Gasphasenreaktion

Die Bedeutung des Begriffs Gasphasenreaktion ist nicht durch die IUPAC geregelt (kein Eintrag im Gold Book), unterschiedliche Quellen können also unterschiedliche Auffassungen hierzu haben. Gewöhnlich wird in der Chemie unter Gasphasenreaktion eine chemische Reaktion in dem unter den Reaktionsbedingungen gasförmigen Reaktand bzw. zwischen den unter den Reaktionsbedingungen gasförmigen Reaktanden verstanden. Wegen einer fehlenden Definition sind unterschiedliche Auffassungen denkbar, was den Aggregatzustand des oder der Produkt(e) angeht, also ob diese auch gasförmig sein müssen oder nicht.

Verwendung des Begriffs Der Begriff Gasphasenreaktion dient der Abgrenzung zu chemischen Reaktionen in oder zwischen Festkörpern und zu Reaktionen in Lösung. Je nach Blickwinkel können die Unterschiede zwischen diesen verschiedenen Phasen zur Erklärung von Besonderheiten in der betrachteten Phase bzgl. einer (willkürlich wählbaren) Referenzphase dienen. So ist bei Reaktionen in Lösung immer der Einfluss des Lösemittels auf Stöchiometrie (in Lösung können andere Produkte als in der Gasphase entstehen), Thermodynamik und Kinetik einer chemischen Reaktion im Vergleich zur Gasphasenreaktion in Betracht zu ziehen, während bei Reaktionen in oder zwischen Festkörpern sowohl die entsprechende Reaktion in Lösung (Bsp.: bei Dimerisierungen prochiraler Verbindungen in einem Feststoff kann durch die Fixierung der gegenseitigen räumlichen Lage im Kristallgitter ausschließlich eins, in Lösung hingegen mehr als eins der möglichen Stereoisomere gebildet werden) als auch die Gasphasenreaktion (z. B. in der thermodynamischen Bestimmung der Gitterenergie mittels des Born-Haber-Kreisprozess) als Referenzen nützlich sein können.

Die Betonung der Gasphase einer Gasphasenreaktion sagt nichts aus über die Reaktionsbedingungen (z. B. im Vergleich zur Raumtemperatur hoher Temperatur oder im Vergleich zum normalen Atmosphärendruck niedriger Druck im Reaktionsraum), da sich für alle möglichen Kombinationen der möglichen Extreme an Druck und Temperatur Beispiele finden lassen. Es ist ebenfalls keine generelle Aussage zur Reaktionsart (wie Säure-Base-Reaktion oder Redoxreaktion) mit der Kennzeichnung einer Reaktion als Gasphasenreaktion verbunden.

Auftreten von Gasphasenreaktionen Nicht-anthropogene Gasphasenreaktionen laufen sowohl im freien Weltall (z. B. in interstellaren Wolken ) als auch lunaren (z. B. Jupiters Mond Titan ) und planetaren (z. B. Venus , Erde) Atmosphären ab. Auf dem Planeten Erde haben die in geologisch und klimatologisch relevanten Mengenmaßstäben ablaufen Gasphasenreaktionen sowohl natürliche als auch anthropogene Ursachen. Eine (lebens)wichtige natürliche Gasphasenreaktion auf der Erde ist die Ozonbildung in der Stratosphäre. Auch die anthropogene Bildung von Ozon in der Troposphäre ("bodennahes" Ozon) ist eine Gasphasenreaktion, allerdings verläuft diese über einen anderen Reaktionsmechanismus als in der Stratosphäre. Weitere wichtige anthropogene Gasphasenreaktionen im globalen Millionentonnenmaßstab sind z. B. die Verbrennungsreaktionen von Kohlenwasserstoffen (von der Flamme einer Kerze bis hin zur Verbrennung im Kolbenraum eines Verbrennungsmotors ) und manche (groß)technischen Syntheseverfahren der chemischen Industrie wie z. B. die Harnstoffherstellung im Hochdruckverfahren.

