Direkt zum Inhalt

Lexikon der Chemie: Tribochemie

Tribochemie, ein Spezialgebiet der physikalischen Chemie, das sich mit den aus der Einwirkung mechanischer Energie auf Festkörper resultierenden chem. Veränderungen und Umsetzungen beschäftigt. Der Begriff T. ist dem allgemeineren Begriff der Mechanochemie untergeordnet, der der Kennzeichnung chem. Effekte unter dem Einfluß mechanischer Einwirkung auf beliebige Systeme, also auch Flüssigkeiten und Gase, dient.

Die Übertragung der mechanischen Energie kann durch eine Impulseinwirkung erfolgen, z. B. durch Stoß, Aufprall von festen Teilchen, Gas- oder Flüssigkeitsstrahlen oder durch Einwirkung von Zug- und Druckkräften, z. B. beim Reiben, Mahlen oder Ritzen. Dabei findet eine Vielzahl physikalisch-chem. Elementar-, Mikro- und Makroprozesse statt, die zu Veränderungen in der Struktur, in den physikalischen Eigenschaften und in der Reaktionsfähigkeit der Festkörper führen. Nach dem Tribo-Plasma-Modell tritt im Moment des mechanischen Eingriffs in submikroskopischen Bereichen ein Energiestau mit lokalen Temperaturen von 105 bis 106 K auf, der zur Ausbildung eines sehr kurzlebigen (= 10-7 s) plasmaähnlichen Zustandes führt. Dieser hochangeregte Energiezustand, der durch abgelöste, weitgehend dissoziierte Gitterbausteine und eine hohe Reaktivität gekennzeichnet ist, kann z. B. durch Untersuchung des Elektronenaustritts und von Lichterscheinungen (Tribolumineszenz) sowie durch morphologische Untersuchungen charakterisiert werden. Als Anregungszustände von sehr langer Lebensdauer (10-3 bis 106 s) verbleiben im Festkörper verschiedenartigste Kristallbaufehler, die gleichfalls zu seiner erhöhten Reaktivität beitragen. Die mechanisch induzierten Fehlordnungen könne sich in Abhängigkeit vom Bearbeitungsmechanismus entweder über das gesamte Volumen erstrecken oder auf die Oberfläche des Festkörpers konzentrieren. Die erhöhte chem. Reaktionsfähigkeit mechanisch aktivierter Festkörper läßt sich grundsätzlich auf zwei verschiedenen Wegen nutzen: Der Festkörper wird entweder nach Abschluß der mechanischen Behandlung mit anderen Stoffen zur Reaktion gebracht (statische Aktivierung), oder die Reaktionspartner sind bereits während der Aktivierung zugegen (dynamische Aktivierung). Bei der wesentlich wirkungsvolleren dynamische Aktivierung tragen neben der Vergrößerung und Strukturänderung der Oberflächen sowie der starken Gitterstörung vor allem die höheren Anregungszustände zur Erhöhung der freien Energie und damit der Aktivität des Festkörpers bei.

Tribochem. Reaktionen gehorchen teilweise anderen Gesetzmäßigkeiten als thermisch angeregte Umsetzungen. So ist z. B. ihre Geschwindigkeit weitgehend unabhängig von der Temperatur, aber direkt proportional der Intensität der mechanischen Aktivierung. Ein Beispiel für die Reaktionsbeschleunigung durch tribomechanische Aktivierung bildet die Darstellung von Nickeltetracarbonyl Ni(CO)4 aus Nickelpulver und Kohlenmonoxid nach dem Mond-Langer-Verfahren. Sie findet unter Verwendung einer Schwingmühle als Triboreaktor bereits bei Zimmertemperatur und mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit als bei dem thermisch geführten Verfahren (320 bis 350 K) statt. Bei Stoßbearbeitung lassen sich Reaktionen unter Normalbedingungen durchführen, die sonst nur bei hohen Temperaturen ablaufen, z. B. die Bildung von Methan aus den Elementen, sowie bei hohen Drücken, z. B. die Bildung von Molybdänhexacarbonyl Mo(CO)6 aus Molybdän und Kohlenmonoxid. Aber auch der Ablauf von Reaktionen mit positiver freier Reaktionsenthalpie, die nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht freiwillig ablaufen dürften, z. B. die Hydrierung von Siliciumcarbid unter Bildung von Methan und Silicium, kann tribochemisch durch die Zuführung von freier Energie beim Bearbeitungsprozeß erzwungen werden.

Die T. besitzt eine beträchtliche praktische und technische Bedeutung. Bereits seit längerem wird die mechanische Aktivierung von Festkörpern zur Senkung von Reaktions- und Sintertemperaturen bei Festkörperreaktionen durchgeführt, z. B. in der Zement- und Keramikindustrie, beim Kalkbrennen und bei der Reduktion von Metalloxiden in technischem Maßstab. Die Wirksamkeit heterogener Katalysatoren kann ebenso wie die Lösegeschwindigkeit vieler Stoffe durch mechanische Vorbehandlung beträchtlich gesteigert werden. Eine ganz wesentliche Rolle spielen tribochem. Reaktionen bei Reibungs- und Schmierungsprozessen.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren
Dr. Andrea Acker, Leipzig
Prof. Dr. Heinrich Bremer, Berlin
Prof. Dr. Walter Dannecker, Hamburg
Prof. Dr. Hans-Günther Däßler, Freital
Dr. Claus-Stefan Dreier, Hamburg
Dr. Ulrich H. Engelhardt, Braunschweig
Dr. Andreas Fath, Heidelberg
Dr. Lutz-Karsten Finze, Großenhain-Weßnitz
Dr. Rudolf Friedemann, Halle
Dr. Sandra Grande, Heidelberg
Prof. Dr. Carola Griehl, Halle
Prof. Dr. Gerhard Gritzner, Linz
Prof. Dr. Helmut Hartung, Halle
Prof. Dr. Peter Hellmold, Halle
Prof. Dr. Günter Hoffmann, Eberswalde
Prof. Dr. Hans-Dieter Jakubke, Leipzig
Prof. Dr. Thomas M. Klapötke, München
Prof. Dr. Hans-Peter Kleber, Leipzig
Prof. Dr. Reinhard Kramolowsky, Hamburg
Dr. Wolf Eberhard Kraus, Dresden
Dr. Günter Kraus, Halle
Prof. Dr. Ulrich Liebscher, Dresden
Dr. Wolfgang Liebscher, Berlin
Dr. Frank Meyberg, Hamburg
Prof. Dr. Peter Nuhn, Halle
Dr. Hartmut Ploss, Hamburg
Dr. Dr. Manfred Pulst, Leipzig
Dr. Anna Schleitzer, Marktschwaben
Prof. Dr. Harald Schmidt, Linz
Dr. Helmut Schmiers, Freiberg
Prof. Dr. Klaus Schulze, Leipzig
Prof. Dr. Rüdiger Stolz, Jena
Prof. Dr. Rudolf Taube, Merseburg
Dr. Ralf Trapp, Wassenaar, NL
Dr. Martina Venschott, Hannover
Prof. Dr. Rainer Vulpius, Freiberg
Prof. Dr. Günther Wagner, Leipzig
Prof. Dr. Manfred Weißenfels, Dresden
Dr. Klaus-Peter Wendlandt, Merseburg
Prof. Dr. Otto Wienhaus, Tharandt

Fachkoordination:
Hans-Dieter Jakubke, Ruth Karcher

Redaktion:
Sabine Bartels, Ruth Karcher, Sonja Nagel


Partnerinhalte