Wassermoleküle als Katalysator

Einzelne Wassermoleküle können chemische Reaktionen in der Gasphase katalytisch beeinflussen.

Ein einzelnes Wassermolekül kann bereits eine chemische Elementarreaktion in der Gasphase beeinflussen und beschleunigen. Das haben Wissenschaftler aus Göttingen zusammen mit Forschern aus den USA herausgefunden. Sie konnten dabei gleichzeitig den Mechanismus dieses katalytischen Effekts aufklären. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind von Bedeutung für ein besseres Verständnis der Chemie der Erdatmosphäre. Die zweijährigen Forschungsarbeiten unter der Leitung von Bernd Abel wurden am Institut für Physikalische Chemie der Georg-August-Universität durchgeführt. Kooperationspartner waren der Göttinger Chemiker Jürgen Troe sowie Experten der US-amerikanischen Purdue Universität in West Lafayette/Indiana.

Abb.: Wassermoleküle bilden bei tiefen Temperaturen spezifische Wasserstoffbrücken in lockeren Komplexen und können so Gasphasenreaktionen katalytisch beschleunigen. (Quelle: Uni Göttingen)

„Wasser und Wassermoleküle haben auf viele chemische und biologische Systeme eine besondere Wirkung und sind für viele ungewöhnliche Phänomene in der Natur verantwortlich. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler lebhaft darüber spekuliert, ob die Anlagerung oder die Gegenwart von Wassermolekülen chemische Reaktionen, etwa in der Gasphase, beeinflussen oder gar beschleunigen kann“, erläutert Bernd Abel. Die Forscher aus Göttingen und Purdue konnten nun belegen, dass dies der Fall ist für bestimmte Reaktionen, an denen zum Beispiel das OH-Radikal beteiligt ist. Bei diesem so genannten Hydroxylradikal handelt es sich um eine der wichtigsten chemischen Verbindungen für den Abbau von Spurenstoffen in der Atmosphäre.

Die Wissenschaftler haben unter anderem die Reaktion zwischem einem OH-Radikal und einem polaren Molekül aus der Gruppe der Aldehyde untersucht. Hier zeigte sich, dass der Reaktionsprozess allein durch die Anlagerung eines Wassermoleküls an einen der Reaktanden (Aldehyd) beschleunigt wird. Dabei kommt es zur Ausbildung von spezifischen, gerichteten Wasserstoffbrücken zwischen den Teilchen, wobei das Wassermolekül chemisch nicht verändert, verbraucht oder gespalten wird. Es fungiert als „Reaktionsbeschleuniger“, in dem es mit Hilfe der Wasserstoffbrücken die Barriere absenkt, die im Normalfall die chemische Reaktion begrenzt. Damit tatsächlich ein katalytischer Effekt eintritt, muss das Wassermolekül an einer ganz bestimmten Stelle des Reaktanden positioniert sein. Reaktionsprozesse dieser Art laufen vielfach in der Atmosphäre der Erde ab.

Die Göttinger Spezialisten haben diese chemischen Reaktionen bei Temperaturen von bis zu -250 Grad Celsius in einer speziell dafür konstruierten Lavaldüsenapparatur gemessen. Wie Prof. Abel erläutert, bieten diese tiefen Temperaturen ideale Bedingungen, um den katalytischen Einfluss von Wasser auf chemische Reaktionen in der Gasphase zu untersuchen. Die aufwendigen quantenchemischen Rechnungen, die für die Lösung des Problems erforderlich waren, wurden in den USA durchgeführt. Die Wissenschaftler an der Georgia Augusta konnten schließlich die dynamischen Prozesse im Computer simulieren und den Effekt quantitativ deuten. Die Forschungsergebnisse bieten nach Angaben von Bernd Abel neue Ansatzpunkte für das Verständnis von Reaktionssystemen, an denen Molekül-Cluster beteiligt sind. Darüber hinaus können sie die Basis bilden für eine Vorhersage von Geschwindigkeitskonstanten in chemischen Gasphasenreaktionen mit Wasserdampf, die bisher nicht oder nur schwer zu messen sind.

Quelle: Georg-August-Universität Göttingen

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  E. Vöhringer-Martinez, B. Hansmann, H. Hernandez, J. S. Francisco, J. Troe, B. Abel: Water Catalysis of a Radical-Molecule Gas-Phase Reaction, Science 315, 497 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1134494
• Arbeitsgruppe Bernd Abel:
  http://www.uni-pc.gwdg.de/troe/b_abel/b_abel.htm
• Institut für Physikalische Chemie, Georg-August-Universität Göttingen:
  http://www.uni-pc.gwdg.de