Katalyse hilft den Molekülen auf die Sprünge

Molekülen auf die Sprünge zu helfen ist eine lustige Vorstellung, wenn man sich überlegt, beispielsweise ein Wassermolekül anzustupsen, damit es einen Sprung macht. Doch diese Vorstellung ist gar nicht so weit von der Wirklichkeit entfernt, wie Professor Stephen Hashmi vom Organisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg jetzt bei seiner Experimentalvorlesung im Vorfeld des Heidelberger „Katalyseforums“ etwa 150 Schülern klarmacht.

„Moleküle wollen eigentlich immer bergab“, erläutert er. Doch wie in einem Gebirge kann ein Molekül manchmal in einem Hochtal festsitzen; dann braucht es einen Bergführer, um über den richtigen Pass ins tiefer gelegene Tal zu finden. In der Chemie sind diese „Bergführer“die Katalysatoren, die dafür sorgen, dass eine Stoffumwandlung erfolgt, die sonst gar nicht oder nur sehr langsam geschehen würde.

Hashmi hat sogleich ein Beispielexperiment parat: Zwei mit Wasserstoff gefüllte, an dem Labortisch befestigte Luftballons. Den Schülern ist, spätestens als Hashmi an den Unfall des Luftschiffs Hindenburg in den 1930er Jahren in Chicago erinnerte, klar, dass Wasserstoff und Sauerstoff ein leicht entzündliches Gemisch darstellen. Eine Flamme ist dafür jedoch nicht unbedingt notwendig, der richtige Katalysator tut es auch. Stahlwolle ist dafür nicht geeignet, denn während aus dem einen Ballon der Wasserstoff entweicht und die Stahlwolle darüber gehalten wird, passiert gar nichts.

Ausprobieren erwünscht

Ganz anders, wenn statt der Stahlwolle Platin verwendet wird. Sofort entsteht eine offene Flamme über dem Ballon, aus dem der Wasserstoff strömt. „Der Versuch mit der Stahlwolle diente als Kontrollexperiment“, erläutert der Professor. Denn es könnte sein, dass die Entzündung des Gemischs gar nichts mit der Anwesenheit von Platin zu tun hat und auch dann erfolgt, wenn Stahlwolle vorhanden ist. So ist aber bewiesen, dass Platin der Katalysator für die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff ist, die sonst nur bei hohen Temperaturen abläuft.

Die Katalyse ist aus unserem Leben nicht wegzudenken; etwa 80 Prozent aller technisch relevanten chemischen Verbindungen werden mit Hilfe von Katalysatoren hergestellt. Katalyse findet auch in jedem Organismus statt. Hier sind es die Enzyme, die als Katalysatoren dafür sorgen, dass Leben überhaupt abläuft. Manchmal auch zu unserem Nachteil, wie Hashmi am Beispiel von Antibiotikaresistenzen zeigte. Bestimmte Bakterien haben nämlich ein Enzym entwickelt, das gegen das Amoxicillin, ein Breitbandpenicillin, wirkt. Diese Enzyme fangen den gegen die Bakterien wirkenden Stoff ein und wandeln ihn in eine für Bakterien ungefährliche Substanz um.

Danach konnten sich die Schüler an sechs Stationen von Forschern der BASF praktische Anwendungen der Katalyse vorführen lassen, wie beispielsweise die Nutzung von Wasserstoff zur Energiegewinnung in der Brennstoffzelle. In diesem Experiment wird elektrischer Strom durch Solarzellen erzeugt und anschließend zur elektrolytischen Zersetzung von Wasser genutzt. Der dabei entstehende Wasserstoff dient anschließend in einer Brennstoffzelle dazu, wiederum Strom zu produzieren, mit dem ein kleiner Propeller angetrieben wird.

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