoesäure weiter. Das traditionelle Verfahren verläuft bei 500 bis 600°C in Flüssigphase an Wolfram-/Molybdänsalzen oder Uran-/Molybdänoxiden. Es gibt aber eine ganze Reihe von neuen Veröffentlichungen, die diese Reaktion zum Beispiel photochemisch katalysieren lassen wollen. Vielleicht essen wir also bald Weihnachtsplätzchen mit "grünem" Mandelaroma.

[Bild: RobertK via Wikimedia Commons]


Katalytischer Kalender vom 23. November 2012

Katalyse in Zahlen: Rekordverdächtig!

Medals


Katalytischer Kalender vom 16. November 2012

Kaputte Katalysatoren - und wie man sie unter Kontrolle hält

Eine katalytische Kuriosität - oder doch nicht? Beim ersten Lesen jedenfalls kann man schon über dieses Abstract einer wissenschaftlichen Veröffentlichung stolpern:320px-Mörser_und_Stößel

"Die Messung der mechanischen Festigkeit für verschieden geformte feste Katalysatoren wie Zerstoßen, Schneiden mit dem Messer und die Drei-Punkt-Biegeprobe wurden untersucht. [...] Die Eignung verschiedener Testmethoden für Kugeln, Tabletten und Extrudate wurde diskutiert. Es wird gefolgert, dass Stoßtests eine zufriedenstellen Methode für Kugeln darstellen, während Stoß- und Schneidetests beide für Tabletten geeignet sind, Schneide- und Biegetests dagegen eignen sich für Extrudate."

Vor dem inneren Auge entsteht das Bild eines Forschers, der am Küchentisch Katalysatorkugeln zerschnippelt. Wie bei vielen vermeintlich simplen Fragestellungen, ist diese Forschung aber sehr anwendungsnah. Eine der wichtigsten Eigenschaften für industriell eingesetzte Katalysatoren ist nämlich ihre mechanische Widerstandsfähigkeit. "Zerbröseln" die Katalysatoren, werden die Strömungseigenschaften beeinflusst, der Druck kann sich verringern; im schlimmsten Fall geraten Katalysatorkrümel an Stellen, wo sie die ganze Anlage lahmlegen.

Da industrielle Katalysatoren viele Eigenschaften haben, die zu Brüchen an ganz unterschiedlichen Stellen führen können - sprödes Material, Poren und Kanäle etc. - ist die Voraussage ihrer Widerstandsfähigkeit nur mit Hilfe statistischer Methoden möglich.

Eine ganze Wissenschaft steckt hinter der Entwicklung solcher Materialtests, die dann wiederum in nationalen Standards festgelegt ist. Hinter dem Wissenschaftler mit dem Küchenmesser verbirgt sich also ein wichtiges Forschungsfeld.

Die komplette Veröffentlichung gibt es hier

[Bild: J C D über Wikimedia Commons]

 


Katalytischer Kalender vom 9. November 2012

Der Patenonkel der Katalyse: Jöns Jakob Berzelius188px-Jöns_Jacob_Berzelius_from_Familj-Journalen1873

Haben wir Humphry Davy als "Urvater" der Katalyse bezeichnet, so war Jöns Jakob Berzelius ihr Patenonkel. Er taufte 1835 die Erscheinung, dass Stoffe eine Reaktion beschleunigen, ohne sich selbst zu verändern, auf den Namen "Katalyse".

Liest man eine Biographie über Berzelius, so wird man schnell feststellen, dass sein Name mit vielen anderen Großen der Chemie eng verknüpft ist - als Schüler, Lehrer oder Diskussionspartner. Dabei waren seine Voraussetzungen denkbar schlecht: Im Kindesalter zum Vollwaisen geworden, wurde Berzelius von seinem Stiefvater mit sieben Geschwistern aufgezogen. Während seiner Gymnasialzeit verdiente er sich als Knecht oder Hauslehrer in den Ferien etwas Geld dazu. In seinem Abschlusszeugnis heißt es, dass er "ein junger Mann von guten Naturanlagen, aber schlechten Sitten und zweifelhaften Hoffnungen sei". Im medizinisch-philosophischen Examen rettet in seine gute Physik-Note, nachdem er in Chemie sehr schlecht abgeschnitten hat.

Trotz aller Widrigkeiten hat Berzelius ein sehr beeindruckendes Werk hinterlassen: Als Pionier der Elektrochemie, Entdecker mehrerer Elemente, Begründer des Isomerie-Konzepts in der organischen Chemie und als vehementer Vertreter einer wissenschaftlichen, experimentell begründeten Ausrichtung der Chemie anstelle der naturphilosophischen Betrachtungen, die im 19. Jahrhundert noch gang und gäbe waren. Was die Katalyse angeht, so liegen seine Betrachtungen zwischen Mutmaßungen und Vision: Einerseits schreibt er 1847 in seinem Lehrbuch, dass die Katalyse "im Grund auf erregten elektrischen Verhältnissen beruht, von deren innerem Verlauf wir uns gegenwärtig keine wahrscheinliche Vorstellung machen können", andererseits wirkt folgende Aussage von 1835 fast prophetisch: "Wir bekommen gegründeten Anlaß zu vermuten, daß in den lebenden Pflanzen und Tieren Tausende von katalytischen Prozessen zwischen den Geweben und den Flüssigkeiten vor sich gehen".

 Alle Zitate übernommen aus: Paul Walden: Zum 100. Todestag von Jöns Jakob Berzelius, in: Die Naturwissenschaften 11 (34), 1947, S. 321-327


Katalytischer Kalender vom 2. November 2012

Auf dem Güterbahnhof: Chain-Shuttle-Polymerisation

Der heutige Artikel beginnt mit einem Problem: Für "chain-shuttling polymerisation" scheint es nämlich keinen etablierten deutschen Begriff zu geben (wer einen kennt, bitte melden!). Deshalb nehmen wir uns die Freiheit und denken uns einen aus: Wir behandeln heute die Güterbahnhof-Polymerisation!

Polymerisation bedeutet, dass viele Moleküle zu langen Ketten verknüpft werden. Die Kunststoffe, die daraus entstehen, haben unterschiedlichste Eigenschaften, je nach Einzelbausteinen und deren Verknüpfung. Setzt man verschiedenartige Moleküle ein, entstehen sogenannte Copolymere. Hat man zwei Bausteine A und B, dann können diese entweder statistisch miteinander verknüpft sein oder immer abwechselnd auftreten.

Nun kann es aber interessant sein, statt ABAB zum Beispiel die Reihenfolge AAABBBAAABBB zu haben. Wie gelingt das?

GüterbahnhofHier kommt unser Güterbahnhof ins Spiel. Unser Güterbahnhof liegt zwischen einer Molkerei, die Tankwagen befüllt, und einem Sägewerk, wo Baumstämme verladen werden. Unser Zug soll immer abwechselnd aus mehreren Tankwagen und mehreren Holzwagen bestehen. Vor jedem Betrieb ist ein Techniker damit beschäftigt, die Wagen zusammen zu koppeln. Eine Lokomotive fährt zwischen den beiden Betrieben hin und her; die jeweils fertigen Teilzüge werden an sie angehängt. Wie lang die einzelnen Abschnitte von Tankwagen bzw. Holzwagen sind, hängt davon ab, wieviele Waggons der Techniker zusammenkoppeln kann, während die Lokomotive unterwegs ist. Ist sie schnell, sind die Abschnitte kurz; ist sie vergleichsweise langsam, kann der Techniker mehr Waggons verknüpfen, und der Zugteil ist länger.

Genau das Gleiche passiert bei der Chain-Shuttling-Polymerisation. Ein Katalysator fördert die Verknüpfung zwischen Molekülen der einen Art, der andere bevorzugt die andere Molekülart. Als "Lokomotive" dienen zum Beispiel Metallalkyle. Sie verbinden sich reversibel mit den einzelnen Teilketten und transportieren diese so zwischen den Katalysatoren hin und her. Natürlich passiert das nicht so gezielt wie (hoffentlich) auf dem Güterbahnhof; manchmal landet der Holzwagenzug wieder beim Holzwagentechniker, manchmal direkt bei der Molkerei. Aber über Menge und Verhältnis von Katalysatoren und Transferagens und über die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten lässt sich ziemlich gut steuern, wie die fertigen Ketten aussehen.

 Wer's genauer wissen will, findet hier weitere Informationen: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.200602889/pdf

 


Katalytischer Kalender vom 26. Oktober 2012

Gutes Schulfernsehen: Katalyse bei "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik"

Die Älteren unter unseren Lesern erinnern sich vielleicht noch an das Rattern des Projektorn, wenn in der Schule Beiträge aus der Materialsammlung "Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht" gezeigt wurden. Schulfernsehen gibt es immer noch, man kann es sich im Internet ansehen - und das lohnt sich! Zum Beispiel dieser schöne Beitrag aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik", der unter anderem bei Bayer Alpha ausgestrahlt wurde und hier zu sehen ist:

Der Beitrag ist von 1996, aber ansehen macht immer noch Spaß.

