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Kinetik im Kontext der Physikalischen Chemie

Einführung in die chemische Kinetik

Betrachtete Zeitskalen und experimentelle Methoden

Themen der Vorlesung, Material und Literatur

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Glossar

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• Die Kinetik führt die Zeit t als Variable
  in die Betrachtungsweise der Physikalischen Chemie ein.
• Reaktionsgeschwindigkeiten lassen sich unterschiedlich definieren.
  Sie unterscheiden sich in ihren Einheiten (und Zahlenwerten).
• Die betrachteten Zeitskalen umfassen viele Größenordnungen,
  vom Alter des Universums bis zur Bewegung von Elektronen.
• Erst durch die Entwicklung gepulster Laser wurden
  viele Fragestellungen der Kinetik experimentell zugänglich.
• Im Zentrum der Kinetik steht die Untersuchung sowohl
  der Reaktionsgeschwindigkeit als auch des Reaktionsmechanismus.

Die nachfolgenden Fragen sollten sich mit den in der Vorlesung vermittelten Inhalten beantworten lassen und dienen der eigenständigen Nacharbeit bzw. Beschäftigung mit der Thematik.

• Welche Kriterien sind essentiell für Wissenschaftlichkeit? Wie spiegelt sich das im generellen Vorgehen empirischer Wissenschaft wider?
• Was ist das Wesen der Physikalischen Chemie? Was charakterisiert sie im Vergleich zu den anderen Teildisziplinen der Chemie?
• In welcher Hinsicht unterscheidet sich die chemische Kinetik von anderen Gebieten der Physikalischen Chemie, insbesondere der Thermodynamik und dem Aufbau der Materie?
• Warum war bis Mitte des 20. Jahrhunderts die Zeitauflösung kinetischer Experimente auf Millisekunden beschränkt? Welche technischen Entwicklungen ermöglichten das Vordringen in kürzere Zeitskalen?

Eine kommentierte und handverlesene Liste mit weiterführender Literatur zum Thema. Die Auswahl ist zwangsläufig subjektiv.

Die Frage „Was ist Wissenschaft“ zu behandeln, sprengt den Rahmen der Vorlesung bei Weitem und ist nicht umsonst der Inhalt ganzer Bücher und dedizierter Vorlesungen zur Wissenschaftstheorie (meist an der philosophischen Fakultät). Dem Interessierten sei entsprechende Primär- (u.a. Popper, Kuhn, Hacking) und Sekundärliteratur (u.a. Poser, Chalmers) empfohlen. Wer sich tiefer mit den historischen Vorlagen des Zitats von Newton in seinem Brief an Hooke auseinandersetzen möchte, dem sei das gleichnamige und sehr gelehrte Buch von Merton empfohlen.

• Chalmers, Alan F. (1999): What is this thing called Science?, Open University Press, Berkshire, UK
• Hacking, Ian (1995): Einführung in die Philosophie der Naturwissenschaften, Reclam, Stuttgart
• Kuhn, Thomas S. (1976): Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen, Suhrkamp, Frankfurt am Main
• Merton, Robert K. (1993): On the Shoulders of Giants. A Shandean Postscript, The University of Chicago Press, Chicago and London
• Popper, Karl (2005): Logik der Forschung, Mohr Siebeck, Tübingen
• Poser, Hans (2001): Wissenschaftstheorie, Reclam, Stuttgart

Generell kommen für einen Überblick über die Kinetik die „klassischen“ Lehrbücher der Physikalischen Chemie infrage: Wedler, Atkins, Engel/Reid. Die deutsche Ausgabe des Engel/Reid ist ganz offensichtlich voller sinnentstellender Übersetzungsfehler, ganz zu schweigen von den laut Rezensenten anderen fachlichen Mängeln. Der Wedler hat mitunter auch den einen oder anderen Fehler (mit über Auflagen hinweg unverändertem Text), ist aber ansonsten ein solides Buch.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe spezieller Lehrbücher zur Kinetik. Dem Dozenten sind bislang nur der Hamann/Hoogestraat/Koch und der Logan (nur noch antiquarisch erhältlich) aus eigener Anschauung bekannt.

Für die Erarbeitung der Thematik ist es sicherlich hilfreich, parallel in zumindest zwei Lehrbücher zu schauen (zu empfehlen wären hier Wedler und Atkins) und insbesondere die einzelnen Schritte bei der Herleitung von Zusammenhängen nachzuvollziehen.

• Atkins, Peter W.; de Paula, Julio (2006): Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim
• Atkins, Peter W.; de Paula, Julio (2013): Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim
• Engel, Thomas; Reid, Philip (2006): Physical Chemistry, Pearson Education, San Francisco
• Hamann, Carl Heinz; Hoogestraat, Dirk; Koch, Rainer (2017): Grundlagen der Kinetik. Von Transportprozessen zur Reaktionskinetik, Springer Spektrum, Heidelberg
• Logan, Samuel R. (1997): Grundlagen der Chemischen Kinetik, WILEY-VCH, Weinheim
• Wedler, Gerd; Freund, Hans-Joachim (2012): Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-VCH, Weinheim
• Wedler, Gerd; Freund, Hans-Joachim (2018): Lehr- und Arbeitsbuch Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim

