Wilhelm-Ostwald-Institut für
Physikalische und Theoretische Chemie
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Informationen zu Vorlesungen, Seminaren und Übungsaufgaben

  PD Dr. Klaus-Dieter Schulze, W.-Ostwald-Institut, Zi. 202, Tel.: 36412
E-Mail: kdschulz@chemie.uni-leipzig.de

  1. Vorlesung: Chemische Kinetik (im Modul 13-111-0411-N)
    (Vorlesungsinhalte, Übungsaufgaben Kinetik, Literaturempfehlungen, Weitere Informationen)
  2. Vorlesung: Physikalische Umweltchemie (im Modul 13-121-1413)
    (Vorlesungsgliederung)
  3. Vorlesung: Einführung in die elektrochemische Messtechnik
    (Aufbaustudium Analytik und Spektroskopie 7. Kurs) (Vorlesungsgliederung)
1. Vorlesung: Chemische Kinetik
 Vorlesungsinhalte
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 Literaturempfehlungen
 Weitere Informationen

Die chemische Kinetik ist ein Teilgebiet der Physikalischen Chemie, das sich mit einem bestimmten Aspekt von chemischen Reaktionen beschäftigt. Im Vordergrund steht die Frage nach der Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen und die Abhängigkeit dieser Geschwindigkeit von den konkreten Reaktionsbedingungen.
Über die Wahl der Reaktionsbedingungen, wie Konzentration, Druck, Temperatur, Anwesen-heit von Katalysatoren, Art des Lösungsmittels, Ionenstärke, Licht bei photochemischen Reaktionen, elektrische Spannung bei elektrochemischen Reaktionen u.s.w., ergeben sich für den Chemiker Möglichkeiten, Einfluß auf das Reaktionsgeschehen zu nehmen.
Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Reaktionsbedingungen läßt sich mit empirischen Gleichungen beschreiben, die sich auch theoretisch begründen lassen. Dafür sind bestimmte Modellvorstellungen erforderlich, die in der Vorlesung behandelt werden. An der Weiterentwicklung und Verfeinerung dieser Modellvorstellungen wird bis heute gearbeitet. Weitere Fragestellungen der chemischen Kinetik sind die nach dem detailierten Mechanis-mus einer chemischen Reaktion und das Herausfinden des geschwindigkeitskeits-bestimmen-den Schrittes bei komplexen Reaktionen.
Was die experimentelle Seite der chemischen Kinetik anbelangt, so war die Entwicklung in den letzten Jahren dadurch gekennzeichnet, daß durch Fortschritte in der Meßtechnik (z.B. eine verbesserte zeitliche Auflösung von spektroskopischen Methoden) immer schnellere Reaktionen - zum Teil bis in den Femto-Sekunden-Bereich - untersucht werden konnten. Weitere Forschungsschwerpunkte sind das Studium von Reaktionen unter extremen Bedin-gungen, z.B. Gasreaktionen bei sehr kleinen Drücken wie sie in der Erdatmosphäre auftreten, oder elektroden-kinetische Untersuchungen im Hinblick auf die Verbesserung der Leistungs-fähigkeit von elektrochemischen Brennstoffzellen.

Vorlesungsinhalte

  1. Einführung und Grundbegriffe
    Kinetik als Teilgebiet der Physikalischen Chemie: Inhalte und Fragestellungen; Historische Aspekte; Gegenüberstellung von Thermodynamik und Kinetik; Schnelle und langsame chemische Reaktionen: Zeitskalenbereich chemischer Reaktionen mit Beispielen; Grundbegriffe der Kinetik: Reaktionsgeschwindigkeit; einfache- und komplexe Reaktionen, Brutto- und Elementar-Reaktion, homogene/ heterogene Systeme; Diskussion von Einflußgrößen auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen (Stoffmenge, Druck, Temperatur, Katalysator, Lösungsmittel, Ionenstärke, elektrische Spannung, elektromagnetische Wellen, Teilchen-strahlung)
     
  2. Einfache Zeitgesetze (Konzentrationsabhängigkeit chemischer Reaktionen)
    Formulierung von Zeitgesetzen und Erläuterung folgender Begriffe: Geschwindigkeitskonstante, Reaktionsordnung, Reaktionsmolekularität, Umsatzvariable; Integration von einfachen Zeitgesetzen; Halbwertszeit; Lebensdauer
    Methoden zur Vereinfachung von Zeitgesetzen; Bestimmung von Reaktionsordnungen und von Geschwindigkeitskonstanten; Verwendung von konzentrations-proportionalen Größen Computersimulation zum zeitlichen Ablauf einfacher Reaktionen (Vorlesungsdemo 1)
     