Die DECHEMA und die Deutsche Gesellschaft für Katalyse übernehmen keine Verantwortung für verlinkte Inhalte Dritter.



Katalytischer Kalender vom 19. Oktober 2012

Wenn die Milch Bauchschmerzen macht - Laktoseintoleranz und Laktase320px-Kuh_Muehlviertel

Laut Schätzungen leiden zwischen 10 und 20 % der deutschen Bevölkerung an einer Laktoseintoleranz. Laktose oder Milchzucker ist ein Dissaccharid, das aus Galaktose und Glukose besteht. Normalerweise wird es vom Enzym Laktase bei der Verdauung aufgespalten. Fehlt dieses Enzym, so wandert der Milchzucker unverdaut in den Dickdarm, wo sich dort lebende Bakterien über die unerwartete Leckerei freuen: Sie vergären die Laktase zu Lactat und Gasen; das führt zu Blähungen und Durchfall. Laktose ist übrigens nicht nur in Kuhmilch enthalten, sondern generell in der Milch von Säugetieren - in menschlicher Milch sogar in deutlich größerer Menge als in Kuhmilch.

Bei Kindern in Kulturen, die sonst keine Milch zu sich nehmen, reduziert sich die Laktasebildung im Laufe der Zeit. Bei Völkern, die Milchwirtschaft betreiben, produziert der Körper auch im Erwachsenenalter noch Laktase - aber eben nicht bei allen.

Für Menschen mit Laktoseunverträglichkeit werden inzwischen eine ganze Reihe von Nahrungsmitteln angeboten, die zwar auf Milchbasis hergestellt, aber laktosefrei sind. Dafür wird die Milch vor der Verarbeitung mit Laktase behandelt. "Laktosefrei" bedeutet nach deutschen Regelungen, dass der Laktosegehalt unter 1 g/l bzw 1g/kg liegt. Die bisher gebräuchlichen Enzyme werden allerdings durch die gebildete Galaktose inhibiert. Das bedeutet, dass man entweder mit vergleichsweise hohen Laktoserestmengen im Produkt leben oder sehr viel (teures) Enzym einsetzen muss, um die gewünschten niedrigen Laktosegehalte zu erzielen. Neuere Untersuchungen zielen darauf, Enzyme zu nutzen, die bei gleicher eingesetzter Menge und Reaktionszeit einen deutlich niedrigeren Laktosegehalt ermöglichen.

Interessanterweise konnte eine Studie des ehemaligen Bundesinstituts für gesundheitlichen Verbraucherschutz und Veterinärmedizin schon 1999 zeigen, dass Joghurt bei gleichem Laktosegehalt von Personen mit Laktoseintoleranz besser vertragen wird als Milch. Hintergrund: die Bakterien im Joghurt (sofern dieser nicht hitzesterilisiert wurde) liefern die Laktase gleich mit. Funktioniert aber nicht mit probiotischen L.casei-Stämmen, die selbst keine Laktase produzieren!


Katalytischer Kalender vom 12. Oktober 2012

Gerhard Ertl: Oberflächenforschung alles andere als oberflächlich

180px-Prof_Ertl-PortraitDer Chemie-Nobelpreis 2012 geht an Robert Lefkowitz und Brian Kobilka - also diesmal nicht an Katalyseforscher. Deshalb gehen wir heute zurück ins Jahr 2007 und beschäftigen  uns mit der Arbeit von Gerhard Ertl: Wofür genau hat er den Nobelpreis bekommen?

Gerhard Ertl hat sich mit Oberflächenchemie beschäftigt, genauer: er wollte wissen, was genau passiert, wenn ein Gasmolekül auf eine feste Oberfläche trifft. Dabei untersuchte er zunächst, wie Wasserstoff sich auf einer Palladium-, Platin- oder Nickeloberfläche anordnet  und konnte zeigen, dass die Wasserstoffbindung bei der Adsorption gelöst und Wasserstoff in atomarer Form adsobiert wird.

Der nächste Schritt war dann die Untersuchung der Ammoniaksynthese. Trotz ihrer enormen Bedeutung wusste man nämlich lange Zeit nicht, was genau bei der Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff am Eisenkatalysator passiert. Man wusste nur, dass die Stickstoff-Adsorption der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist - aber was dann genau passiert und was eigentlich reagiert, war unbekannt.

Aus seinen vorherigen Studien wusste Ertl, wie sich Wasserstoff auf Metalloberflächen verhält (der Unterschied zwischen Eisen und anderen Metallen war nicht groß). Er konzentrierte sich daher auf den Stickstoff. Zur allgemeinen Verblüffung - die Bindung im Stickstoffmolekül ist eine der stärksten, die man kennt - konnte er nachweisen, dass auch der Stickstoff atomar auf der Eisenoberfläche vorliegt.

Doch gilt das auch für die "echten" Haber-Bosch-Katalysatoren? Ja, so Ertl. Auch hier reagieren atomarer Stickstoff  und adsorbierte Wasserstoffatome miteinander; Ertl konnte die einzelnen Reaktionsschritte detailliert beschreiben.

Damit war aber nicht nur die Neugier befriedigt, einen (schon funktionierenden) Prozess besser zu verstehen. Erstens hatte Ertl im Laufe seiner Forschung ein Instrumentarium von Messmethoden entwickelt und kombiniert, dass sich nun auch auf andere Vorgänge anwenden ließ. Dadurch, dass man heute viel besser versteht, was sich an einer Katalysatoroberfläche abspielt, kann man auch Vorhersagen über das Verhalten von Gasen an Katalysatoroberflächen treffen und versuchen, "ideale" Oberflächen für bestimmte Anwendungen im Voraus zu modellieren.

[Wolfram Däumel über Wikicommons]

 


Katalytischer Kalender vom 05. Oktober 2012

Experimente für den Küchentisch: Ganz schön aufgeblasen

Bubbles_3D

Man braucht:

1 hohes Glas oder eine kleine Schüssel

Wasser

Spülmittel

Wasserstoffperoxid-Lösung (Achtung ätzend - Schutzbrille tragen)

Etwas frische Bäckerhefe

Mische einen Tropfen Spülmittel mit einem Teelöffel Wasser.

Gib 10 ml Wasserstoffperoxidlösung in das Gefäß und füge die Spülmittellösung hinzu. Rühre vorsichtig um. Was passiert?

Gib nun eine Messerspitze Hefe in das Gemisch und rühre wieder um. Was passiert?

Erklärung

Eigentlich ist dieser Versuch eine Variante unseres Kartoffelversuchs vom März.  Das Spülmittel dient nur dazu, die Sauerstoffentstehung deutlicher zu zeigen. Die Hefe enthält genau wie die Kartoffeln Katalase, die den Zerfall von Wasserstoffperoxid beschleunigt.

 


Katalytischer Kalender vom 28. September 2012

Das Schweizer Taschenmesser der Zelle: RNA

DNA kennt mittlerweile vermutlich jeder - diese langkettigen Moleküle sind die Träger des Erbguts. Weniger bekannt ist möglicherweise die RNA. RNA sind wie die DNA Nukleinsäuren, also lange Ketten aus einzelnen Bausteinen. Ihre wichtigste Rolle ist die des Informationsträgers in der Zelle. Zu jedem Baustein der DNA gibt es ein passendes "Gegenstück"; ähnlich wie man von einem Schlüssel einen Wachsabdruck nehmen kann, der alle Informationen über den Schlüssel enthält, kann man von der DNA einen "Abdruck" nehmen. Die RNA ist ein solcher "Abdruck", der die Informationen der DNA abbildet und in der Zelle transportieren kann.

RNA haben aber noch viele andere Funktionen. Als "Ribozyme" wirken sie im Körper ähnlich wie Enzyme als Biokatalysatoren. Sie spielen eine wichtige Rolle beim Knüpfen von Peptidbindungen, also beim Aufbau von Eiweißen. Das ist deshalb so spannend, weil es eine These zur Entstehung des Lebens stützt. Demnach entstand vor unserem heutigen Leben eine "RNA-Welt". In der "Ursuppe" könnten sich RNA gebildet haben. Diese können sowohl als Informationsspeicher fungieren - bis hin zur Selbstreplikation, einer Eigenschaft, die bis heute als eines der Merkmale für "Leben" gilt - als auch die Bildung großer Moleküle katalysieren. So leitete die RNA-Welt den Siegeszug der Proteine ein, auf denen das Leben auf der Erde basiert.

