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Chemische Unterhaltungen: Katalyse als Farbenspiel

Katalysatoren beschleunigen viele wichtige biologische, technische und chemische Prozesse. Wie ihnen das gelingt, lässt sich an einem frappierenden Beispiel visuell veranschaulichen.

Viele dürften den Begriff Katalysator vor allem von Kraftfahrzeugen kennen, wo der Kat den Ausstoß von Schadstoffen verringert. Doch spielen Katalysatoren in unserem Alltag eine viel zentralere Rolle, als dieses eine Anwendungsbeispiel erahnen lässt. Abgesehen von ihrer biologischen und physiologischen Funktion sind sie an der Produktion von etwa 90 Prozent aller chemieindustriellen Güter beteiligt. Sie gestalten Synthesen effizienter und reduzieren maßgeblich den Energieverbrauch, die Treibhausgasemissionen und die Kosten der hergestellten Stoffe. Laut Branchenverband DECHEMA haben sie das Potenzial, bis 2050 etwa 13 Exajoule an Energie einzusparen, was etwa dem jährlichen Energieverbrauch Deutschlands entspricht. Ihre Bedeutung zeigt sich auch daran, dass im Jahr 2021 zum wiederholten Mal der Chemie-Nobelpreis für Arbeiten auf dem Gebiet der Katalyse vergeben wurde.

Um zu verstehen, wieso Katalysatoren zur Einsparung von Energie beitragen, müssen wir ihr Funktionsprinzip betrachten. Chemische Reaktionen können endergonisch oder exergonisch sein. Sie verbrauchen also entweder Energie oder setzen welche frei. Aber auch in letzterem Fall muss zunächst ein gewisser Energiebetrag zugeführt werden, damit die Umsetzung überhaupt startet: die so genannte Aktivierungsenergie. Ein Katalysator ermöglicht einen alternativen Reaktionsweg, für den die zum Start aufzuwendende Aktivierungsenergie deutlich geringer ist. Dabei geht er selbst unverändert aus der Reaktion hervor …

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  • Quellen

Grzywa, M. et al.: Crystal structure of potassium tetraperoxo-molybdate(VI) K2[Mo(O2)4]. Powder Diffrication 20, 2005

Grzywa, M. et al.: Synthesis, characterization and crystal structures of three dinuclear diperoxo complexes of Mo(VI): K2{O[MoO(O2)2H2O]2}·2H2O, (C6H8N,NH4){O[MoO(O2)2H2O]2} and (C6H8N,Na){O[MoO(O2)2H2O]2}. Journal of Molecular Structure 888, 2008

Grzywa, M. et al.: Structural investigation of tetraperoxo complexes of Mo(VI) and W(VI). Journal of Solid State Chemistry 182, 2009

Nardello, V. et al.: 90Mo NMR and kinetic studies of peroxomolybdic intermediates involved in the catalytic disproportiona­tion of hydrogen peroxide by molybdate ions. Inorganic Chemistry 34, 1995