Gasphasenreaktionen zur Synthese Sowohl in der Technik als auch im Labor wird die Gasphasenreaktion zur Synthese immer dann verwendet, wenn entweder die gewünschte Reaktion in flüssiger oder fester (Misch)Phase entweder zu langsam ist oder sich die Reaktion nicht zu den gewünschten Produkten führen lässt (aus kinetischen und / oder thermodynamischen Gründen). Ein Beispiel für ein Gasphasenreaktionsverfahren im Labor (deutlich weniger in der Industrie) ist die Cokondensation , mit der sich manche Synthesen elegant(er) realisieren lassen (z. B. die Synthese von Bis(benzol)chrom aus gasförmigem Chrom und Benzoldampf). In der Technik werden Gasphasenreaktionen häufig unter hohem Druck als auch unter recht hoher Temperatur (im drei oder vierstelligem Celsiusbereich) geführt, um eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit und / oder eine Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes auf die Produktseite zu erzwingen.

Ein Vorteil von Gasphasenreaktionen ist die sich spontan einstellende Homogenität der Phase im Reaktionsraum, die eine einfachere Reaktionsführung gestattet als Reaktionen in Lösung (die gerührt oder turbulent verströmt werden müssen) oder gar Reaktionen in Festkörpern. Des Weiteren ermöglichen Gasphasenreaktionen (neben Reaktionen in Lösung) eine relativ einfache kontinuierliche Prozessführungen. Ein Nachteil von Gasphasenreaktionen ist, dass sich die Produktkonzentration(en) häufig nur über die Lage des chemischen Gleichgewichts (also Druck, Temperatur, relative Reaktand- und Produkt-Konzentrationen) steuern lässt (Prinzip vom kleinsten Zwang). Kinetische Effekte, die die Bildung auch eines thermodynamisch instabileren Produkts favorisieren, lassen sich nur deutlich schwieriger ausnutzen als z. B. in Lösung, da die selektive Entfernung aus dem Reaktionsraum schwierig ist (in Lösung können durch Lösemitteleffekte die kinetisch kontrollierten Produkte dadurch entstehen, dass diese z. B. sich aus der Lösung abscheiden (Fällung, Phasenbildung) und so einer Umwandlung zum thermodynamisch kontrollierten Produkt entzogen werden oder durch das Lösemittel sich Aktivierungsenergien für das thermodynamisch instabilere Produkt verringern).

Bsp. großtechnischer Gasphasenreaktionen Harnstoff Synthesegasherstellung aus Erdgas

Bei der Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch handelt es sich um einen Festkörper-katalysierten Prozess, dasselbe gilt für die industrielle Phosgen-Synthese. Deswegen sind dies keine Gasphasenreaktionen im oben definiertem Sinn, weil die chemische Reaktion an der Phasengrenze (Gas/Festkörper) oder sogar nur auf dem Festkörperkatalysator selbst abläuft (die genauen Reaktionsmechanismen der Festkörper-katalysierten (heterogenen) Katalyse sind oft unbekannt).

Weitere Anwendungen von Gasphasenreaktionen Neben den (in Labor oder Produktionsanlagen durchgeführten) auf die Synthese ausgerichteten Gasphasenreaktionen werden Gasphasenreaktionen in der Forschung zur Untersuchung der Kinetik chemischer Reaktionen Margaret Robson Wright: An Introduction to Chemical Kinetics. Kap. 4 und 6. 2004. John Wiley & Sons, Ltd. ISBNs: 0-470-09058-8 (hbk) 0-470-09059-6 (pbk). und in der Massenspektrometrie untersucht. Eine weitere (mittlerweile etwas exotische) Anwendung sind chemische Laser, deren Laserlicht-emittierende chemische Reaktionen meistens ebenfalls als Gasphasenreaktion ablaufen.

Einzelnachweise

Kategorie:Chemische Reaktion