Kein Wunder, dass es für die Entdeckung der katalytischen Eigenschaften der RNA 1989 einen Nobelpreis gab.

 


Katalytischer Kalender vom 21. September 2012

Waldmüller_-_Singende_Kinder

Katalytische Lyrik V: Katalytischer Kinderreim

 

Ene mene miegel

Sauber bleibt der Ziegel

Ene mene mei

Dank TiO2!

 


 

Katalytischer Kalender vom 14. September 2012

Enantioselektive Katalyse: Wie man  chirale Gießkannen macht

Bei der Übersicht der Nobelpreisträger haben wir schon eine Folge zur enantioselektiven Katalyse angekündigt - schließlich wurden dafür bereits mehrfach Nobelpreise vergeben.

Was bedeutet "enantioselektiv"? Moleküle, die sich zueinander verhalten wie Bild und Spiegelbild, nennt man "Enantiomere". Sie bestehen aus den gleichen Atomen, die in der gleichen Weise miteinander verknüpft sind, und sind doch unterschiedlich. Entsprechend unterschiedlich können auch ihre Wirkungen sein, vor allem im Körper. Wer sich das nicht vorstellen kann, versuche mal, einen linken Handschuh an eine rechte Hand zu ziehen; so ähnlich ist es mit Enzymen, Rezeptoren und anderen wichtigen "Handschuhen" im Körper, in die jeweils nur eine "Hand" passt.

Für den Chemiker ist die Herstellung nur eines Enantiomers eine Herausforderung, denn wie gesagt, die chemischen Verknüpfungen sind ja die gleichen. Deshalb sind Katalysatoren, die genau das möglich machen, so begehrt und Gegenstand vieler Forschungsarbeiten. Solche Katalysatoren sind meist selbst ziemlich groß und komplex aufgebaut, und vor allem sind sie selbst "chiral", d.h. es gibt ein Bild und ein Spiegelbild. 

Bei der Katalyse bildet sich ein Übergangszustand aus dem Katalysator und dem Substrat. Wenn der Katalysator selbst asymmetrisch ist, sehen die beiden Übergangszustände nicht nur unterschiedlich aus, sie sind auch unterschiedlich stabil. Die Reaktion mit dem stabileren Übergangszustand verläuft schneller, und so entsteht mehr von diesem einen Produkt.

Sehr vereinfacht kann man sich folgendes vorstellen:  Ich möchte einen Aufkleber auf eine Gießkanne kleben. Auch wenn die Gießkanne selbst symmetrisch ist und Bild und Spiegelbild gleich sind - als Rechtshänder werde ich in aller Regel die Gießkanne mit der rechten Hand am Griff festhalten und den Aufkleber auf der linken Seite anbringen. Bei einem Linkshänder landet der Aufkleber auf der rechten Seite - und schon haben wir zwei Gießkannen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Der chirale Katalysator ist in diesem Fall der rechts- oder linkshändige Mensch - ganz schön groß und komplex!

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Diese Gießkanne hat eine enantioselektive Umwandlung erfahren. [Quelle: ANKAWÜ via Wikimedia Commons]

 


Katalytischer Kalender vom 07. September 2012

Vitamine sind keine Enzyme!

Eigentlich wollten wir in dieser Folge über die Bedeutung der Katalyse bei der Vitaminherstellung berichten.

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Aber kurzfristig möchten wir erst einmal einen Irrtum aufklären, der auf ungezählten Seiten im Internet herumgeistert - vorzugsweise Seiten, auf denen Nahrungsergänzungsmittel aller Art vertrieben werden. Dort wird munter mit den Begriffen "Vitamin", "Enzym" und "Katalysator" jongliert, und es werden sehr häufig falsche Beziehungen hergestellt. Zeit, etwas Ordnung zu schaffen!

Erst einmal: Vitamine sind keine Enzyme. Wären sie es, wäre ihre Aufnahme in Form von Tropfen, Kapseln oder Brausetabletten völlig sinnlos, denn Enzyme sind Proteine, und die werden im Magen verdaut. Vitamine "töten" auch keine freien Radikale. Sie reagieren mit ihnen, so dass das freie Radikal gebunden wird.

Zweitens: Vitamine alleine wirken nicht als Katalysatoren. Einige (nicht alle!) Vitamine sind aber sogenannte Cofaktoren, d.h., Enzmye "funktionieren" nur im Zusammenspiel mit ihnen. Dazu gehören z.B.  das Vitamin B5, eine Vorstufe für das Coenzym-A, das im Citratcyclus und im Fettstoffwechsel eine essentielle Rolle spielt. Vitamin B3 (Niacin) wird als Bestandteil von NAD+ für die Energieübertragung im Körper gebraucht. Vitamin C hingegen ist kein Cofaktor im üblichen Sinn, sondern spielt nur bei der Stabilisierung von Enzymsystemen eine Rolle.

So, das musste mal gesagt werden. Zu den Katalysatoren bei der Vitaminherstellung kommen wir dann in einer der nächsten Wochen.

 


Katalytischer Kalender vom 31. August 2012

Katalyse für Auge und Ohr...

Das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft stellt in diesem schönen Video vor, wie katalytische Prozesse an Oberflächen ablaufen. Ganz nebenbei lernen wir, dass Moleküle in ganz anderen Zeiträumen "denken" als Wissenschaftler. Viel Spaß!

 


Katalytischer Kalender vom 24. August 2012

Alfred_Nobel

Nobel, nobel - Nobelpreise für Katalyseforscher

Dass Katalyse wichtig ist, haben wir in den vergangenen sechs Monaten schon an vielen Beispielen gezeigt (und weitere werden folgen). Es verwundert deshalb nicht, dass sich die Liste der Nobelpreisträger teilweise wie ein "Who is who" der Katalyseforschung liest:

 

 

 

1907 (Chemie) Eduard Buchner Er beschäftigte sich mit Biochemie und der zellfreien Fermentation - heute sagen wir dazu "Biokatalyse".
1909 (Chemie) Wilhelm Ostwald Er prägte den Begriff der "Katalyse"
1918 (Chemie) Fritz Haber

Der Haber-Bosch-Prozess zur Ammoniak-Herstellung ist einer der wichtigsten industriellen katalytischen Prozesse.

1929 (Chemie)

Arthur Harden und Hans Karl August Simon von Euler-Chelpin

Sie untersuchten die Gärung von Zucker und die Rolle der daran beteiligten Enzyme.

1931 (Chemie) Carl Bosch und Friedrich Bergius

Diese beiden erhielten den Nobelpreis für die Entwicklung katalytischer Reaktionen unter hohem Druck, wie sie bei der Herstellung von Benzin aus Kohle (coal-to-liquid) eingesetzt werden.

1947 (Medizin) Gerty Theresa Cori und Carl Ferdinand Cori

Sie erforschten den Zuckerstoffwechsel und isolierten unter anderem die Phosphorylase, womit sie die Grundlage für die enzymatische Synthese von Glycogen legten.

1963 (Chemie) Karl Ziegler und Giulio Natta

Plastiktüten, Shampooflaschen und Quietscheentchen wären nicht denkbar ohne die Herstellung von Polyethylen und Polypropylen nach dem Ziegler-Natta-Verfahren.

1972 (Chemie) Stanford Moore und William H. Stein

Ihnen gelang es, die Primärstruktur des Enzyms Ribonuklease aufzuklären und so die katalytische Aktivität von Enzymen besser zu verstehen.

1975 (Chemie) John Warcup Cornforth

Er untersuchte, wie Enzyme Ausgangsstoffe so verändern, dass von einem möglichen Paar aus Bild und Spiegelbild immer nur eines entsteht (mehr dazu in einer der nächsten Folgen)

1989 (Chemie) Sidney Altman und Thomas R. Cech

Sie fanden heraus, dass die RNA katalytisch wirken und unter anderem andere RNA-Stränge zerteilen kann (auch hierzu demnächst mehr)

1997 (Chemie) Paul D. Boyer and John E. Walker

Sie beschrieben die enzymatischen Prozesse bei der Bildung von Adenosin-Triphosphat (ATP), einem wichtigen Energieüberträger im Körper.

2001 (Chemie) William S. Knowles and Ryoji Noyori; K. Barry Sharpless

Alle drei entwickelten Katalysatoren, mit denen Wasserstoff bzw. Sauerstoff gezielt asymmetrisch in Moleküle eingebaut werden können (auch etwas für eine der nächsten Folgen)

2007 (Chemie) Gerhard Ertl

Er untersuchte, was genau eigentlich an einer Katalysatoroberfläche passiert und legte damit einen Grundstein für die Modellierung von Katalysatoren.

