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Katalysatoren

Wir verbrennen Magnesium

Ein Schüler verbrennt Magnesium

Ein Schüler verbrennt Magnesium

Wenn man im Chemieunterricht einen Magnesiumstreifen verbrennt und von der grellen Flamme geblendet die Augen schließt, wird einem klar, dass bei dieser Reaktion unheimlich viel Energie freigesetzt wird. Das wird auch an folgendem Energiediagramm erkennbar:

Energiediagramm der Oxidation von Magnesium (ohne Zahlenangaben)

Energiediagramm der Oxidation von Magnesium

Die Energie des Endprodukts MgO ist viel niedriger als die Energie der beiden Ausgangsstoffe Magnesium und Sauerstoff. Dieser Energieunterschied wird bei der Reaktion als Reaktionsenergie an die Umgebung abgegeben, und zwar in Form von Hitze und Licht.

Die Rolle der Aktivierungsenergie

Wenn die Endprodukte aber energetisch so viel günstiger sind als die Ausgangsstoffe, so fragt man sich:

"Warum reagiert das Magnesium nicht bereits bei Zimmertemperatur mit dem Sauerstoff?"

Wieso muss man den Magnesiumstreifen erst eine bestimmte Zeit in die Flamme des Bunsenbrenners halten, damit es zur Reaktion kommt?

Die Antwort auf diese wichtige Frage steckt ebenfalls in dem oben abgebildten Energiediagramm. Bevor der Energieunterschied zwischen den Ausgangsstoffen und den Endprodukten an die Umgebung abgegeben werden kann, muss zunächst ein gewisser Energieberg überwunden werden, die sogenannte Aktivierungsenergie. Und das ist auch gut so. Gäbe es diese Aktivierungsenergie bei chemischen Vorgängen nicht, so würden alle exothermen chemischen Reaktionen spontan ablaufen. Papier würde sich bei Zimmertemperatur von selbst entzünden, es gäbe keine Wälder, weil auch die Bäume sofort brennen würden, und eigentlich gäbe es überhaupt keine Lebewesen auf der Erde, denn auch die Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette, aus denen wir bestehen, würden sofort mit dem Sauerstoff der Luft zu Kohlendioxid und Wasser und anderen Stoffen reagieren, wenn es keine Aktivierungsenergie gäbe. Also ist es toll, dass es diese Aktivierungsenergie bei chemischen Reaktionen überhaupt gibt.

Für die Zellen der Lebewesen hat das Vorhandensein dieser Aktivierungsenergie allerdings auch erhebliche Nachteile. Die Zellen benötigen Nährstoffe, die sie oxidieren können, um daraus Energie zu gewinnen. Kohlenhydrate werden von den Zellen "verbrannt", um beispielsweise ATP, die Energiewährung der Zelle, herzustellen. Die Aktivierungsenergie der Glucose-Oxidation ist aber recht hoch, ein Stück Traubenzucker kann jahrelang herumliegen, ohne dass es mit dem Luftsauerstoff reagiert. So lange kann eine Zelle, die ATP benötigt, aber nicht warten. Der Traubenzucker, den die Zelle aufgenommen hat, muss innerhalb von Sekundenbruchteilen verwertet werden.

Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie

Ursache für diese "Reaktionsträgheit" ist die Aktivierungsenergie, wie wir eben gerade gesehen haben. Betrachten Sie nun das folgende Energiediagramm:

Energiediagramm der Oxidation von Magnesium mit Katalysator

Ein Katalysator erniedrigt die Aktivierungsenergie

Hier wurde die Reaktion unter Zusatz eines Katalysators durchgeführt. Katalysatoren sind chemische Stoffe (Elemente oder Verbindungen), welche die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion deutlich senken. Die Folge davon ist, dass die Reaktion mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit abläuft. Reaktionen, die ohne Katalysator Tage oder Wochen dauern würden, laufen mit Hilfe eines Katalysators in Minuten, Sekunden oder sogar Bruchteilen einer Sekunde ab. Platin ist beispielsweise ein Metall, das in vielen technischen Prozessen als Katalysator eingesetzt wird. In den lebenden Zellen übernehmen Proteine die Rolle von Katalysatoren. Diese speziellen Proteine mit katalytischen Eigenschaften bezeichnet man als Enzyme oder auch Biokatalysatoren.

