Zinkoxid spaltet Wasser

Oxidierte Metalle: Zu Unrecht der Trägheit bezichtigt

31.01.2005

Oxidierte Metalle hielt man bisher für chemisch sehr träge - zu Unrecht, wie Chemiker der Ruhr-Universität Bochum (Lehrstuhl für Angewandte Chemie, Prof. Dr. Christof Wöll) in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Tulane (New Orleans, USA) nachweisen konnten. Sie erkannten, dass Zinkoxid Wassermoleküle dazu anregt, Paare zu bilden und ein Wasserstoff-Atom abzuspalten. Dieser Vorgang ist für katalytische Prozesse - etwa die industriell häufig genutzte Methanolsynthese - von großer Bedeutung. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" veröffentlicht.

Erster Hinweis: Ein kompliziertes Muster

Wenn ein Regentropfen auf eine Oberfläche fällt, kann er abperlen oder haften, auf heißen Flächen verdampft das Wasser, auf kalten gefriert es. Dabei bleibt es aber stets Wasser. "Chemisch betrachtet ist Wasser aber auch ein Molekül, das durch bestimmte Reaktion verändert oder zersetzt werden kann", erklärt Prof. Wöll. "Das Rosten von Eisen in Kontakt mit Wasser ist ein (leider) alltägliches Phänomen." Dass aber auch oxidierte Metalle in der Lage sind, Wasser zu spalten, war für die Forscher dagegen überraschend: Bei detaillierten Messungen an Zinkoxid, einem Material das in vielen Kosmetikartikeln (Zahnpasta, Sonnenschutzcreme) und für weiße Farbe Verwendung findet, stellten sie fest, dass Wasserdampf auf der Oxidoberfläche schon bei Zimmertemperatur ein kompliziertes Muster ausbildet. Wie kann das sein, wenn oxidierte Oberflächen wie bisher angenommen, chemisch träge sind?

Überraschung: Wassermoleküle bilden Paare

Die Chemiker stellten theoretische Berechnungen an einzelnen Wassermolekülen an, die zunächst die Erwartung bestätigten, dass das Zinkoxid nicht mit Wasser reagiert. Erst detailliertere Untersuchen ergaben dann den überraschenden Befund, dass jeweils zwei Moleküle ein Paar bilden, vom dem sich dann ein H-Atom abspaltet. Dieses Zerbrechen des Wassers, bei dem die unzersetzten Wassermoleküle eine entscheidende Helferrolle einnehmen, ist von erheblicher Bedeutung unter anderem für katalytische Prozesse, z.B. bei der Methanolsynthese an Zinkoxidpulvern, die in Bochum im Sonderforschungsbereich "Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse" (SFB 558) erforscht wird.

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