2010 (Chemie)  Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki

Sie entwickelten Verfahren zur palladium-katalysierten Verknüpfung von Kohlenstoffatomen und ermöglichten so die Herstellung von großen, komplexen Molekülen

Auf den offiziellen Seiten des Nobelpreises findet man zu den Preisträgern und ihren Arbeiten viele gute Informationen (leider nur auf Englisch)

 


Katalytischer Kalender vom 17. August 2012

Katalyse ist überall...276px-2011_news_kiosk_Paris

Katalyse scheint ein beeindruckendes Konzept zu sein: Papierfabriken, Software, Private-Equity-Firmen, Musikprojekte - wer "Catalyst" bei Google eingibt, findet eine nahezu unendliche Ansammlung von "Katalysatoren" in unterschiedlichsten Branchen. Und was nicht alles sonst so katalysiert wird: Hier eine Sammlung von Schlagzeilen der letzten Wochen

 

Selbst die "Vogue" beschäftigt sich mit Katalysatoren:

Kunst als politischer Katalysator in der Galerie ŻAK

 

Dieser Interviewausschnitt aus dem Energy Report ist beim ersten Lesen sehr verwirrend...

TER: What trends are you seeing in catalysts versus share price movement?

JA: For the most part, the catalysts that move energy stocks the most are those that can show how well a prospect is going to perform for a company. Drilling announcements, especially if they are for test or exploratory wells, have an effect. […]
[http://feedproxy.google.com/~r/TheEnergyReport-ExclusiveFullArticles/~3/ghHIL7uoeDk/14023#ixzz22rxn2jQk]

... bis man herausfindet, dass "Katalysator" in der Finanzindustrie ein gängiger Begriff für singuläre Ereignisse ist, die den Aktienkurs signifikant beeinflussen. Im Zusammenhang mit Energieversorgern kann man aber schon mal falsche Schlüsse ziehen.

Insgesamt wird deutschsprachig übrigens deutlich weniger katalysiert als im englischsprachigen Internet: Die höchste Trefferquote haben in diesen Wochen Diebesbanden, die sich auf Autokatalysatoren spezialisiert haben.

[Bild: Florian Plag from Bretten via Wikicommons]


Katalytischer Kalender vom 10. August 2012

Enzym-Pionierarbeit für reine Wäsche

320px-Wäsche_auf_einer_LeineZum Wäschewaschen braucht man viel Kraft: Man muss kräftig rubbeln, kneten und reiben. Zumindest galt das bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts. Denn im Jahr 1914 brachte die Firma Röhm & Haas den Schmutzlöser "Burnus" auf den Markt. In diesem Produkt kamen erstmals Eiweiß spaltende Enzyme zum Einsatz, die aus tierischen Bauchspeicheldrüsen gewonnen wurden. Der Schmutzlöser zersetzte den eiweißhaltigen Schmutz in der Wäsche noch vor dem eigentlichen Waschgang. Denn aufgrund der hohen Temperaturen während des Waschens wurde das Eiweiß förmlich in die Wäsche eingebrannt und war dann nur noch mit viel Kraft und Seife zu entfernen. Die Wäsche wurde daher schon ein paar Stunden vorher mit dem Schmutzlöser Burnus eingeweicht und anschließend normal gewaschen.

Der Entwickler Otto Röhm hatte erstmals genauere Untersuchungen über die Schmutzarten auf der Wäsche durchgeführt und sein Produkt gezielt daraufhin entwickelt. Dennoch verlief die Markteinführung nicht so, wie es sich Röhm vorgestellt hatte. Das Problem waren die Enzyme: Während herkömmliches Waschmittel kräftig schäumte, verlief die Arbeit des Schmutzlösers völlig unspektakulär und unsichtbar. Daher scheuten viele Kunden zunächst den Kauf.

Abhilfe schaffte erst die Verknappung von Seife und Brennmaterial während des Kriegs, wodurch die Leute gezwungen waren, mit weniger Seife und bei niedrigeren Temperaturen zu waschen. Heute sind Enzyme wesentliche Bestandteile in fast allen Waschmitteln. Sie werden aber nicht mehr aus Bauchspeicheldrüsen gewonnen, sondern künstlich hergestellt.

Foto: 4028mdk09 via Wikimedia Commons


Katalytischer Kalender vom 3. August 2012

Fettfinger auf dem Display? Bald nicht mehr!Handabdruck

Über Photokatalyse hatten wir ja im Katalytischen Kalender schon einmal berichtet, aber diese Meldung wollten wir den Leserinnen und Lesern nicht vorenthalten: Nach Pflastersteinen, Dachziegeln und Abwasser sollen jetzt auch Handy-Displays photokatalytisch gereinigt werden. Lästige Fingerabdrücke sollen so wie von Zauberhand vom Display verschwinden.  Allerdings besteht noch etwas Forschungsbedarf hinsichtlich der Sonneneinstrahlung, die nötig ist, um diesen Effekt zu erreichen - denn wer will sein Smartphone schon stunden- oder tagelang in die pralle Sonne legen? Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik suchen deshalb nach effizienteren Photokatalysatoren, die auch bei kurzer Sonneneinstrahlung oder sogar bei künstlicher Beleuchtung genug Energie aufnehmen, um Fettreste zu zerlegen. Forscher aus zehn Fraunhofer-Instituten haben sich in der Fraunhofer-Allianz Photokatalyse zusammengeschlossen, um solche und ähnliche Fragestellungen zu bearbeiten. Wer weiß, vielleicht gibt's dann ja eines Tages auch eine App zur Bildschirmreinigung...

Mehr dazu:

http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2012/juli/sauber-durch-die-sonne.html


Katalytischer Kalender vom 27. Juli 2012

Haber & Bosch: Ein Duo mit großem Erfolg

85px-Carl_Boschimages

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein sehr bedeutendes katalytisches Verfahren zur Ammoniak-Synthese. 2007 lag die Weltproduktion bei 125 Millionen Tonnen (siehe dazu den Kalender-Eintrag vom 16. März 2012). Doch wer waren die Köpfe hinter diesem Verfahren?

Da war zum einem Fritz Haber (rechts, 1868-1934), der sich ab 1904 mit der katalytischen Bildung von Ammoniak befasste. Der deutsche Chemiker beantragte 1908 das Patent für ein "Verfahren zur synthetischen Darstellung von Ammoniak aus den Elementen". Als Haber schließlich bei der BASF als Mitarbeiter anfing und ihr das Patent zur wirtschaftlichen Verwertung überlies, begann er mit dem zweiten Kopf hinter dem Verfahren weiter zu forschen: Carl Bosch (links, 1874-1940). Bosch hatte von der BASF den Auftrag erhalten, das von Haber entwickelte Verfahren in einen industriellen Maßstab umzusetzen. 1910 ließen sich die beiden Chemiker das nach ihnen benannte Haber-Bosch-Verfahren schließlich patentieren. Bei dem Verfahren wird eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff an einem Eisenoxid-Mischkatalysator zur Reaktion gebracht. Bei etwa 300 bar Druck und 450 °C entsteht dann Ammoniak.

Noch im selben Jahr nahm der erste Versuchsreaktor zur Ammoniak-Produktion seinen Betrieb auf.


 

Katalytischer Kalender vom 20. Juli 2012

Ein bisschen vergiften

ToxicWer sich an die Einführung der Autokatalysatoren erinnert, erinnert sich vielleicht auch noch, dass bleifreies Benzin plötzlich sehr wichtig wurde. Vorher enthielt Benzin Tetraethylblei als Antiklopfmittel. Abgesehen von der Bleibelastung in der Umwelt waren die neuen Katalysatoren ein wesentlicher Grund, warum auf bleifreie Kraftstoffe ausgewichen werden musste; denn Blei ist ein sogenanntes Katalysatorgift.

Katalysatorgifte sind Stoffe, die sich an die aktiven Zentren der Katalysatoren anlagern, aber dort nicht zur Reaktion gebracht werden können. Sie "verstopfen" also die Andockstellen für die Moleküle, die eigentlich umgesetzt werden sollen. Zu den häufigsten Katalysatorgiften zählen neben Blei und anderen Schwermetallen Schwefelverbindungen. Das führt dazu, dass Schwefel für viele chemische Prozesse entfernt werden muss - sowohl bei der Herstellung von Produkten aus fossilen Quellen wie Erdöl als auch zum Beispiel aus Biogas, das häufig relativ hohe Schwefelkonzentrationen enthält. Diese Entschwefelung macht Prozesse aufwändig und teuer und sorgt dafür, dass die Chemiker sich um möglichst schwefelfreie Rohstoffquellen bemühen.

