Von der Erkenntnis zur Praxis: Katalyse

Dennoch muss sich die Wissenschaft den großen Herausforderungen stellen. Zu ihnen gehört in erste Linie, die Grundbedürfnisse der Menschen zu befriedigen und die Probleme zu bewältigen, die das immer noch umgebremste Wachstum der Weltbevölkerung mit sich bringt. Zu den Grundforderungen jenseits aller Ideologien und staatlichen Systeme gehören: ausreichende Ernährung und Bekleidung, menschenwürdiges Wohnen, saubere und verträglich Umwelt, Sicherung von Kommunikation und Information, Gewährleistung des Transports von Gütern und Menschen.
Chemie als praxisbezogene Wissenschaft leister dazu große Beiträge. In den Artikeln von Cynthia M. Friend und von Artikeln von Sir John M. Thomas zu dem Thema “Katalyse” wird dies deutlich. Durch Katalysatoren werden chemische Reaktionen beschleunigt und können mit ihrer Hilfe effizienter, kostengünstiger und gefahrloser durchgeführt werden. Wenn bei chemischen Reaktionen ein Gemisch von Stoffen entsteht, so kann durch Zusatz von Katalysatoren die Zusammensetzung des Gemischs verändert und die Ausbeute an gewünschtem Produkt optimiert werden. Cynthia M. Friend beschreibt, wie man die Wirkungsweise von Katalysatoren heute untersucht und verstehen kann. Zu den bedeutendsten Anwendungen von Katalyse, die auf Erkenntnissen der Grundlagenforschung aufbauen, gehören die Synthese von Ammoniak (NH3), die Zersetzung von Stickoxid (NO) und kohlenwasserstoffen in den Autoabgasen mittels geregeltem Dreiwegekatalysator und die Entschwefelung von fossilen Brennstoffen. Die beiden zuletzt genannten Anwendungen sind Beiträge der Chemie zur Reinhaltung der Luft, wenn Verbrennungsvorgänge in Motoren für Zwecke des Verkehrs oder in Kraftwerken und Heizanlagen zur Energieerzeugung stattfinden.
Die synthese von Ammoniak ist ein Stück Chemiegeschichte. Der deutsche Chemiker Fritz Haber (1868 bis 1934) erhielt bereits 1918 den Nobelpreis für seine Arbeiten zu den Grundlagen dieser Reaktion, die ohne geeignete Katalysatoren unter technischen Bedingungen nicht effizient durchgeführt werden kann. Seine grundlegenden Arbeiten entstanden zwischen 1905 und 1910. Sie wouden von der Badischen Anilin- und Sodafabrik (BASF) aufgegriffen, und bereits 1914 begann in Ludwigshafen die kommerzielle Produktion von Ammoniak. Dabei war der Chemiker und Industriemanager Carl Bosch der Partner von Haber, der aus dessen Laborchemie ein großtechnisches Verfahren - schuf. Bosch erhielt übrigens für diesen Anteil an den Arbeiten 1931 ebenfalls den Nobelpreis.
Ammoniak ist der Ausgangsstoff zur Erzeugung stickstoffhaltigen Mineraldüngers, aber auch von Nitroglyzerin und anderen Sprengstoffen. Mit der Verfügbarkeit von Ammoniak aus einer technischen Produktion war das damalige Deutsche Reich also zu Beginn des 1. Weltkrieges unabhängig von der Einfuhr von Chile-Salpeter geworden - bis dahin unabdingbarer Rohstoff für die Düngung im Landbau und die Erzeugung von Schießpulver. Ammoniak erweist sich als frühes Beispiel eines “Dual-use” Produktes: Einerseits dient Ammoniak nach Umwandlung in Düngemittel der Sicherstellung der Ernährung der Menschen durch größere Ernten, anderseits ermöglicht es die umlimitierte Herstellung von Sprengstoff für kriegerische Zwecke. Die Frage, ob die Verfügbarkeit von Ammoniak verlängernd auf die Dauer des 1. Weltkrieges gewirkt hat. in dessen Verlauf Deutschland von Importen aus Übersee abgeschnitten war, ist auch heute noch heiß umstritten und wird auch von Cynthia Friend erwähnt.
Obwohl es sich bei der Synthese von Ammoniak um einen großtechnischen Prozess handelt, der heute in vielen Ländern in sehr großem Maßstab durchgeführt wird, ist es doch erst vor kurzem dem Berliner Chemiker Gerhard Ertl Gelungen, aufzuklären, was bei der Katalyse dieser Reaktion wirklich vor sich geht. Cynthia Friend schildert das ebenso anschaulich wie die Reaktionen, die am Dreiwegekatalysator ablaufen. Dessen Hauptaufgabe ist es, Stickstoffmonoxid und Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe aus Autoabgasen zu entfernen. Stickstoffmonoxid reagiert mit Sauerstoff der Luft schnell zu Stickoxiden (NOX), die wesentlich zum Entstehen von “saurem Regen” beitragen. Durch Reaktion mit Kohlenwasserstoffen im Sonnenlicht verursachen die Stickoxide die Bildung des berüchtigten Smog.
In seinem Artikel über die Struktur fester Säuren geht auch Sir John M. Thomas auf den Beitrag der Katalyse zur Beherrschung und Optimierung technischer Synthesen und Verfahren ein. Er vermittelt dabei außerdem einen Einblick in die moderne anorganische Strukturchemie, bei der die Ästhetik der Gitter, die Verknüpfungsmuster der Atome und die Betrachtung reiner Symmetrien eine mächtige Antriebskraft für die Forscher darstellen. Trotzdem finden die auf idealsymmetrischen Beziehungen gegründeten Strukturen und Stoffe höchst praktische Anwendungen, beispielsweise bei der Synthese von Antiklopfmitteln für Treibstoff, die das alte und nunmehr verbotene Bleitetraethyl ersetzen.