Nye Kemiske Horisonter - Danmarks Tekniske Universitet: Kemisk ...

More documents

Recommendations

Info

Kemiske Reaktioner Reaktionsskemaer Kemiske reaktioner, dvs. omdannelsen af stof, beskrives ofte ved en reaktionsligning. Betragt som et eksempel dannelsen af vand ud fra grundstofferne (i deres stabile form): 2H 2 + O 2 → 2H 2 O Hvad betyder ovenstående reaktionsskema? Det betyder, at dannelse af 2 molekyler vand (produktet) ud fra grundstofferne kræver to molekyler hydrogen og et molekyle oxygen (reaktanterne). Vi kan også vælge at se på dannelsen af ti molekyler vand, hvilket betyder, at vi må multiplicere alle koeffi cienter i skemaet med fem, eller vi kunne vælge at betragte dannelsen af to mol vand, etc. Et reaktionsskema er altså blot et regnskab, som viser, hvad der kom ind, og hvad der kom ud af omdannelsen. I et sådant kemisk regnskab ændres arten og antallet af molekyler fra venstre til højre side, mens arten og antallet af de indgående atomer må være det samme på begge sider. Reaktionsskemaet fortæller ikke noget om reaktionsmekanismen, der leder til omdannelsen. Denne information gemmer sig bag reaktionspilen ”→”. Selvom ovenstående reaktionsskema ser ganske simpel ud, er selve reaktionen i virkeligheden ret kompliceret. Eksperimentelle undersøgelser har vist, at under selve omdannelsen kan der detekteres forskellige molekyler ud over reaktanterne og produktet som f.eks. OH-radikaler. Reaktionsskemaet beskriver det samlede resultat af en serie af kemiske reaktioner. Dette er ikke et specielt resultat for den valgte proces, men noget der typisk gælder for alle de reaktionsskemaer, som nedskrives i kemien. Elementarreaktioner De basale kemiske reaktioner, som alle reaktionsskemaer sammenfatter, består af følgende to typer grundlæggende såkaldte elementarreaktioner, nemlig uni- og bi-molekylære reaktioner. Ved en unimolekylær reaktion omdannes kun et molekyle (A) til et eller fl ere nye molekyler: A → I en bimolekylær reaktion sker reaktionen ved, at netop ét molekyle (A) reagerer med ét andet molekyle (B), hvorved et eller fl ere nye molekyler dannes: A + B → For at en kemisk reaktion kan fi nde sted kræves tilførsel af energi, f.eks. i form af varme eller lys (elektromagnetisk stråling). Et velkendt eksempel på sidstnævnte er den unimolekylære reaktion, hvor ozon spaltes til hhv. molekylært og atomart oxygen: O 3 +”lys”→ O 2 + O Når vi taler om at ”fi lme” en kemisk omdannelse, er det således elementarreaktioner, som vi tænker på. Vi ser nu nærmere på disse elementarreaktioner og prøver at forstå de detaljer, som gemmer sig bag reaktionspilen ”→”. Det kræver, at vi kigger lidt nærmere på lidt af den teori, der beskriver stof på atomar skala. Lidt teori Vores viden om naturen udvikles hele tiden i et samspil mellem teorier og eksperimenter. Oftest bliver nye teorier til i forsøg på at sætte eksperimentelle observationer i system, eller når eksisterende teorier ikke kan gøre rede for nye eksperimentelle observationer. Et berømt eksempel på det førstnævnte er historien om Newton (1642-1727), der undrede sig over, hvorfor et æble altid falder nedad, Kan man fi lme en kemisk reaktion? 151