Es kann aber auch sinnvoll sein, einen Katalysator absichtlich zu vergiften - zum Beispiel dann, wenn er zwei aufeinanderfolgende Reaktionsschritte katalysieren könnte, man aber nur einen durchführen möchte. Ein sehr bekanntes Beispiel ist der "Lindlar-Katalysator". Dabei wird Palladium mit Blei teilweise "vergiftet"; der Katalysator befördert dann die Hydrierung von Dreifach- zu Zweifachbindungen, aber nicht mehr den eigentlich auch möglichen Schritt zur Einfachbindung.

Eine ganze Reihe von Medikamenten wirkt als "Katalysatorgift" auf Enzyme, in dem sie deren aktives Zentrum blockieren. Acetylcholinesterasehemmer blockieren die Acetylcholinesterase und sorgen so dafür, dass die Menge an Acetylcholin im Organismus bei verminderter Produktion trotzdem ausreichend bleibt - damit behandelt man Alzheimer. Weniger wünschenswert ist, dass viele Schwermetalle die aktiven Zentren von Enzymen besetzen und so als Gifte wirken, indem sie Prozesse im Körper lahm legen.
 


Katalytischer Kalender vom 13. Juli 2012

Osterhase (Urheber: Sundance Raphael)Katalytische Lyrik IV: à la Morgenstern

Hat der kleine Osterhase

nicht genügend Protease

verträgt er keine Ostereier.

Auweia!

 


Katalytischer Kalender vom 06. Juli 2012

Welche Farbe hätten Blue Jeans ohne Katalyse?

Wir haben uns ja vor ein paar Wochen schon mit dem Zufall als Katalysator der Katalyse beschäftigt. Dafür gibt es noch mehr Beispiele:160px-Jeans

Phthalsäureanhydrid ist ein wichtiger Grundstoff für die Herstellung von Farben, Pigmenten und Kunstharz - vor allem für das Indigo, das zum Färben von Stoffen benutzt wurde und wird, zum Beispiel für Jeans.

Ursprünglich wurde Phthalsäureanhydrid aus Naphthalen hergestellt, das mit recht aggressiven Methoden oxidiert wurde: zunächst wurde Salpetersäure verwendet, dann experimentierte man aus Kostengründen mit rauchender Schwefelsäure. Die gezielte Suche nach einem Katalysator blieb erfolglos, bis eines Tages eines der eingesetzten Thermometer zerbrach und Quecksilber in das Reaktionsgemisch floss. Schlagartig stieg die Ausbeute der Reaktion in diesem Kessel. Nähere Untersuchungen ergaben, dass es nicht das elementare Quecksilber war, das diesen Effekt auslöste, sondern das in der heißen Schwefelsäure entstandene Quecksilbersulfat. Ab 1897 wurde das Quecksilber-Oleum-Verfahren bei der BASF im großindustriellen Maßstab umgesetzt. Dafür war 17 Jahre lang geforscht und 18 Millionen Goldmark in die Entwicklung gesteckt worden!

Später wurde das Quecksilbersulfat durch Vanadiumoxid ersetzt. Heute setzt man ein anderes Verfahren zur Indigo-Herstellung ein, das sogenannte Heumann-Verfahren. Und dank der anhaltenden Popularität der Blue Jeans wird es bis heute produziert. Welche Farbe hätten die Jeans wohl, wäre damals nicht das Thermometer zu Bruch gegangen?

Quellen / Weiterführende Literatur:

http://www.welt.de/print-welt/article639263/Und-am-blauen-Montag-erschufen-sie-die-Koenigsfarbe.html

http://www.seilnacht.com/Lexikon/Indigo.htm

 


 

Katalytischer Kalender vom 29. Juni 2012

Aus der Forschung: Elektrizität aus Abwasser

320px-SE_DD_Bildergalerie_Klaerwerk_Kaditz_12Jährlich fallen in Deutschland knapp 10 Milliarden Kubikmeter Abwasser an - das entspricht ungefähr 5 Millionen Olympiaschwimmbecken. Das Abwasser wird in Kläranlagen aufbereitet, unter anderem von Mikroorganismen. Klingt da die Vorstellung nicht toll, dass man diese riesige Menge Wasser auch zur Stromerzeugung nutzen könnte? Ganz so ferne Zukunftsmusik ist das nicht mehr: Viele Forscherteams beschäftigen sich inzwischen mit der so genannten "Mikrobiellen Elektrokatalyse". Bereits im letzten Jahr haben Forscher der TU Braunschweig mit einem Modellreaktor gezeigt, dass das Prinzip funktionieren kann.

Dazu bedienten sie sich metallreduzierender Bakterien, die durch membranständige Proteine in der Lage sind, Elektronen aus dem Metabolismus von Mangan oder Eisenionen direkt an Elektroden abzugeben. Dadurch entsteht dann ein Stromfluss. Das funktioniert allerdings nur, wenn die Bakterien direkten Kontakt zur Elektrodenoberfläche haben, was die Herstellung von Elektroden mit großer Oberfläche nötig macht.

Mit der Modellanlage waren die Forscherteams immerhin schon in der Lage, eine Stromstärke von 30 Ampere pro Quadratmeter zu erzeugen - der stärkste jemals von Bakterien erzeugte Strom!

Abwässer sind ein sehr komplexes Gemisch, das mit klassischen metallbasierten Elektrokatalysatoren nicht genutzt werden könnte, da einige der Inhaltsstoffe Gift für die Elektroden wären. Zum Beispiel beeinträchtigt Schwefelwasserstoff die Funktionsweise von Edelmetallkatalysatoren enorm. Bereits seit über 100 Jahren beschäftigt man sich daher mit dem Thema. Erste Arbeiten zur Übertragung von Elektronen aus Bakterien auf Elektroden stammen schon aus dem Jahr 1911.

In der Zukunft könnten also die 9.933 Kläranlagen Deutschlands nebenbei auch noch Strom erzeugen.

Bild: Ein Kraftwerk? [Bildquelle Stadtentwässerung Dresden GmbH]


 

Katalytischer Kalender vom 22. Juni 2012

Katalyse im Alltag: Selbstreinigende Backöfen320px-Pepperoni_pizza

Naja, ganz selbstreinigend sind sie nicht - aber zumindest versprechen die Hersteller, dass der Ofen nach dem Pizzabacken ohne Schrubben wieder sauber wird.

Öfen, die mit Hilfe der Pyrolyse gereinigt werden, kennen die meisten. Der Ofen wird dabei auf ca. 500 °C aufgeheizt, so dass Fettreste und andere Verschmutzungen verascht werden; die Asche lässt sich dann recht einfach wegwischen. Der Vorgang dauert allerdings eine ganze Weile, und besonders energiesparend ist er auch nicht.

Deshalb sind einige Anbieter dazu übergegangen, ihre Backöfen mit Katalysatoren auszustatten. Dabei werden die Innenwände des Ofens mit einer Emaillierung oder einer Keramikbeschichtung ausgestattet. Darin sind Metalloxide eingelagert; schon bei normalen Backtemperaturen sorgen sie dafür, dass Fettspritzer und andere Verschmutzungen mit dem Luftsauerstoff reagieren und sich nicht festsetzen können. Allerdings muss man die Beschichtung sehr vorsichtig behandeln - scharfe Putzmittel oder ein harter Schwamm können die Emailschicht beschädigen, und dann ist es vorbei mit der eingebauten Haushaltshilfe.


Katalytischer Kalender vom 15. Juni 2012

Aus der Forschung: Zwangseinzelhaft für Gold-Atome

Gold-KatWie gut Stoffe als Katalysatoren wirken, hängt von ihrer Größe ab. Je weniger Einzelmoleküle zusammenhängen, desto höher ist die Wirkung. Daher versuchen Forscher, einzelne Atome auf Oberflächen zu fixieren. So auch Gold - Gold-Atome wollen aufgrund ihres Edelmetall-Charakters eigentlich nichts mit anderen Atomen zu tun haben, aber alleine bleiben wollen sie auch nicht. Daher schließen sie sich immer wieder zu winzigen Goldklümpchen zusammen, was es dann natürlich schwierig macht, die verbesserte Wirkung von Einzelatomen zu messen oder gar zu nutzen.

Bisher kannte man als Lösung dafür nur das Abkühlen auf sehr tiefe Temperaturen. Dann können sich die Atome weniger schnell bewegen und klumpen nicht so schnell zusammen. Das Problem ist aber: Es können sich bei diesen Temperaturen nicht nur die Gold-Atome nicht bewegen, sondern auch die an der Reaktion beteiligten Moleküle. Daher ist diese Lösung eher unpraktikabel.

