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Tutorial MenueKompaktkurs KatalyseLerneinheit 1 von 6

Heterogene Katalyse

Entdeckung und Entwicklung der heterogenen Katalyse

Das Wissen über die katalytische Wirkung bestimmter Stoffe ist alt. Vor ca. 5000 Jahren entdeckten die Ägypter, dass Hefe Zucker in Fruchtsäften zu Alkohol verwandelt. Im Altertum wurde die Essigsäureherstellung aus Ethanol beschrieben. Beide Prozesse beruhen auf der katalytischen Wirkung von Enzymen. Auch die Alchemisten wussten, dass kleine Mengen bestimmter Substanzen zur Umwandlung anderer Stoffe führen können.

Die Katalyse wurde rein empirisch betrieben. Prinzipien, Reaktionsverläufe oder Namen waren nicht bekannt.

Die wissenschaftliche Untersuchung des Phänomens Katalyse begann erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts. 1781 entdeckte Parmentier die Traubenzuckerbildung aus Stärke bei Anwesenheit einer Säure. 1783 fand Priestley die Umsetzung von Ethanol und Aluminiumoxid zu Ethen. Die Prinzipien der Katalyse waren zu dieser Zeit allerdings noch nicht bekannt.

1806 wurde von Clement und Desormes der Bleikammerprozess zur Herstellung von Schwefelsäure entwickelt. Sie fanden heraus, dass sich Schwefeldioxid in der Gegenwart von Stickstoffoxiden und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidieren lässt.

1821 stellte Döbereiner fest, das sich Kohlenwasserstoffe bei Raumtemperatur an einem Platinschwamm oxidieren lassen. Zwei Jahre später entwickelte er sein berühmtes Feuerzeug:

Döbereiners Feuerzeug

Johann Wolfgang Döbereiner gelang 1823 eine revolutionäre Erfindung mit dem ersten "Feuerzeug".

Das Feuerzeug besteht aus einem mit Schwefelsäure befüllten Glasgefäß. Durch betätigen des Auslösers wird ein Zinkstück in die Säure getaucht.

Zn+ H2SO4 Zn2++ SO42+ H2

Der dabei entstehende Wasserstoff wird über einen Trichter durch einen Platinschwamm geleitet, wobei sich das Gas spontan entzündet.

Auf dieser (ungarischen) Seite finden Sie ein Foto von Döbereiner und seinem Feuerzeug.

Goethe, der von Döbereiner eines der ersten Feuerzeuge geschenkt bekam, war begeistert und schrieb am 7. Oktober 1826 in einen Brief an Döbereiner:

(..) so bin ich in dem Falle, mich Ew. Wohlgeboren immer dankbar zu erinnern, da ihr so glücklich erfundenes Feuerzeug mir täglich zur Hand steht und mir der entdeckte wichtige Versuch von so tatkräftiger Verbindung zweier Elemente, des schwersten und des leichtesten, immerfort auf eine wundersame Weise nützlich wird.

Die Gemeinsamkeiten der bis dahin gemachten Entdeckungen wurden 1839 von Mitscherlich mit dem Begriff "Kontaktwirkung" beschrieben. Zur selben Zeit formulierte Berzelius den Begriff der "Katalyse".

Berzelius stellte bei der Untersuchung vieler Reaktionen fest, dass immer ein zusätzlicher Stoff sowohl auf der Eduktseite als auch auf der Produktseite vorhanden war, der sich nicht veränderte. Seiner Meinung nach nahmen diese Stoffe nicht an der Reaktion teil und lieferten lediglich die Energie. Er nannte die Wirkung "katalytische Kraft" von dem griechischen Wort katalusiz – Loslösen, Auslösen. Es entstand dabei die erste Definition von Katalyse:

Definition nach Berzelius
"Die katalytische Kraft scheint eigentlich darin zu bestehen, dass Körper durch ihre bloße Gegenwart und nicht durch ihre Verwandtschaft die bei dieser Temperatur schlummernden Verwandtschaften zu erwecken vermögen, so dass zufolge derselben in einem zusammengesetzten Körper die Elemente sich zu solchen anderen Verhältnissen ordnen, durch welche eine größere elektrochemische Neutralisierung hervorgebracht wird."

Im Laufe der nächsten hundert Jahre wurden viele wichtige katalytische Reaktionen entdeckt und industrielle Prozesse entwickelt, wie 1867 die Chlorwasserstoffoxidation nach Deacon, die Salpetersäureherstellung nach Ostwald 1906 und der Haber-Bosch-Prozess von 1913.

1909 erhielt Ostwald für eine neue Definition der Katalyse einen Nobelpreis:

Definition nach Ostwald
"Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden und ohne die endgültige Lage des thermodynamischen Gleichgewichts dieser Reaktion zu verändern."

1927 gelang es, Kohle mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen umzusetzen. Im Dritten Reich wurde diese Technik vor allem eingesetzt, um sich von Erdöllieferungen unabhängig zu machen.

Mitte der Fünfzigerjahre entdeckten Ziegler und Natta die Metallocene als homogene Katalysatoren zur Polymerisation von Olefinen.

Lerneinheit koordinative Polymerisationen - Ziegler-Natta-Katalyse

Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Geschichte der industriellen katalytischen Prozesse:

Tab.1
Geschichte industrieller katalytischer Verfahren
JahrKatalytische ReaktionKatalysatorEntdecker
1806Schwefelsäure nach dem Bleikammer-ProzessNOxDesoimes, Clement
1867Chlorgewinnung durch HCl-OxidationCuSO4 Deacon
1875Schwefelsäure, KontaktverfahrenPt, V2O5 Winkler
1906Salpetersäure durch NH3-OxidationPt/Rh-NetzeOstwald
1907FetthärtungNiNormann
1913Ammoniak-Synthese FeMittasch, Haber, Bosch (BASF)
1920Oxidation von Benzol, Naphthalin zu MSA bzw. PSAFe, Mo, SnWeiss, Downs
1923Methanol-Synthese aus CO/H2 Zn/Cr2O3 Mittasch
1930Oxidation von Ethylen zu EthylenoxidAgLefort
1932Alkylierung von Olefinen mit Isobutan zu BenzinAlCl3 Ipatieff, Pines
1937Cracken von Kohlenwasserstoffen Al2O3/SiO2 Houdry
Abb.1
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