152 hvilket ledte ham til opdagelsen af sammenhængen mellem kraft og acceleration kendt som Newtons anden lov. En anden af de vigtigste teorier i den naturvidenskabelige historie er kvantemekanikken, der blev etableret i midten af 1920’erne som et resultat af, at den ”klassiske” fysik (bl.a. Newtons anden lov) gav forkerte resultater for meget små enheder med meget små masser så som elektroner, atomer og molekyler. Nogen gange sker det, at man vha. en teori kan forudsige forhold, som det på det tidspunkt, hvor forudsigelsen fandt sted, ikke var muligt eksperimentelt at eftervise. Sådan forholder det sig netop med indsigten i kemiske elementarreaktioner – opnået ved brug af en kombination af Newtons anden lov og kvantemekanikken. Kvantemekanik En af de specielle forudsigelser fra kvantemekanikken – som er baggrunden for stavelsen ”kvante” – er, at den totale energi for et atom eller molekyle kun kan antage nogle bestemte udvalgte værdier. Man siger, at energien er kvantiseret. En anden forudsigelse er, at vi ikke helt kan tænke på elektroners og atomkerners bevægelse, som vi eksempelvis tænker på billardkuglers bevægelse. Det kommer fra et generelt resultat fra kvantemekanikken, nemlig den såkaldte Heisenberg ubestemthedsrelation: ∆x∆p ≥ h 4� Denne relation siger, at der altid er en vis ubestemthed i, hvor en partikel er (x angiver position) og – populært sagt – hvor den er på vej hen (p angiver impuls). Relationen viser, at produktet af ubestemthederne i position og impuls altid er større end et tal relateret til Plancks konstant, h, som er et meget lille tal (ca. 10 -34 kg m 2 /s). Ubestemthedsrelationen har derfor ingen betydning i vores ”normale” Kan man fi lme en kemisk reaktion? verden, men den har betydning for meget små og lette partikler. En elektron vejer ca. 10 -30 kg, og de meget ”tungere” atomkerner vejer ca. 10 -27 -10 -25 kg. Et atom bestående af kerne plus elektroner har en radius på nogle få Ångström (1 Ångström = 1 Å= 0,1 nanometer = 10 -10 meter), hvilket også er længdeskalaen for en kemisk binding. Størrelsen af et molekyle afhænger naturligvis af hvor mange atomer, det består af. Det forhold, at elektroner er meget lettere end atomkerner, betyder, at elektroner altid skal behandles kvantemekanisk, mens atomkerner nogen gange kan beskrives rimelig nøjagtigt med Newtons anden lov. Det betyder også, at elektroner typisk bevæger sig meget hurtigere end atomkerner. Denne såkaldte tidsskalaseparation gør, at man med god tilnærmelse kan behandle elektronernes og atomkernernes bevægelse hver for sig. Fra elektronernes synspunkt kan atomkernerne opfattes som værende stort set stationære. Man kan derfor ved hjælp af kvantemekanikken beregne elektronernes totale (kinetiske + potentielle) energi for forskellige fastholdte kerneafstande. Ved at forbinde disse energier fremkommer et energilandskab – kaldet en potential-energi fl ade – hvorpå kernernes bevægelse kan analyseres. Det er kernernes bevægelse, der giver anledning til kemiske omdannelser. Figur 2 viser en potential-energi fl ade som funktion af to interatomare afstande (”bindingslængder”). Ser man på bevægelsen langs ”dalen” i energilandskabet, beskriver det en bimolekylær reaktion, hvor dannelsen af en ny binding sker på bekostning af en allerede eksisterende, dvs. to molekyler reagerer og bliver til to andre molekyler. For at komme fra reaktanter til produkter er der en barriere i den potentielle energi, som skal krydses. Denne energi kaldes for den klassiske aktiveringsenergi for reaktionen og benævnes E A .
