Elektronenübertragung

Elektronenübertragung bezeichnet den Prozess, bei dem Elektronen von einem Teilchen oder Molekül (Donor) auf ein anderes (Akzeptor) übertragen werden. Sie ist grundlegend für Redoxreaktionen und findet sich in vielen chemischen Reaktionen, Katalysen und biologischen Abläufen. Die Übertragung kann direkt über die Wechselwirkung zweier Spezies erfolgen oder über Brückenstrukturen und Vermittler wie Liganden oder Protonen. In der Fachsprache unterscheidet man oft äußere-Sphäre-Übertragung (ohne Bildung einer Brückenverbindung) und innere-Sphäre-Übertragung (mit einer Brückenliganden, der beide Reaktionspartner koordiniert).

Mechanismen und Theorie: Bei der äußeren Sphäre bleibt der Elektronentransfer räumlich getrennt von Bindungen, während beim inneren Sphäre-Mechanismus eine Brücke geschaffen wird, über die das Elektron direkt wandert. Die Geschwindigkeit der Elektronenübertragung lässt sich durch Treibungsenergie (ΔG°) und Reorganisationsenergie (λ) beschreiben, wie sie in der Marcus-Theorie formuliert ist. Abhängig vom Treibungsdrang und der Umwelt kann der Prozess reibungsarm oder langsam sein und durch Überlappung der Orbitale oder durch Zwischenstufen beeinflusst werden.

Biologie und Technologie: In der Zellatmung und Photosynthese erfolgt Elektronenübertragung über Elektronentransportketten mit tragenden Molekülen wie NADH, Flavoproteinen, Cytochromen, Ubiquinon bzw. Plastochinon. Die Übertragung treibt Protonenpumpen an und erzeugt einen Protonengradienten, der ATP synthetisiert. In der Elektrochemie werden Redoxreaktionen an Elektroden genutzt, Potenziale gemessen (Nernst-Gleichung), und Systeme wie Batterien oder Brennstoffzellen basieren auf kontrollierter Elektronenübertragung.

Anwendungen und Messung: Elektronenübertragung lässt sich experimentell durch Spektroskopie, elektrochemische Messungen und theoretische Modelle beschreiben und wird in Sensorik, Energiespeicherung und biochemischer Forschung genutzt.