Wie Forscher der TU Wien jetzt aber in den Physical Review Letters berichten, ist es ihnen gelungen, die partnersuchenden Gold-Atome voneinander zu trennen. Dazu verwenden sie eine Oberfläche aus Eisenoxid, auf der die Sauerstoffatome nicht ganz gleichmäßig angeordnet sind. Dadurch entstehen S-förmige Strukturen mit Bereichen, die weiter von einander entfernt und solche, wo die Sauerstoffatome sehr nah beieinander sind. Und genau an diesen Engstellen bleiben die einzelnen Gold-Atome dann hängen und können sich dort nicht mehr mit anderen Gold-Atomen verbinden. Sie sind als quasi zur Einsamkeit gezwungen. Verbinden sie sich vorher zu einem kleinen Klumpen, dann rollt dieser Klumpen einfach über die Oberfläche hinweg und bleibt nicht an den Engstellen haften - als würde man mit einem Fußball über ein Golf-Loch rollen.

Damit ist der Weg frei für die Untersuchung und Nutzung von Gold-Katalysatoren aus Einzelatomen.

Bild: Rastertunnelmikroskop-Bild der Eisenoberfläche mit einzelnen Goldatomen, TU Wien


Katalytischer Kalender vom 08. Juni 2012

Experimente für den Küchentisch: Der brennende Zuckerwürfel und eine offene Frage

Feuerfeste Schale

1 Stück Würfelzucker320px-Sugarcubes

Etwas Pflanzenasche

Streichhölzer

 

Lege den Würfelzucker in eine feuerfeste Schale und halte ein brennendes Streichholz daran. Was beobachtest Du?

Gib nun etwas Pflanzenasche auf den Zuckerwürfel und versuche nochmal, ihn anzuzünden. Was passiert jetzt?

Erklärung:

Würfelzucker brennt normalerweise nicht, wenn man ein Streichholz daran hält, weil die Aktivierungsenergie zu hoch ist. Die Pflanzenasche wirkt als Katalysator, der selbst nicht verbraucht wird, aber die Aktivierungsenergie soweit senkt, dass der Zucker entzündet werden kann.

Dies ist einer der bekanntesten Versuche zur Katalyse, den man mit wenig Aufwand zuhause durchführen kann. Interessanterweise scheint der Wirkungsmechanismus aber noch nicht wirklich verstanden zu sein. So halten einige Autoren Spuren von Eisen- oder anderen Übergangsmetall-Oxiden für den Katalysator, andere verweisen auf den Gehalt an basischen Salzen wie Pottasche [1].

Es gibt allerdings auch Stimmen, die sagen, dass hier gar kein katalytischer Effekt vorliegt, sondern die Asche lediglich dafür sorgt, dass sich die Oberfläche des geschmolzenen Zuckers so stark vergrößert, dass er verbrennt [2]. Demnach funktioniert der Versuch auch mit anderen Pulvern.

Kennen Sie eine neuere Publikation oder eine überzeugende Quelle für die Erklärung des Phänomens? Dann schreiben Sie uns:

 

[1] Géza Zemplén, Árpád Gerecs, Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series), 1935, 68 (11),p 2054-2059, DOI: 10.1002/cber.19350681118

[2] Douglas D. Smith, J. Chem. Educ., 1977, 54 (9),  p 552, DOI: 10.1021/ed054p552.1


Katalytischer Kalender vom 01. Juni 2012

Nachtrag zum Humphry Davy und der Grubenlampe

In der letzten Woche ging es hier im Katalytischen Kalender um Humphry Davy und seine Grubenlampe, bei deren Entwicklung er nebenbei entdeckte, dass Platin Gase zur Reaktion bringen kann, ohne selbst zu reagieren.

Professor Martyn Poliakoff von der University of Nottingham ist ein wahrer "Chemie-Guru" und Protagonist des "Periodic Table of Videos", in dem sich, nebenbei bemerkt, einige sehr schöne Filme zu Katalyse-Metallen befinden. Er hat auch einen Kurzfilm über die Davy-Grubenlampe gemacht, in dem er ihre Funktionsweise erklärt:



Katalytischer Kalender vom 25. Mai 2012

Humphry Davy - "Urvater" der Katalytiker

Berzelius, Ostwald, Haber, Bosch - alle schon mal gehört. Aber kennen Sie Sir Humphrey Davy?

Er war nicht nur derjenige, der Anfang des 19. Jahrhunderts erstmals eine ganze Reihe von Erdalkali- und Alkalimetallen isolierte, sondern auch der Erste, der entdeckte, dass Gase an einer Metalloberfläche reagieren können, ohne dass sich dabei die Metalloberfläche verändert.

Davys eigentliche Absicht war eine ganz praktische: In den englischen Kohlegruben des späten 18. und frühen 19. Jahrhunderts kam es immer wieder zu schweren Explosionen, wenn austretendes Grubengas sich an den Lampen der Bergleute entzündete. Davy arbeitete deshalb an der Entwicklung einer explosionssicheren Lampe, die solche Unfälle verhindern sollte. Dafür experimentierte er mit verschiedenen Metallen und netzartigen Abschirmungen der Flammen. Bei diesen Versuchen machte er die Beobachtung: "When a large cage of wire of platinum is introduced into a very small safe lamp, even explosive mixtures of fire-damp are burnt without flame; and by placing any cage of platinum in thStephenson-safety-lampe bottom of the wick, the wire is prevented from being smoked." Davy verfolgte dieses Phänomen aber nicht allzu intensiv weiter; er entwickelte eine Grubenlampe, in der ein Eisendrahtnetz die Wärme der Flamme ableitet und so verhindert, dass Grubengas entzündet wird. Später entwickelte er einen frühen Vorläufer der Glühlampe, in dem er Strom durch einen Platindraht leitete und diesen damit zum Glühen brachte.

Davy gehörte einer Generation von Chemikern an, die aus heutiger Sicht sehr leichtsinning erscheinen. Bei seinen Studien mit Gasen testete er unter anderem auch, wie sie beim Einatmen wirkten, und zog sich dabei mehrfach Verätzung zu bzw. brachte sich teilweise in Lebensgefahr.  Unter anderem entdeckte er auf diese Weise auch die narkotisierende Wirkung von Lachgas. Seiner Gesundheit bekamen die Selbstversuche nicht gut; Humphry Davy starb 1829 im Alter von 51 Jahren. Seine Studien mit Platin und Wasserstoff setzte unter anderem Johann Döbereiner fort. 

Bild: Safety lamp invented by George Stephenson in 1815

for use in mines, with a Davy Lamp on the left, invented in the same year.



Katalytischer Kalender vom 18. Mai 2012

320px-Brienzersee_Sonne_Berge_Berneroberland-Interlaken

Nicht nur sauber, sondern rein

Mehrere 10.000 Chemikalien sind täglich im Gebrauch. Dazu zählen auch viele komplex aufgebaute organische Verbindungen, z.B. Wirkstoffe aus Medikamenten. Viele davon sind biologisch schlecht abbaubar und werden mit herkömmlichen Verfahren in der Kläranlage nicht entfernt. Eine Möglichkeit, solchen Spurenstoffen zu Leibe zu rücken, ist die photokatalytische Abwasserreinigung. Im Idealfall genügen ein geeigneter Photokatalysator und das Sonnenlicht - darüber hinaus werden weder Chemikalien noch Energie benötigt.

Als Katalysatoren kommen zum Beispiel Eisenverbindungen oder Titandioxid zum Einsatz. Unter Lichteinwirkung  bilden sich an der Katalysatoroberfläche aus gebundenen Wasser- und Sauerstoffmolekülen Hydroxyl- und Perhydroxyl-Radikale. Das sind sozusagen unvollständige Molekülbruchstücke, die sehr reaktionsfreudig sind und besonders organisch Verbindungen angreifen. Die großen organischen Moleküle werden durch die Reaktionen mit den Radikalen in kleinere Bruchstücke zerlegt, die in der Regel keine nachteiligen Wirkungen mehr haben und von Mikroorganismen leichter weiter abgebaut werden können.

Moderne Photokatalysatoren benötigen dafür nicht nur UV-Licht, sondern können auch mit sichtbarem Licht arbeiten. Geeignete Farbstoffe sorgen dafür, dass eine möglichst große Bandbreite an Wellenlängen genutzt wird. Ist der Photokatalysator dann noch auf einer Oberfläche fixiert, so dass er anschließend nicht extra abgetrennt werden muss, hat man ein effizientes und umweltfreundliches Abwasserreinigungssystem. Funktioniert übrigens auch zur Reinigung von Dachziegeln und Pflastersteinen!

Hier erfährt man mehr darüber.


Katalytischer Kalender vom 11. Mai 2012

Katalytische Lyrik III - Katalytisches Sonett

Moritz,_Marie_Elisabeth_009_Spreewald_im_Frühling Ein Enzym ist doch ein wunderbares Ding,
das vielfach nützlich sich gestaltet,
denn wo sein sanfter Segen waltet,
bewirkt es, was sonst kaum gelingt.

