Science 25.03.2013

Uni Innsbruck entdeckt ungewöhnliche Reaktion

Mit einer eigens konstruierten Versuchsanordnung gelang es Wissenschaftlern der Uni Innsbruck eine chemische Reaktion zu beobachten, die bisherigen Annahmen widerspricht. Statt beschleunigt zu werden, wird ein ein Molekül bei einer bestimmten Substitutionsreaktion in starke Drehung und Schwingung versetzt.

Wissenschafter der Universität Innsbruck haben sich eine chemische Reaktion zwischen einem geladenen Teilchen - einem sogenannten Ion - und einem Molekül ganz genau angesehen und sind dabei auf überraschende Ergebnisse gestoßen. Bei dieser speziellen Substitutionsreaktion wurde der Großteil der entstehenden Energie nämlich in Schwingungen und Drehungen des neu entstandenen Moleküls umgewandelt und hatte, entgegen der Annahme in Lehrbüchern, keine Beschleunigung der Teilchen zur Folge. Die Forscher brachten es mit ihrer Erkenntnis auf das Titelblatt des Fachmagazins "Journal of the American Chemical Society".

Fluor wird mit Jod ausgetauscht
Mit einer speziellen Versuchsanordnung können die Forscher um Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik chemische Reaktionen einzelner Moleküle und Atome untersuchen. Im konkreten Fall handelte es sich um negativ geladene Fluor-Teilchen, die durch eine nahezu luftleere Apparatur fliegen und dort an einer ganz bestimmten Stelle auf einen aus kalten Jodmethan-Molekülen bestehenden Gasstrahl treffen. Dieser Gasstrahl ist so dünn, dass immer nur genau ein Molekül mit einem Ion reagieren kann. Im Vakuum ist weitgehend sichergestellt, dass der Prozess völlig ungestört vom Einfluss anderer Abläufe stattfindet.

Bei der Reaktion passiert folgendes: Das Fluor-Atom bindet an ein Kohlenstoffatom, das sich im Zentrum des Methan-Moleküls befindet. Gleichzeitig wird die vorher zwischen dem Kohlenstoff- und dem Jodatom bestehende Bindung gebrochen. Das Jodatom wird also im Molekül durch das Fluoratom ausgetauscht - es läuft chemisch gesehen eine Substitutionsreaktion ab.

Was mit der Energie geschieht
"Dass so etwas passiert, weiß man schon seit dem 19. Jahrhundert, aber wie genau das abläuft und was mit der Energie geschieht, die dabei frei wird, wussten wir nicht genau", erklärte Wester der APA. "Die Frage ist, was mit der Energie passiert. Sie könnte die Teilchen entweder sehr schnell werden lassen oder sie könnte in Form von Wärme sozusagen in dem Molekül stecken bleiben." Mit ihrem Versuchsaufbau können die Wissenschafter sowohl die Geschwindigkeit, die Richtung sowie auch das Gewicht der bei der Reaktion entstehenden Teilchen genau messen, also direkt auf die Vorgänge im Molekül schließen.

"Bei dieser Reaktion entsteht sehr viel `innere Energie`, es wird also ganz wenig Energie in Geschwindigkeit umgesetzt", erklärte Wester. "`Innere Energie` ist wiederum nichts anderes als verschiedene Schwingungen und Drehungen in dem Molekül." Dass durch die Energie die Teilchen nicht stark beschleunigt werden, überraschte die Wissenschafter, da bei dieser Reaktion "wirklich viel Energie frei wird". Würde dieser Vorgang etwa großflächig ablaufen, entstünde extreme Hitze.

Lässt man alles völlig analog ablaufen und ersetzt lediglich das Fluor- durch ein Chlor-Atom, laufe der Prozess bereits völlig anders ab. Nämlich "ungefähr so, wie man sich das aus dem Lehrbuch erwartet hätte", so der Molekülphysiker.

Komplizierte Reaktionen besser verstehen
Zusammen mit Forschern aus den USA wurden diese chemischen Austauschreaktionen im Computer simuliert. Dabei zeigten sich ganz ähnliche Muster, wie sie die Innsbrucker Forscher im Experiment beobachtet haben. "Die eigens entwickelten Computerprogramme und die Laborexperimente ermöglichen es uns, nun erstmals im Grenzgebiet zwischen Chemie und Physik auch kompliziertere Reaktionen in der Organischen Chemie besser zu verstehen", so Wester. Dieses Wissen sei vor allem dann relevant, wenn man Vorhersagen über unbekannte Reaktionen oder Abläufe in größeren Molekülen machen möchte.

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( APA ) Erstellt am 25.03.2013