Modellierung des Einflusses der Molekülrotation auf die Kinetik thermischer unimolekularer Reaktionen (PDF)

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Drehimpulserhaltung auf die Vorhersage der Druck- und Temperaturabhängigkeit von Geschwindigkeitskonstanten und Verzweigungsverhältnissen unimolekularer Reaktionen untersucht. Dies wurde anhand unterschiedlicher Modelle zur Behandlung der Drehimpulserhaltung in der energieaufgelösten Mastergleichung durchgeführt. Dazu wurde ein vorhandenes Programmpaket weiterentwickelt. In den einfacheren Modellen (Modelle I III) werden Rotationseffekte nur in den spezifischen Geschwindigkeitskoeffizienten für den Zerfall berücksichtigt, der Rotationsenergietransfer durch Stöße wird dabei vernachlässigt. Für das Lösen der zweidimensionalen Mastergleichung unter Berücksichtigung des Rotationsenergietransfers wurde in dieser Arbeit eine neue Herangehensweise (Modell IV) entwickelt. Dabei gelang es, durch einen Separationsansatz den Rechenaufwand im Vergleich zu konventionellen Lösungsmethoden drastisch zu reduzieren.Mit Hilfe der unterschiedlichen Modelle für die Behandlung der Rotation wurden die thermischen Zerfallsreaktionen des Allylradikals und des Methans untersucht. Die wesentliche Fragestellung war dabei, welchen Einfluss die unterschiedlichen Modelle auf die Vorhersage der Druckabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante haben. Beim Allylzerfall wurde die Druckabhängigkeit der thermischen Geschwindigkeitskonstante von allen Modellen gleichermaßen gut beschrieben und es zeigte sich eine gute Übereinstimmung der theoretischen Vorhersagen mit den experimentellen Ergebnissen. Im Unterschied dazu ist die vorhergesagte Druckabhängigkeit beim Methanzerfall verschieden für die unterschiedlichen Modelle. Es wurde gefunden, dass Modell IV in der Lage ist, sowohl die experimentelle Niederdruckgeschwindigkeitskonstante und die Druckabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante als auch experimentell hinter Stoßwellen beobachtete Verzögerungsphänomene (Inkubationszeiten ) korrekt zu beschreiben.Darüber hinaus wurde beim thermischen Toluol- und Formaldehydzerfall die Vorhersage von Verzweigungsverhältnissen konkurrierender Reaktionskanäle in Abhängigkeit der verwendeten Modelle untersucht. Beim Toluolzerfall wurden nur die Modelle I-III verwendet, da für sie auf experimentell bestimmte Energietransferparameter zurückgegriffen werden konnte. Es zeigte sich, dass Modell III ausreichend für die Beschreibung experimenteller Befunde war. Modell I und II, die die Drehimpulsbhängigkeit der spezifischen Geschwindigkeitskonstanten k(E,J) stark vereinfachen, sind nicht geeignet, um Vorhersagen für das Verzweigungsverhältnis zu machen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die experimentell bestimmten Energietransferparameter auch das Auftreten von Inkubationszeiten beim Toluolzerfall korrekt vorhersagen. Im Fall des Formaldehydzerfalls wurde herausgefunden, dass das vorhergesagte Verzweigungsverhältnis unterschiedlich für die verschiedenen Modelle ist. Dabei konnte mit Modell IV das in Ref. [Just et al.] gefundene Verzweigungsverhältnis korrekt vorhergesagt werden. Anhand der Untersuchung von unterschiedlichen Reaktionen konnte eine Aussage über die Bedeutung der Rotationseffekte und der Gültigkeit der theoretischen Ansätze bei unimolekularen Reaktionen gemacht werden. Offensichtlich kann man bei Reaktionen mit starrem aktiviertem Komplex auf einfache Modelle zurückgreifen. Vorsicht ist aber bei Reaktionen mit lockerem aktiviertem Komplex geboten und vor allem bei solchen, bei denen die Reaktionen mit einem lockeren und mit einem starren aktivierten Komplex konkurrieren. Bei diesen sollte man die Drehimpulserhaltung und den Rotationsenergietransfer explizit berücksichtigen.