Verdauen hilft es Bier und Schweinebraten,
die Wäsche reinigt es von vielem Schmutz,
vor mancher Krankheit bietet es uns Schutz
in einer von Millionen Arten.

Zu heiß sollt' es ihm niemals werden,
auch Säure führt schnell zu Beschwerden,
dann kringelt sich's verkehrtrum ein.

Drum muss man's pfleglich stets behandeln,
sonst wird sich's unumkehrbar wandeln
und stellt die Arbeit völlig ein.

 


Katalytischer Kalender vom 4. Mai 2012

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Das Enzym, das aus der Kälte kam

Dass manche Enzyme bei erstaunlich hohen Temperaturen noch arbeiten, haben wir schon einmal erwähnt. Der Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. stellt in seinem aktuellen Projekt des Monats nun Enzyme vor, die in der Kälte aktiv sind. Sie stammen aus einem Bakterium, das im Polarmeer lebt, und schätzen Temperaturen zwischen 5 und 20°C. Für die Ernährungsindustrie sind sie interessant, weil sie das Chitin in den Zellwänden von Schimmelpilzen auflösen können. So verhindern sie das Wachstum von Schimmelpilzen bei Raumtemperatur und sogar im Kühlschrank. Solche Chitinasen verändern die Qualität und den Geschmack des Lebensmittels nicht und sind gesundheitlich weitgehend unbedenklich.

Eine ausführliche Beschreibung des laufenden Projekts gibt es hier


 

Katalytischer Kalender vom 27. April 2012

Wilhelm Ostwald: Katalytiker, Universalgelehrter, Visionär

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Ostwald? Ach ja, ein Leipziger Physikochemiker, bekam 1909 den Nobelpreis für seine Forschungen zur Katalyse.
Viele andere Fakten aus Ostwalds Leben sind allerdings weniger bekannt: So war Ostwald 1905 der erste "Austauschprofessor" und verbrachte ein halbes Jahr in Harvard. Auch beschäftigte er sich keineswegs nur mit physikalischer Chemie; seine Interessengebiete waren im Gegenteil außerordentlich breit gestreut. Er interessierte sich für Philosophie und war der Ansicht, dass die Energie die Grundlage aller Dinge ist, mit der sich alle Wissenschaften erklären lassen. Er engagierte sich für die bessere internationale Vernetzung der Wissenschaften und betrieb die Einrichtung einer "Plansprache" zur besseren weltweiten Verständigung. Auch malte er und beschäftigte sich mit Farbenlehre. Schon 1911 schrieb er ein Buch über die Bedeutung der Sonnenenergie und deren mögliche Nutzung.
1909 veröffentlichte Ostwald seinen Aufsatz "Wider das Schulelend". Darin prangerte er die bis dahin unternommenen Versuche einer Schulreform an und benannte die "beiden großen Sonnen des Erziehungswesens der Zukunft, die da heißen: Wissenschaft und Liebe. Wissenschaft von den Kindern und Liebe zu ihnen." Er nennt Kindergarten und Universität in Deutschland als Beispiele, wo diese Kombination gelingt, und schreibt im Weiteren: "Die Schule, insbesondere die mittlere Schule, geht nicht so mit den Energien unserer Kinder um, daß diese sich steigern, wie es ihrem Alter entspricht, sondern so, daß sie frühzeitig erschöpft werden." Ostwald plädiert für eine Orientierung an Idealen, die der jeweiligen Zeit entsprechen, anstelle von rückwärtsgewandten Ideen. Er fordert weiterhin die Abkehr von einer gleichförmigen Ausbildung und regt stattdessen an, jeden nach seinen Begabungen zu fördern. Ein erstaunlich moderner Text!
Der Text im Original ist hier zu finden.


Katalytischer Kalender vom 20. April 2012

Verarbeiten statt Abfackeln: Umwandlung von Erdgas in Ethylen

Haben Sie sich auch schon einmal gefragt, ob die großen Erdgasfackeln an Ölfeldern wirklich sein müssen? Erdgas ist doch ein wertvoller Rohstoff. Diese Gedanken haben sich auch die Forscher des Berliner Exzellenzclusters UniCat ("Unifying Concepts in Catalysis") gemacht und ein Projekt zu katalytischen Umwandlung von Methan zu Ethylen ins Leben gerufen. In diesem Film wird es vorgestellt.

 


Katalytischer Kalender vom 13. April 2012

Katalyse im Alltag: Kontaktlinsenreiniger

Kontaktlinsen sind praktische kleine Helfer: Im Gegensatz zur Brille beschlagen sie nicht, beim Sport bleiben sie an ihrem Platz, und verschmieren tun sie auch nicht. Halt, doch, verschmieren können sie: Wenn man die Kontaktlinsen trägt, entstehen auf ihnen milchige Ablagerungen  - man sieht es deutlich, wenn man die Linsen aus den Augen nimmt. Dabei handelt es sich um Proteine, die schnell denaturieren und einen unlöslichen Film bilden. Wenn sie nicht entfernt werden, schädigen sie die Kontaktlinsen und langfristig auch die Augen.

Um sie gründlich zu entfernen, reichen die traditionellen Wasserstoffperoxidreiniger nicht aus. Auch Komplexbildner, die in anderen Reinigungslösungen enthalten sind, beseitigen die Ablagerungen nicht vollständig. Deshalb setzen moderne Kontaktlinsenreiniger auf Enzyme. Sogenannte Proteasen spalten Eiweiße; manche Vertreter dieser Gattung zielen dabei nur auf ganz bestimmte Aminosäure-Verknüpfungen in der Proteinkette, andere zerschnippeln einfach alles, was ihnen vor das aktive Zentrum kommt. Gerade diese sind für die Kontaktlinsenreinigung besonders geeignet, denn dort geht es darum, die Eiweiße in möglichst kleine Stücke zu zerlegen, damit sie von der Oberfläche abgespült werden können. Leider kann man die  Enzyme nicht einfach mit in den Standardreiniger packen, dafür sind sie zu empfindlich; sie werden deshalb in speziellen Zusatzlösungen oder in Form von Tabletten angeboten.

Einen ausführlichen Artikel über Kontaktlinsen und die richtige Reinigung gibt es hier:                             

http://portal.uni-freiburg.de/janiak/veroffentlichungen/pdf/pdf106

 


Katalytischer Kalender vom 30. März 2012

Experimente für den Küchentisch: Katalase

Man braucht:320px-Ipomoea_batatas_006
1 rohe Kartoffel
1 gekochte Kartoffel
1 Messer
Wasserstoffperoxid-Lösung (Achtung ätzend - Schutzbrille tragen)
1 flache Schale oder kleine Glasschüssel

Schneide ein Stück von der rohen Kartoffel ab, lege sie in die flache Schale und tropfe etwas Wasserstoffperoxid-Lösung darauf. Was passiert?
Wiederhole das Experiment mit der gekochten Kartoffel. Was passiert?

Erklärung:
Wenn das Wasserstoffperoxid mit der rohen Kartoffel in Kontakt kommt, entstehen Gasbläschen. Rohe Kartoffeln enthalten Enzyme, unter anderem Katalase. Katalase katalysiert die Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff - das ist das Gas, das in den kleinen Gasbläschen sichtbar wird.
Katalase ist in praktisch allen Lebewesen, die Sauerstoff atmen, enthalten, denn bei den Oxidationsprozessen im Körper kann Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt entstehen, und das ist für Zellen giftig. Die Katalase ist eines der wirksamsten Enzyme, das bisher gefunden wurde.
Wenn die gekochte Kartoffel in Kontakt mit Wasserstoffperoxid-Lösung kommt, passiert nichts. Enzyme wie die Katalyse Katalase sind Proteine, und die meisten Proteine denaturieren bei höheren Temperaturen, das heißt, ihre Struktur verändert sich so, dass sie ihre Wirkung verlieren (Ausnahmen bestätigen die Regel, s. Katalytischer Kalender vom 27. Januar). In der gekochten Kartoffel ist genau dies mit der Katalase geschehen, und die Zersetzung des Wasserstoffperoxids wird nicht katalysiert; es kommt zu keiner sichtbaren Reaktion.

Wer jetzt noch weiter experimentieren möchte, kann den gleichen Versuch auch noch mal mit geriebener Kartoffel oder einem Stück roher Leber durchführen.

