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Ansys Blog

March 10, 2020

Grundlagen der chemischen Kinetik: Alles, was Sie wissen müssen

Die Verbraucher*innen erwarten, dass ihre Produkte umweltfreundlich, langlebig und biokompatibel sind. Daher müssen Ingenieur*innen ihre alten Chemie-Lehrbücher entstauben.

Das liegt daran, dass chemische Kinetik und Thermodynamik die Leistung fast aller Produkte beeinflussen können. Sie sind in der Atmosphäre, der Energieerzeugung, der Fertigung, der Mikroelektronik und der Materialverarbeitung involviert.

Sie ist auch für Rost und Kalkablagerungen verantwortlich, die die Lebensdauer unserer Konstruktionen verkürzen.

Mit chemischer Kinetik und Thermodynamik,
Ingenieur*innen reduzieren die Anzahl der
Schadstoffe, die durch ihre Entwürfe entstehen

Sogar unser Planet - und jedes Lebewesen auf ihm - ist eine biochemische Fabrik. Daher helfen chemische Kinetik und Thermodynamik bei der Feststellung, ob ein Produkt biokompatibel und schadstofffrei ist.

Um Ingenieur*innen bei der Entwicklung von Produkten für die Verbraucher*innen von heute zu helfen, bietet eine Auffrischung der chemischen Kenntnisse über die Prozesse , die für die Herstellung, den Antrieb und die Alterung von Designs verantwortlich sind.
 

Was ist chemische Kinetik?

Die chemische Kinetik gibt Aufschluss über die Geschwindigkeit, mit der sich chemische Spezies durch Aufbrechen und Neubildung ihrer molekularen Bindungen in neue Stoffe umwandeln. Anders ausgedrückt: Sie untersucht die Änderungsraten und Prozesse chemischer Reaktionen.

Die chemische Kinetik untersucht die Geschwindigkeit von Reaktionen, während die Thermodynamik
untersucht, ob die Reaktion stattfindet und in welche Richtung.

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich die chemische Kinetik von der Thermodynamik der Chemie unterscheidet. Die Kinetik bestimmt, wie und wie schnell man ans Ziel kommt, während die Thermodynamik die Richtung bestimmt, in die man geht und wo man schließlich landet.

Stellen Sie sich das so vor: Wenn sich die Chemikalien im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, kommt es zu keiner Reaktion - auch wenn die Kinetik darauf hindeutet, dass Reaktionswege existieren.
 

Was ist die Gibbs-Energie oder die chemische potenzielle Energie?

Alles hat potenzielle Energie. Ein Apfel auf einem Baum hat das Potenzial, herunterzufallen. Wenn er fällt, wird seine potenzielle Gravitationsenergie in kinetische Energie umgewandelt.

Genauso kann man sich die Thermodynamik der Chemie vorstellen. Die freie Gibbs-Energie, auch bekannt als chemische potenzielle Energie, gibt Auskunft darüber, ob sich eine chemische Spezies in eine andere Spezies umwandelt.

Jedes chemische Gemisch hat je nach Temperatur, Druck und Zusammensetzung eine andere freie Gibbs-Energie. Mit dem Wissen über den Potenzialwert für jede Spezies in einer chemischen Reaktion können Ingenieuren bestimmen, ob und wie selbige reagieren werden.

Die freie Gibbs-Energie kann verwendet werden, um
die Fähigkeit einer Reaktion zu bewerten
in beide Richtungen zu gehen.

Wenn die potenzielle Energie der Produkte größer ist als die der Reaktanten, gibt es eine Barriere für die Durchführung der Reaktion. Wenn die potenzielle Energie der Produkte geringer ist als die der Reaktanten, wird die Reaktion stattfinden.

Wie bei dem Apfel, der vom Baum fällt, will die Natur die Reaktion auf einen Punkt verlagern, der die potenzielle Energie minimiert.

Wenn also Ingenieur*innen eine Gleichgewichtsreaktion zur Erzeugung eines bestimmten Produkts anregen möchten, können sie das chemische Potenzial des chemischen Gemischs manipulieren, indem sie die Temperatur, den Druck und die Konzentrationen der Spezies verändert.
 

Was ist eine Ratengleichung und wie hängt sie mit der Reaktionsreihenfolge zusammen?

Ratengesetze und Reaktionsordnungen beschreiben elementare chemische Reaktionen.

Diese reversiblen Reaktionen können Folgendes beinhalten:

  • Ein einzelnes Molekül, das in neue Spezies zerfällt
  • Zwei Moleküle/Atome stoßen zusammen und ordnen sich neu an, um neue Spezies zu bilden
  • Zwei Moleküle/Atome, die unter dem Einfluss eines dritten Körpers zusammenstoßen und eine neue Spezies bilden.

Die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist
abhängig von der Konzentration
von roten und gelben Molekülen

Die Reaktionsreihenfolge bezieht sich auf die Anzahl der chemischen Spezies, die als Reaktanten beteiligt sind.

Unimolekulare Reaktionen, bei denen ein Molekül auseinanderfällt, haben eine Reaktionsordnung von eins. Reaktionen, bei denen zwei Moleküle/Atome zusammenstoßen müssen, haben die Ordnung zwei usw.

Bei nicht elementaren (oft als "global" bezeichneten) Reaktionen kann die Reaktionsfolge empirisch bestimmt werden.

zA + yB + ... + aZ = Produkte

Rate = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ ... ∙ [Z]a

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von einer Konstante (k), den Konzentrationen der Reaktanten ([A], [B] und [Z]) und der Reaktionsreihenfolge (z, y und a). Der Wert von k kann rechnerisch oder empirisch bestimmt werden. Seine Einheiten basieren auf der Gleichgewichtsgleichung der chemischen Reaktion und ändern sich in Abhängigkeit von der Reaktionsreihenfolge. Sie können sich einfach gemerkt werden, da die Einheiten der Rate immer gleich sind.