Auf dem Gebiet der Kinetik gab es in den letzten mehr als fünfzig Jahren einige Nobelpreise. Generell sind die Nobelpreisvorlesungen, die für die Chemie-Nobelpreise von „Angewande Chemie“ abgedruckt werden, lesenswert. Nobelpreis 1967 an Eigen [Eigen, 1968Eigen, Manfred (1968): Die "unmeßbar" schnellen Reaktionen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 80:892-906], Norrish [Norrish, 1968Norrish, R. G. W. (1968): Untersuchungen einiger schneller Reaktionen in Gasen durch Blitzlichtphotolyse und kinetische Spektroskopie (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 80:868-881] und Porter [Porter, 1968Porter, G. (1968): Die Blitzlichtphotolyse und einige ihrer Anwendungen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 80:882-891]. Nobelpreis 1986 an Herschbach [Herschbash, 1987Herschbash, Dudley R. (1987): Molekulare Dynamik chemischer Elementarreaktionen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 99:1251-1275, Herschbach, 1987Herschbach, Dudley R. (1987): Molecular dynamics of elementary chemical reactions (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 26:1221-1243], Lee [Lee, 1987Lee, Yuan Tseh (1987): Molekularstrahluntersuchungen chemischer Elementarprozesse (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 99:967-980, Lee, 1987Lee, Yuan Tseh (1987): Molecular beam studies of elementary chemical processes (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 26:939-951] und Polanyi [Polanyi, 1987Polanyi, John C. (1987): Einige Konzepte der Reaktionsdynamik (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 99:981-1001, Polanyi, 1987Polanyi, John C. (1987): Some concepts in reaction dynamics (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 26:952-971]. Nobelpreis 1999 an Zewail [Zewail, 2000Zewail, Ahmed H. (2000): Femtochemie: Studium der Dynamik der chemischen Bindung auf atomarer Skala mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse (Nobel-Aufsatz), Angewandte Chemie 112:2688-2738, Zewail, 2000Zewail, Ahmed H. (2000): Femtochemistry: Atomic-scale dynamics of the chemical bond using ultrafast lasers (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 39:2586-2631, Zewail, 2000Zewail, Ahmed H. (2000): Femtochemistry: Atomic-scale dynamics of the chemical bond, Journal of Physical Chemistry A 104:5660-5694]. Nobelpreis 2007 an Ertl [Ertl, 2008Ertl, Gerhard (2008): Reaktionen an Oberflächen: vom Atomaren zum Komplexen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 120:3578-3590, Ertl, 2008Ertl, Gerhard (2008): Reactions at surfaces: From atoms to complexity (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 47:3524-3535].

Für die Erweiterung der experimentell zugänglichen Zeitskala auf den Attosekunden-Bereich vgl. [Gräfe, 2020Gräfe, Stefanie (2020): Trendbericht Physikalische Chemie: Chemie auf der Attosekunden-Zeitskala, Nachrichten aus der Chemie 68:54-57, Nisoli, 2017Nisoli, Mauro; Decleva, Piero; Calegari, Francesca; Palacios, Alicia; Martín, Fernando (2017): Attosecond electron dynamics in molecules, Chemical Reviews 117:10760-10825].

• Eigen, Manfred (1968): Die "unmeßbar" schnellen Reaktionen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 80:892-906
• Ertl, Gerhard (2008): Reaktionen an Oberflächen: vom Atomaren zum Komplexen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 120:3578-3590
• Ertl, Gerhard (2008): Reactions at surfaces: From atoms to complexity (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 47:3524-3535
• Gräfe, Stefanie (2020): Trendbericht Physikalische Chemie: Chemie auf der Attosekunden-Zeitskala, Nachrichten aus der Chemie 68:54-57
• Herschbach, Dudley R. (1987): Molecular dynamics of elementary chemical reactions (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 26:1221-1243
• Herschbash, Dudley R. (1987): Molekulare Dynamik chemischer Elementarreaktionen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 99:1251-1275
• Lee, Yuan Tseh (1987): Molekularstrahluntersuchungen chemischer Elementarprozesse (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 99:967-980
• Lee, Yuan Tseh (1987): Molecular beam studies of elementary chemical processes (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 26:939-951
• Nisoli, Mauro; Decleva, Piero; Calegari, Francesca; Palacios, Alicia; Martín, Fernando (2017): Attosecond electron dynamics in molecules, Chemical Reviews 117:10760-10825
• Norrish, R. G. W. (1968): Untersuchungen einiger schneller Reaktionen in Gasen durch Blitzlichtphotolyse und kinetische Spektroskopie (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 80:868-881
• Polanyi, John C. (1987): Einige Konzepte der Reaktionsdynamik (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 99:981-1001
• Polanyi, John C. (1987): Some concepts in reaction dynamics (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 26:952-971
• Porter, G. (1968): Die Blitzlichtphotolyse und einige ihrer Anwendungen (Nobel-Vortrag), Angewandte Chemie 80:882-891
• Zewail, Ahmed H. (2000): Femtochemie: Studium der Dynamik der chemischen Bindung auf atomarer Skala mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse (Nobel-Aufsatz), Angewandte Chemie 112:2688-2738
• Zewail, Ahmed H. (2000): Femtochemistry: Atomic-scale dynamics of the chemical bond using ultrafast lasers (Nobel Lecture), Angewandte Chemie International Edition English 39:2586-2631
• Zewail, Ahmed H. (2000): Femtochemistry: Atomic-scale dynamics of the chemical bond, Journal of Physical Chemistry A 104:5660-5694