  3. Temperaturabhängigkeit von chemischen Reaktionen
    Beispiele für die Temperaturabhängigkeit von chemischen Reaktionen; Diskussion der empirischen RGT-Regel in der Chemie; Konzept der Aktivierungsenergie; Möglichkeiten einer Beeinflussung der Aktierungsbarriere; Einführung und Diskussion der Arrhenius-Gleichung; experimentelle Ermittlung von Aktivierungsenergien; Übertragung des Konzepts der Aktivierungsenergie auf andere Systeme (z.B. Teilchendiffusion, Ionentransport, Metastabile Zustände)
     
  4. Komplexe Reaktionen
    Überblick über komplexe Reaktionen: Reversible Reaktionen, Parallel-Reaktionen; Folgereaktionen, Folge-Reaktion mit vorgelagertem Gleichgewicht; Integration von Zeitgesetzen komplexer Reaktionen; geschwindigkeitsbestimmender Schritt einer komplexen Reaktion, Relaxationszeit, Wegscheider-Prinzip, Quasistationarität (Bodenstein-Prinzip); Mechanismen von Ketten-Reaktionen; wichtige Kettenreaktionen (Kohlenwasserstoff-Chlorierung, Polymerisations-Reaktionen, Ozon-Abbau in der Stratosphäre); Kettenexplosionen; Zyklische Reaktionen (Prinzip der mikroskopische Reversibilität) Computersimulation zum zeitlichen Ablauf komplexer Reaktionen (Vorlesungsdemo 2)
     
  5. Katalyse
    Grundbegriffe der Katalyse; Katalysatorbegriff nach Ostwald; Energie-Diagramme; Arten von katalytischen Reaktionen: Homogene Katalysen (Säure-Basen-Katalyse); Heterogene Katalysen; Autokatalyse; Autokatalyse als Ursache für instabiles Reaktionsverhalten und chemische Selbstorganisationsprozesse; Enzym-katalysierte Reaktionen (Michaelis-Menten Kinetik)
     
  6. Heterogene Reaktionen
    Teilschritte von heterogenen Prozessen (Diffusion, Adsorption und Reaktion); Diffusion und 1. Fick´sches Gesetz; Adsorptionsmodell von Langmuir (kinetische Ableitung); Hinweis auf andere Adsorptions-Modelle; Reaktionsmechanismen in der heterogenen Katalyse; Ableitung eines Zeitgesetzes für eine heterogene Reaktion mit vorgelagertem Adsorptionsschritt; Ammoniak-Synthese als Beispiel für eine technisch wichtige heterogen-katalysierte Reaktion
     
  7. Elektrochemische Kinetik
    Aufbau der elektrochemischen Doppelschicht an der Grenzfläche Metall/Elektrolyt; Energieprofil in der Doppelschicht für eine einfache Elektronen-Transfer-Reaktion; Wirkung eines äußeren elektrischen Potentials auf die Doppelschicht-Energiebarriere; Ableitung der elektroden-kinetischen Gleichung (Butler-Volmer Gleichung); "Überspannung" als kinetisches Phänomen; Wasserstoff-Entladung an Metallelektroden als Beispiel für einen wichtigen elektrochemischen Prozeß; kinetische Aspekte von Brennstoffzellen
     
  8. Theorie (Vorausberechnung) der Reaktionsgeschwindigkeit
    Übersicht über wichtige Formeln aus der Kinetische Gastheorie bzw. der Statistischen Thermodynamik; Einführung in die Stoßtheorie: Annahmen und Aussagen der Stoßtheorie; Theorie des Übergangszustandes: Ableitung der Eyring-Gleichung; Vergleich der verschie-denen theoretischen Ansätze; Zusammenhang zwischen Struktur und Reaktivität; Lineare-Freie-Enthalpie Beziehungen: Hammett-Gleichung, Beispiele für Struktur-Reaktivitäts-beziehungen in der organischen Chemie.
     
Literaturempfehlungen

S.R. Logan, Grundlagen der Chemischen Kinetik, Wiley-VCH
G. Wedler, Lehrbuch der Physikalischen Chemie, 5. Auflage, Wiley-VCH
P.W. Atkins, Physikalische Chemie, Wiley-VCH
Autoren, Lehrwerk Chemie, Lehrbuch 6 (Chemische Kinetik)

Weitere Informationen

Neben der Vorlesung werden im 3. Semester auch Seminare zu unterschiedlichen Gebieten der Physikalischen Chemie, darunter auch zur Chemischen Kinetik, angeboten. Der Besuch dieser Seminare wird empfohlen. 		 
Fakultät für Chemie und Mineralogie Dr. Matthias Kudra, kudra@rz.uni-leipzig.de, 11.04.2011