Bild: Llez via Wikicommons


Katalytischer Kalender vom 23. März 2012

Auf der Suche nach dem ultimativen Katalysator: Der "Stein der Weisen"

Hennig_Brand_(Joseph_Wright)Bevor es die moderne Chemie gab, beschäftigten sich Alchemisten mit dem Wesen der Stoffe und damit, "was die Welt im  Innersten zusammenhält". Aber entgegen der Vorstellung von schummrigen Kellern und dampfenden Kesseln, in die halb wahnsinnige Zottelbärte seltsame Ingredientien werfen,  verbirgt sich hinter dem Begriff Alchemie ein umfassendes Theoriegebäude, in dem Naturwissenschaft, Philosophie und - zumindest aus heutiger Sicht - Esoterik zusammenfließen. Die Herstellung von Gold war dabei nur ein Nebenaspekt, der allerdings viele Quacksalber und Betrüger auf den Plan rief, die bis heute das Bild der Alchemie prägen.
Eine Grundlehre der Alchemie war die Auffassung, dass alle Stoffe aus einer Ursubstanz, der "prima materia" bestehen, die an sich eigenschaftslos ist. Erst durch die Übertragung von "Prinzipien" entstünden daraus verschiedene Substanzen. Mit "unedlen Prinzipien" versehen, bekommt man unedle Stoffe (zum Beispiel Blei), mit "edlen Prinzipien" edle Stoffe, also Gold. Indem man die Prinzipien austauscht, sollte man also einen Stoff in einen anderen umwandeln können. Auch in der Natur, so dachte man, wandeln sich unedle Stoffe ganz allmählich in edlere um.
Der "Stein der Weisen", nachdem die Alchemisten forschten, sollte diesen Vorgang beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht oder verändert zu werden. Klingt diese Beschreibung nicht bekannt? So gesehen entsprach die Vorstellung des Steins der Weisen einem sehr frühen Bild eines Katalysators.
Erst im 18. und 19. Jahrhundert, nicht zuletzt dank verbesserter Messmethoden, entwickelte sich ein Verständnis für den Aufbau der Stoffe, das letztlich in die moderne Chemie mündete.

Eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem Stein der Weisen, der Katalyse und dem Verhältnis zwischen Alchemie und Chemie gibt es hier

Bild: Joseph Wright of Derby [Public domain], via Wikimedia Commons

 


Katalytischer Kalender vom 16. März 2012

Katalyse in Zahlen ... ein echter WirtschaftsfaktorBUS0098B

  • Nach Schätzungen verlaufen ca. 85 - 90 % aller chemischen Prozesse unter Einsatz eines Katalysators.
  • 1991 wurden weltweit 2,4 Milliarden kg Katalysatoren in Raffinerien und petrochemischen Prozessen eingesetzt, 110 Millionen kg in der chemischen Industrie und 650 Millionen kg für Umweltschutztechnik. Von den Katalysatoren in der chemischen Industrie wurden 44,3% für die Herstellung von Polymeren genutzt. [Considine, Douglas M. und Glenn D.: Van Nostrand's Scientific Encyclopedia, 9th edition, Wiley 2002, Band 1, S. 653]

 


Katalytischer Kalender vom 9. März 2012

Der Zufall als Katalysator…

320px-Polyacetylene-3D-ballskann einem den Chemie-Nobelpreis einbringen.  So geschah es dem Nobelpreisgewinner von 2000, Hideki Shirakawa. In den 70er Jahren beschäftigte er sich damit, Polyacetylen herzustellen, um die Wirkungsweise von Ziegler-Natta-Katalysatoren besser zu verstehen. Ziegler-Natta-Katalysatoren sind eine Gruppe von metallorganischen Katalysatoren, die bei der Herstellung von Polymeren, also langen Ketten aus organischen Molekülen, eingesetzt werden.

Das Polyacetylen, das üblicherweise bei Shirakawas Versuchen herauskam, war ein schwarzes Pulver. Doch eines Tages versuchte sich ein Gastwissenschaftler an der Reaktion - und erhielt statt des gewohnten schwarzen Pulvers einen silbrigen Film. Shirawaka war fasziniert - was war geschehen? Er wiederholte das Experiment unter verschiedensten Bedingungen und stellte schließlich fest, dass das Produkt je nach Katalysatormenge unterschiedlich aussah. Der Gastwissenschaftler hatte versehentlich die tausendfache Menge an Katalysator in den Kolben gegeben! Normalerweise war viel weniger Katalysatormaterial in der Reaktion; die Acetylen-Moleküle mussten also "Schlange stehen" und wurden nach und nach umgesetzt. Shirakawa verwendete einen Katalysator, der gut in organischen Lösungsmitteln löslich war. Dadurch, dass nun soviel Katalysator vorhanden war, lief die Reaktion nicht nach und nach ab, sondern so schnell, dass das eingeleitete Acetylen-Gas sich auf einen Schlag als Polymerfilm auf der Oberfläche der Lösung mit dem Katalysator niederschlug. Obwohl der Katalysator also selbst nicht verbraucht wird und ein Katalysatormolekül viele, viele Moleküle bei der Reaktion begleiten kann, ist es nicht egal, wie viel Katalysator in einer Reaktion vorhanden ist.

Den Nobelpreis erhielten Shirakawa und zwei Kollegen schließlich für ihre Untersuchungen zur Leitfähigkeit und die Herstellung von Halbleitern auf Polyacetylenbasis. Der Anfang der Geschichte ist vielleicht ein Trost für viele Studenten und Doktoranden, deren Rechenfehler nicht in einen Nobelpreis mündeten - auch so kann's gehen!

Mehr über Hideki Shirakwa und seinen Nobelpreis

 


Katalytischer Kalender vom 2. März 2012

Katalytische Lyrik II - Der Katalyse-Schlager

(zu singen auf die Melodie von "Zwei kleine Italiener")

Zwei Katalysatoren,
im Stahltank da wohnen sie,
und spar'n bei Reaktionen
ganz furchtbar viel Energie.

Die Moleküle kommen
und gehen vorbei.
Doch die Katalysatoren
sind gebunden und nicht frei.
Müssen im Reaktor bleiben,
bis die Lebenszeit vorbei.

Palladium und Platin,
müsst stille eure Arbeit tun
Rhodium und Nickel,
und dürft niemals ruhn!

Die Katalysatoren,
sie träumen von Polymern,
von Diesel und Tabletten,
das würden sie auch so gern.

Produkte fließen weiter,
fast schon um die Wett'.
Eine Reise dort nach draußen
Ach, das wäre schön und nett.
Doch die Katalysatoren
haften am Reaktorbett.

Zink, Tantal und Eisen
Schieben unsre Wirtschaft an
Weil man ohne Kat kaum
produzieren kann.

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Bild: © annette shaff - Fotolia


Katalytischer Kalender vom 24. Februar 2012

Der Autoabgaskatalysator - Fünf Fußballfelder voller Platin

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 Das, was der normale Mensch unter Katalysator versteht, ist eigentlich nur ein kleiner Teil des katalytischen Konverters. Der sorgt dafür, dass die Schadstoffbelastung von Fahrzeugabgasen drastisch reduziert wird. Der Konverter besteht im wesentlichen aus einem keramischen Träger mit Wabenstruktur. Darauf wird der Washcoat aufgetragen, eine poröse Schicht, die vor allem die Oberfläche erhöhen soll. Und darauf schließlich ist die eigentliche Katalysatorschicht aus Platin, Palladium und Rhodium - 2 bis 3 Gramm Edelmetall verteilt auf die Fläche von rund 5 Fußballfeldern!

Der Katalysator sorgt im Fahrzeug dafür, dass Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid vollständig zu CO2 und Wasser verbrannt werden. Stickoxide dagegen werden mit Hilfe von Kohlenmonoxid zu Stickstoff reduziert.
1984 wurden Katalysatoren in Deutschland eingeführt. Voraussetzung dafür war das bleifreie Benzin, denn Blei "vergiftet" die Katalysatoren und macht sie unbrauchbar. Ähnlich wie beim Biosprit waren die Vorbehalte anfangs groß - kann ein Motor mit sowas überhaupt umgehen? Nun, die Motoren konnten, und die ersten Katalysatoren rollten über Deutschlands Straßen. Anfangs waren das relativ simple Geräte, und was sie an Schadstoffen umsetzten, war mehr oder weniger vom Zufall abhängig.
Moderne Dreiwegekatalysatoren beseitigen mehr als 95 % der schädlichen Emissionen. Bei der Anordnung im Fahrzeug wird darauf geachtet, dass der Katalysator möglichst schnell hochgeheizt wird, denn erst bei etwa 500°C arbeitet er optimal. Eine ganze Menge High-Tech also, die wir da spazieren fahren!

Mehr dazu und viele Links

 


Katalytischer Kalender vom 17. Februar 2012

Döbereiner und das Platin

9 Döbereiner"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

  • 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.
  • 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!