Ein konkretes Beispiel für die Wirkung von Katalysatoren und Enzymen

In einem alten Biochemie-Buch aus den 80er Jahren (Lutz Hafner, Biochemie, Schroedel-Verlag) habe ich folgende konkrete Daten für die Wirkung eines anorganischen Katalysators und eines Enzyms gefunden. Es ging um die Zersetzung von Wasserstoffperoxid H2O2 zu Wasser und Sauerstoff. Die Aktivierungsenergie der nicht-katalysierten Reaktion liegt bei ca. 75 kJ/mol. Ein Platin-Katalysator senkt die Aktivierungsenergie auf rund 50 kJ/mol, während das Enzym Katalase die Aktivierungsenergie auf nur noch 8,4 kJ/mol senkt.

Welche Auswirkungen hat diese Absenkung der Aktivierungsenergie durch die beiden Katalysatoren?

Auch hierüber gibt die im Buch auf Seite 42 abgedruckte Tabelle Auskunft. Wenn wir die Reaktionsgeschwindigkeit der nicht-katalysierten Reaktion auf den Wert 1 setzen, dann erhöht der Platin-Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit auf den Wert 10.000. Das ist enorm, aber noch gar nichts gegen das, was das Enzym Katalase bewirkt. Katalase erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit auf 10.000.000 - in Worten: Zehn Millionen.

Das machen wir uns an einem anderen Beispiel verständlich!

Nehmen wir mal an, eine Eisenstange wird nach draußen in eine sehr feuchte Umgebung gestellt. Dann ist sie vielleicht in drei oder vier Monaten verrostet. Sagen wir mal, das Rosten dauert 100 Tage.

Der Platin-Katalysator beschleunigt das Rosten jetzt um den Faktor 10.000. 100 Tage sind 2.400 Stunden oder 144000 Minuten. Mit dem Platin-Katalysator würde das Rosten also nur noch gut 14 Minuten dauern. Man könnte sich davor setzen und dem Rosten zuschauen.

14,4 Minuten sind 864 Sekunden. Das Enzym Katalase beschleunigt die Reaktion nochmals um den Faktor 1.000. Das Rosten würde demnach nur noch gut 0,9 Sekunden betragen.

Mit anderen Worten: Das Enzym Katalase beschleunigt einen Vorgang, der 100 Tage dauern würde derart, dass er in knapp einer Sekunde abläuft.

Katalysatoren vs. Temperaturerhöhung

Auch durch eine Erhöhung der Temperatur kann man chemische Reaktionen beschleunigen. Die berühmte RGT-Regel besagt, dass bei einer Temperaturerhöhung um 10 ºC die Reaktionsgeschwindigkeit ungefähr auf den doppelten Wert steigt. In lebenden Zellen kann die RGT-Regel aber nur stark eingeschränkt wirken, denn bereits bei 40 ºC beginnen die meisten Proteine zu denaturieren, und die Zellfunktionen werden nach und nach eingestellt. Eine Reaktion, die bei 10 ºC 60 Sekunden benötigt, ist bei 20 ºC in 30 Sekunden beendet und bei 30 ºC  in 15 Sekunden. Bei 40 ºC  dauert die Reaktion immer noch 7,5 Sekunden, was natürlich viel zu langsam für eine lebende Zelle ist. Aber weiter kann die Temperatur nicht erhöht werden, weil dann die Zelle stirbt. Mit Hilfe von Enzymen kann jedoch auch ohne Temperaturerhöhung eine sensationelle Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit auf wenige Bruchteile von Sekunden erreicht werden.