Katalysatoren in der Chemie

Was sind Katalysatoren?

Katalysatoren sind definiert als: „Stoffe, welche die Geschwindigkeit eines Prozesses erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden und ohne die thermodynamische Lage zu verändern“. Sie ermöglichen die einfachere, selektivere und effizientere Umsetzung von Stoffen. Katalysatoren haben einen sehr großen Wert, da sie eine Vielzahl von chemischen Prozessen kostengünstiger und Energieeffizienter machen.

Seit wann wird die Katalyse benutzt, und für was?

Die Katalyse wird schon seit 6000 v. Chr. angewandt; dabei wurde hauptsächlich Ethanol und Essigsäure hergestellt. Im 18. und 19. Jahrhundert begannen Chemiker und Physiker die katalytischen Eigenschaften von Stoffen zu entdecken, zu beschreiben und versuchen diese zu erklären.

1781 entdeckte Antoine-Augustin Permentier die Stärkespaltung zu Zucker. Dersomes und Clement erfanden 1806 das Bleikammerverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure. 1835 beschreib Berzelius erstmal die Katalyse, und im Jahr 1894 verfasste Wilhelm Ostwald die heutige Definition von Katalyse und Katalysator.

Im Jahr 1823 entdeckte Johann Wolfgang Döbereiner, dass sich Wasserstoffgas in Gegenwart von Sauerstoff und fein verteiltem Platin selbst entzündet. Dieses Verhalten verwendete er für einen der ersten haushaltsüblichen Katalyse Prozessen, das sogenannte Döbereiner-Feuerzeug, welches bis Mitte des 19. Jahrhunderts verwendet wurde.

1901 entdeckte Wilhelm Norman die Fetthärtung mittels Nickel, wodurch schon 1909 große Mengen von rund 100 Tonnen Walöl, wöchentlich zu Speisefetten verarbeitet wurden.

1910 erfanden die Wissenschaftler Fritz Haber, Carl Bosch und Paul Alwin Mittasch die Ammoniak-Synthese aus seinen Elementen, Stickstoff und Wasserstoff, an einem Eisen-Katalysator. Darauf baute Wilhelm Ostwald auf, und entwickelte das Ostwald-Verfahren. Dabei wird Ammoniak zu Salpetersäure oxidiert. Diese Erfindung machte die verfügbare Menge an Nitratdünger wesentlich Zugänglicher und Günstiger.

Katalyse wird heutzutage für unzählige Prozesse angewandt, so beispielsweise in der Petrochemie, der Kunststoffindustrie, der Lebensmittelindustrie und der Pharmazie.

Jedes Auto besitzt einen Fahrzeugkatalysator, welcher die Abgase des Fahrzeuges wesentlich umweltfreundlicher macht. Diese Katalysatoren bestehen hauptsächlich aus Platin, Palladium oder Rhodium.

Wie funktioniert Katalyse?

Katalyse kann auf unterschiedliche Weisen ablaufen, dabei wird das Edukt entweder durch Metalle oder durch Heteroatome in Kohlenwasserstoffgerüsten umgewandelt. Jeder Organismus verwendet Biokatalyse. So z.B. bei der menschlichen Atmung, oder bei der Photosynthese von Pflanzen. Dies wird durch Enzyme bewerkstelligt, welche entweder Aminosäuren oder komplexierte Metalle als sogenanntes „aktives Zentrum“ besitzen.

Hierbei kommt es bei den Metallen besonders darauf an, dass Übergangsmetalle sogenannte d-Orbitale besitzen. Diese ermöglichen es, viele Reaktionen einzugehen und Wechselwirkungen auszuüben. Bei reinen Metallen kommt es besonders auf die Konfiguration dieser Orbitale, und auf die Oberfläche, auf welcher das Edukt adsorbiert wird, an.

Die katalytischen Eigenschaften von Metallen können durch unterschiedliche Verbindungen und Liganden stark beeinflusst werden.

Die d-Orbitale erlauben Stoffen Übergangszustände mit den Metallen zu bilden, aus welchen, im richtigen Umfeld, bei richtigen Bedingungen, Veränderungen des Stoffes auftreten. Wichtig ist hierbei, dass nur bereits ablaufende Prozesse beschleunigt, nicht aber gänzlich neue Prozesse ermöglicht, werden.

So findet die Reaktion von Zuckern zu Ethanol grundsätzlich statt, wird von Pilzen jedoch erheblich beschleunigt.

Was hat Katalyse mit Umwelt zu tun?

Katalysatoren können Prozesse ökonomischer machen, indem sie etwa die Prozessbedingungen und somit den technischen und werklichen Aufwand verringern, bzw. den Energiebedarf des Prozesses senken.

Sie können ebenfalls benutzt werden, um u.a. umweltgefährdende oder toxische Stoffe unschädlich zu machen.

Effizientere und selektivere Katalysatoren können Ausbeuten erhöhen und damit teure Ressourcen zugänglicher und günstiger machen.

Sind Katalysatoren selbst auch umweltfreundlich?

Hier gibt es einige Probleme, welche behandelt werden müssen, da besonders Schwermetalle bzw. deren Salze und Komplexe toxisch wirken.

Viele Katalysatoren haben zudem Liganden, welche ebenfalls giftig sind. Sehr feine Metallpulver, wie Nickel, Platin oder Eisen sind pyrophor, d.h. sie können sich leicht selbst entzünden, und stellen somit eine große Brandgefahr dar.

Eine unkontrollierte Form des Döbereiner-Feuerzeuges könnte somit z.B. einen Brand oder sogar eine Knallgas-Explosion erzeugen.

Generell forschen Wissenschaftler an vielen unterschiedlichen Katalysatoren, darunter auch umweltfreundlichere Alternativen. So beispielsweise Katalysatoren aus Abfallprodukten, oder grundsätzlich besser bekömmliche Substanzen.

Wird Katalyse auch für die Kosmetik eingesetzt?

Viele kosmetische Rohstoffe werden direkt durch Katalyse hergestellt. So z.B.

• Die Fetthärtung, von Ölen; z.B. Olivenbutter aus Olivenöl
• Die Veresterung, von Säuren und Alkoholen zu organischen Estern.
• Die biokatalytische Herstellung von u.a. Ethanol, Milchsäure oder Xanthan

Oder haben in ihrem Herstellungsprozess einen Stoff, welcher durch Katalyse gewonnen wurde. So z.B.

• Ammoniak in Ammonium-haltigen Tensiden (Polyquaternium, Cholin und Betain)
• Biotechnisch gewonnene Zitronensäure für Citrat-Ester (GSC)

Es lässt sich festhalten, dass Katalysatoren unzählige und unerlässliche Aufgaben bewältigen. Als umfangreiches Werkzeug der Wissenschaft und Industrie kommen mehr und mehr Anwendungsbereiche, und Entdeckungen in diesen voran, was die Chemie grüner, die Kosmetik nachhaltiger, und die Industrie umweltschonender macht; wenn auch nur in kleinen Schritten.