Chemiker nehmen Radikale unter Beschuss

Auf einem bisher kaum erforschten Gebiet der Chemie bewegt sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ingo Fischer an der Universität Würzburg: Die Wissenschaftler untersuchen am Institut für Physikalische Chemie mit Hilfe sehr reaktiver Moleküle, wie eine chemische Reaktion zeitlich abläuft. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt.

Laut Stefan Dümmler aus dem Arbeitskreis von Prof. Fischer erfreuen sich derzeit zwei Arten kleiner, aber hoch reaktiver Kohlenwasserstoffe besonderen wissenschaftlichen Interesses: Zum einen sind es einfache Kohlenwasserstoffradikale, zum anderen kleine Carbensysteme. Beider Reaktivität entspringt dem Vorhandensein eines oder mehrerer ungeundener Elektronen.

Was macht diese Teilchen so interessant? „Da sie sich aus relativ wenigen Atomen zusammensetzen, stellen sie die idealen Modellsysteme zur Unteruchung des zeitlichen Ablaufs einer chemischen Reaktion dar“, sagt Dümmler. An diesen Molekülen lassen sich grundlegende Messungen durchführen, während größere Teilchen schlichtweg zu viele und dadurch zu komplizierte Daten liefern.

Aber auch aus Sicht der Anwendung lohnt sich die Untersuchung der Moleküle: Sie treten unter anderem beim Verbrennungsvorgang in Motoren auf und sind dort für die Rußbildung verantwortlich. Nachgewiesen wurden sie auch im Weltraum, und zwar in so genannten interstellaren Wolken.

Die Bindungen zwischen den Atomen eines Moleküls sind nicht starr, sondern bis zu einem gewissen Grad flexibel; die Atome schwingen also in alle Raumrichtungen um ihren Platz im Molekül. Diese Schwingungen sind umso stärker, je mehr Energie das Molekül besitzt, und jede der möglichen Schwingungen besitzt einen bestimmten Energiewert, ab dem sie angeregt wird. Wird eine zu starke Schwingung in Gang gebracht, kann die Bindung zwischen den Atomen brechen und das Molekül gespalten werden. Die Bruchstücke lassen sich dann mit einem Detektor identifizieren. Außerdem können die Forscher die Geschwindigkeit messen, mit der die Bruchstücke entstanden sind. Diese Daten geben Auskunft über den genauen Reaktionsverlauf.

Im Arbeitskreis Fischer werden solche Messungen folgendermaßen durchgeführt: Ausgangspunkt ist ein Gemisch eines Edelgases mit den Vorläufermolekülen, das unter Druck steht. Diese Mixtur wird durch ein auf 1.500 Grad Celsius erhitztes Siliciumcarbid-Röhrchen geleitet. Dabei entstehen aus den Vorläufermolekülen die hoch reaktiven Teilchen, für welche sich die Würzburger Chemiker interessieren.

Die Teilchen werden dann in eine unter Vakuum stehende Messkammer geschleust und dadurch stark abgekühlt. In der Kammer werden sie mit Laserpulsen verschiedener Energien beschossen. Wird durch einen Laserpuls ausreichend Schwingungsenergie in eine Atombindung gebracht, so wird diese angeregt und gebrochen. Die entstehenden Ionen werden in der Kammer mit einem Massenspektrometer nachgewiesen. Auf diese Weise lassen sich genaue Daten über die Struktur und Reaktivität von Radikalen und Carbenen ermitteln.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Ingo Fischer, T (0931) 888-6360, Fax (0931) 888-6378, E-Mail: ingo@phys-chemie.uni-wuerzburg.de