Es ist nicht praktikabel, den Wert von k für jede Reaktion zu bestimmen, weder durch Messung noch durch rechnerische Molekulardynamik. Glücklicherweise können Ingenieur*innen die Geschwindigkeit unbekannter Reaktionen auf der Grundlage einer Bibliothek von Ratenwerten für bekannte Reaktionen ableiten. Durch das Studium und die Klassifizierung von Elementarreaktionen haben Wissenschaftler*innen Ratenregeln für die Abschätzung anderer Reaktionen entwickelt.

Weitere Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen können, sind u. a:

  • Temperatur
  • Druck
  • Licht (für photolytische Reaktionen)
  • Elektromagnetik (für plasma- oder elektrochemische Reaktionen)
  • Der Zustand der chemischen Substanz: Fest, flüssig oder gasförmig
  • Anwesenheit von Katalysatoren
  • Molekulare Größe und Struktur
  • Oberflächenabdeckung
  • Partikelgröße
     

Was ist eine globale Reaktion?

In Lehrbüchern der Chemietechnik wird eine Gesamtreaktion oft wie eine Elementarreaktion aufgeführt:

zA + yB + ... + aZ = Produkte

In Wirklichkeit könnte diese Reaktion aus Tausenden von elementaren Teilreaktionen bestehen, die in verschiedenen Phasen ablaufen. Die Gesamtreaktion - wenn alle Elementarreaktionen abgeschlossen sind - kann dann in die oben genannten Komponenten A, B, C und D vereinfacht werden.

Physikalische Tests und komplexe Geometrien machen es schwierig, die
komplexe Reaktionen zu optimieren. Simulation kann jedoch Folgendes vereinfachen
die Untersuchung dieser Systeme

Einige dieser Teilreaktionen sind möglicherweise nicht von Druck oder Temperatur abhängig. Andere können recht komplex sein und erfordern das Zusammentreffen von drei oder mehr Spezies, bevor sie reagieren. Andere können durch die Einführung eines Katalysators beschleunigt werden, um das System zu zwingen, bestimmte Reaktionswege zu bevorzugen.

Dennoch kann jede dieser Teilreaktionen die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion auf unterschiedliche Weise beeinflussen. In Lehrbüchern kann man Ingenieur*innen beibringen, wie man Elementarreaktionen kombiniert, um die Gesamtreaktion zu verstehen. Bei Hunderten von Spezies und Tausenden von Reaktionen ist der Prozess jedoch zu komplex, als dass ein durchschnittlicher Mensch damit umgehen könnte.

In der Vergangenheit waren Ingenieur*innen gezwungen, die Geschwindigkeit komplexer Reaktionen experimentell zu bestimmen. Heutzutage ist es einfach, diese Reaktionen mit Hilfe von Simulationen zu untersuchen, um die optimale Temperatur, das optimale Prozessrezept oder den optimalen Druck zu finden, um das System auf bestimmte dominante Pfade zu lenken.
 

Wie können Ingenieur*innen chemische Kinetik und Thermodynamik nutzen, um bessere Produkte zu entwickeln?

Um zu verstehen, wie diese Chemie Produkte optimieren kann, schauen wir uns ein reales Beispiel an, z. B. die Reduzierung von Motoremissionen.

Die Umwandlung von Brennstoffen in Kohlendioxid, Wasser und verschiedene Partikel treibt das tägliche Leben an. Die Auswirkungen der Endprodukte auf den Treibhauseffekt und die Gesundheit müssen miteinbezogen werden.

Durch den Einsatz von chemischer Kinetik und Thermodynamik können Ingenieur*innen die Verbrennung von Kraftstoffen steuern, um die Freisetzung bestimmter Schadstoffe zu verringern.

Chemische Kinetik und Thermodynamik
kann Ingenieur*innen beim Design
besserer Motoren und Reaktoren unterstützen

Der Schlüssel liegt darin, die Temperatur, den Druck und das Luftgemisch im Motor so zu steuern, sodass jene Prozesse dominieren, die die meiste Energie erzeugen - mit den wenigsten Schadstoffen.

Benzin bringt die Herausforderung mit sich, dass es keine monolithische chemische Substanz ist. Es besteht aus einer Vielzahl von Substanzen, deren Konzentrationen je nach Standort, Jahreszeit und Herstellungsverfahren variieren können. Daher müssen die Ingenieur*innen den Motor so konstruieren, dass er mit einer Vielzahl von Kraftstoffen betrieben werden kann.

Im Motor sind Tausende von Reaktionen im Spiel, was ihn zu einem komplexen System macht. Der beste Weg, um zu kontrollieren, welche Prozesse dominieren, ist daher Simulation.

Simulation kann alle potenziellen chemischen Reaktionen berücksichtigen, indem es sie in eine CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) des Motors einbezieht. Die Ingenieur*innen können diese Simulationen dann nutzen, um die Entwürfe so lange zu optimieren, bis die Zielprozesse dominieren.

Ingenieur*innen können auch andere Aspekte des Motors in die Simulation einbeziehen, um Kompromisse bei der Motoreffizienz, Auswirkungen auf den Kraftstoff, Wärmeübertragung und vieles mehr zu untersuchen. Dadurch sind sie in der Lage, eine Vielzahl von chemischen Reaktordesigns zu optimieren.

Um mehr zu erfahren, informieren Sie sich über Ansys Chemkin-Pro und sehen Sie sich das Webinar an: Using Detailed Chemistry in Ansys Chemkin-Pro for More Accurate CFD Combustion and Reacting Flow Simulations.

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