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Alt 29.06.2009, 09:50   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Nobelpreisträger Live - Gerhard Ertl

Mit dem Einstiegsvortrag des diesjährigen Lindauer Nobelpreisträgertreffens, gehalten von Oberflächen-Guru Gerhard Ertl (Chemie-Nobelpreis 2007), sind wir gleich beim zentralen Thema: Die Bedeutung der Chemie für das Wohlergehen der Menschheit. Ertls Einstiegsthema, die Haber-Bosch-Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff ist die wichtigste chemische Reaktion überhaupt. Ohne das Haber-Bosch-Verfahren gäbe es keinen synthetischen Stickstoffdünger – 40 Prozent des von der Menschheit verzehrten Stickstoffs stammen aus dieser Quelle.</p>

Ertl weiß natürlich, dass die Grundlagen der Katalyse dem Publikum hinlänglich vertraut ist, deswegen hat er sich damit auch nicht lange aufgehalten, dann ein paar Worte zur Bedeutung des Haber-Bosch-Verfahrens gesagt und ist dann zum spannenden Teil übergegangen, nämlich wie die Oberflächenkatalyse im Detail funktioniert und welche Rolle die Struktur des Katalysators dabei spielt.</p> Die Metallatome schwächen und brechen Bindungen und bilden reaktive Zwischenstufen, die dann wiederum zum gewünschten Produkt reagieren. Im Fall des Haber-Bosch-Katalysators zeigte Ertl, dass bei der Anlagerung von Wasserstoffgas an das Metall die Bindung zwischen den Atomen gespalten wird und einzelne Wasserstoffatome auf der Metalloberfläche haften. Dies war der erste Schritt zur Entschlüsselung des Haber-Bosch-Mechanismus.



Kurze Zeit später konnte er mittels Photoelektronenspektroskopie nachweisen, dass auch der molekulare Stickstoff (N2) an der Eisenoberfläche in die Atome gespalten wird. Dies ist bemerkenswert, weil die Dreifachbindung im Stickstoffmolekül zu den stärksten Bindungen überhaupt gehört. Die an der Oberfläche haftenden Atome verbinden sich dann über mehrere Stufen zum Ammoniak (NH3). Interessant an diesem Vortrag war allerdings nicht so sehr Ertls Arbeit allein, sondern der Umstand, dass sich viele dieser Erkenntnisse auf andere Systeme übertragen lassen. Katalyse ist universell. Alle Metallkatalysatoren aktivieren Moleküle, indem sie Metallverbindungen erzeugen, die leicht weiterreagieren.

Wie Ertl selbst sagt, ist der entscheidende Schritt das, wa der Katalysator mit der chemischen Bindung im Substratmolekül macht. Dabei entsteht eine Aktivierte Form, die bei katalytischen Oberflächen geradezu wundersame Phänomene hervorzaubert, von denen Ertl eindrucksvolle Bewegtbilder präsentiert. Die adsorbierten Atome führen zweidimensionale Brownsche Bewegungen aus, verändern die Elektronenverteilung in der Oberfläche selbst und erzeugen so Einflussbereiche, über die sie sich gegenseitig beeinflussen. Das führt bei steigenden Bedeckungsdichten zu einem Phasenübergang: Wo vorher einzelne frei bewegliche Atome waren, vergleichbar mit einem Gas, bilden sich ab einem bestimmten Punkt geschlossene Verbände, die sich wie zweidimensionale Kristalle verhalten.

Selbstorganisation an katalytisch aktiven Oberflächen ist ein ebenso universelles Phänomen wie die Katalyse selbst. Ertl hat das am bewährten Beispiel des Autokatalysators durchexerziert. Kohlenmonoxid und Sauerstoff erzeugten auf der (110)-Oberfläche von Platin zeitliche Oszillationen, die durch eine positive Rückkopplung zwischen Oberflächenbelegung, Oberflächenstruktur und Produktentstehung verursacht werden. Berühmt sind die Abbildungen von Spiralstrukturen auf Katalysatoroberflächen, die auf räumliche Schwankungen in der Bedeckung mit Reaktanden zurückgehen.</p> Dieses Potenzial, selbst aus einfachen Reaktionen hochkomplexes Verhalten zu erzeugen, wohnt allen dynamischen Systemen inne, die weit weg vom chemischen Gleichgewicht sind. Hier klingt deutlich an, dass die Katalyse mehr ist als nur irgendein praktisches Gebiet der Chemie. Chemisch gesehen ist das Leben selbst nichts anderes als ein selbstorganisierter, autokatalytischer Prozess weit entfernt vom Gleichgewicht. Es wird eine Zeit kommen, in der die Katalyseforschung das Leben nicht nur erleichtern, sondern sogar seine Ursprünge erklären kann. Auch dies ist eine Aufgabe für nie nachwachsende Generation im Publikum.

Für die Jungchemiker im Publikum hielt Ertls Vortrag jedenfalls eine ermutigende Botschaft bereit: Die Katalysatorforschung ist auch nach Jahrzehnten nicht an ihrem Ende angekommen. Sie wird noch sehr lange Stoff für viele chemische Karrieren liefern, von denen mit Sicherheit einige auch zu Nobelpreisen führen werden.

Bilder:
Lindau Foundation
http://www.gdch.de
Lars Fischer
Angew. Chem. 2008, 120, 3578 – 3590


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Quelle: Fischblog - Naturwissenschaft und mehr
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