Übergangsverbindungen der Katalysatoren

Experimente:
Versuch: Chromat katalysiert die Zersetzung von Wasserstoffperoxid
Versuch: Blue Bottle (Blaues Wunder)
Versuch: Die durch Cobalt katalysierte Oxidation von Weinsäure


Katalysatoren bilden mit den an der Reaktion beteiligten Stoffen Zwischen- oder Übergangsverbindungen, deren Bildung und Zerfall insgesamt eine niedrigere Aktivierungsenergie erfordern als die Reaktion ohne Katalysatoren.


Reaktionsenergie-Diagramm ohne und mit Katalysator
(Quelle: Cornelsen)


Das genaue Studium des Experiments der durch Cobaltchlorid katalysierten Oxidation von Seignettesalz mit Wasserstoffperoxid führt uns zu diesem wichtigen Aspekt der Katalyse (-> Versuch).
Der Katalysator färbt zunächst die Lösung rot. Dann färbt sich die Lösung langsam grün, gleichzeitig startete die eigentlich Reaktion, zu erkennen am Aufschäumen. Nach Ende dieser Reaktion ist die Lösung wieder rot gefärbt. Offenbar ist folgendes geschehen: Es hat sich ein grünen Zwischenprodukt unter Beteiligung des Katalysators gebildet, das man in diesem Falle direkt sehen konnte. Aus diesem heraus erfolgte die Bildung der Produkte, erkennbar war CO2. Nach der Reaktion hat sich der Katalysator im Kreisprozess zurückgebildet.

Anhand des Bildes oben kann man die Wirkung des Katalysators direkt erkennen: Das Cobalt-Ion richtet die beiden Eduktmoleküle strerisch exakt so aus, dass die oxidative Spaltung (Fragmentierung) der Weinsäure und damit die CO2-Freisetzung optimal eingeleitet werden kann. Ohne Bildungsmöglichkeit für dieses Ion würden sich die Moleküle nur zufällig richtig treffen. Das würde durch Energiezufuhr, die die Beweglichkeit der beteiligten Reaktanden erhöht, erleichtert. Mit dem Katalysator senkt man also die Aktivierungsenergie.

Auch bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch Chromat erkennt man einen (blauen) Übergangskomplex (-> Versuch).

Ein anderes schönes Beispiel für die Erkennbarkeit einer Zwischenstufe ist das "Blaue Wunder". Der Redox-Katalysator spaltet von Glucose Wasserstoff ab und entfärbt sich dabei. Den überträgt er dann auf Sauerstoff und wird dadurch wieder blau (-> Versuch).

Die Bildung von einem oder sogar mehreren Zwischenprodukten spielt besonders auch eine wichtige Rolle bei allen enzymatischen Reaktionen. Ein besonders schönes, für Schulen geeignetes Beispiel ist der Reaktionsmechanismus des enzymatischen Schulhaustiers, der Urease.


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Letzte Überarbeitung: 03. April 2012, Dagmar Wiechoczek