Page 1 and 2:
Nye Kemiske Horisonter
Page 5 and 6:
Stor tak til Carlsbergs Mindelegat
Page 7 and 8:
Er du også på vej mod mod nye kem
Page 10 and 11:
Af ph.d. studerende Anne Mette Frey
Page 12 and 13:
Alternative energikilder I dag fi n
Page 14 and 15:
Oxygen Fuldstændig forbrænding Ov
Page 16 and 17:
Kapitlets forfattere: Fra venstre p
Page 18 and 19:
Tabel 1. I tabellen ses hvor meget
Page 20 and 21:
Plantebestanddele Vigtige byggesten
Page 22 and 23:
kelforurening og store lugtgener. D
Page 24:
har en stor betydning for luftkvali
Page 27 and 28:
26 Af ph.d. studerende Lars Ulrik N
Page 29 and 30:
28 F O + O H N NH Figur 3. I fi gur
Page 31 and 32:
En bakterie kommer ind i kroppen Kr
Page 33 and 34:
32 HOOC NH2 Ab 38C2 HOOC NH O Figur
Page 35 and 36:
34 Organokatalyse Som vi så i forr
Page 37 and 38:
36 Som det ses i fi gur 10, er den
Page 39 and 40:
38 O O Ved reduktion af en dobbeltb
Page 41 and 42:
40 Ved reaktionen vist på fi gur 1
Page 44 and 45:
Af civilingeniør-studerende Andrea
Page 46 and 47:
Ioniske væsker er - i modsætning
Page 48 and 49:
Hvorfor er ioniske væsker væsker?
Page 50 and 51:
mindelige fysiske egenskaber sammen
Page 52 and 53:
afsvovlet diesel
Page 54 and 55:
teressante. Ioniske væsker har nem
Page 56 and 57:
Ofte består homogene katalysatorer
Page 58:
Figur 11. Ved BASF’s BASIL proces
Page 61 and 62:
60 Af specialestuderende Sofi e Egh
Page 63 and 64:
62 Disse tetraedre danner 3-dimensi
Page 65 and 66:
64 Et reaktionsskema for udskiftnin
Page 67 and 68:
66 kan foregå inde i strukturen. I
Page 69 and 70:
68 Katalysatorer til en drømmereak
Page 71 and 72:
70 Zeolitter i fremtiden Verden ove
Page 74 and 75:
Computerkemi - en opdagelsesrejse i
Page 76 and 77:
Tempoet gjorde det umuligt at forud
Page 78 and 79:
Figur 3: De to systemer, som kunne
Page 80 and 81:
sig den øgede kompleksitet, når d
Page 82 and 83:
Kapitlets forfattere: Civilingeniø
Page 84 and 85:
Vi har også gennemført nogle bere
Page 86 and 87:
Bæredygtig kemi i fremtiden 85
Page 88:
Figur 19. Det sidste TS-kompleks er
Page 91 and 92:
90 Af ph.d. studerende Johan Hygum
Page 93 and 94:
92 1.000.000 € 100.000 € 10.000
Page 95 and 96:
94 spalter vand (fi gur 3). For nyl
Page 97 and 98:
96 Eddikesyre 2,4 Mtons 12% MTBE 9,
Page 99 and 100:
98 O NH3, H2O2 katalysator Figur 8.
Page 101 and 102: 100 HO O HO OH HO O OH Figur 9. Str
Page 103 and 104: 102 HO HO O H 2N O Figur 11. Syntes
Page 105 and 106: 104 DDT (Dichlordiphenyltrichloreth
Page 107 and 108: 106 ihjel. Et sekundært pesticid k
Page 109 and 110: 108 Tabel 1. Top-10 over de mest s
Page 111 and 112: 110 H 3C Figur 16. Tidlige HMGR-hæ
Page 113 and 114: 112 H 3C H 3C O HO H H O O O Figur
Page 115 and 116: 114 Bæredygtig kemi i fremtiden
Page 117 and 118: 116 af sygdommen. En tidligere bete
Page 119 and 120: 118 Me O Ph N Ph Figur 3. Semisynte
Page 121 and 122: 120 Isolation Et naturstof isoleres
Page 123 and 124: 122 O O H HO OH OH OH HO OH O OH Ph
Page 125 and 126: 124 Epothilone A og B Flere interes
Page 127 and 128: 126 til for at holde den usynlige t
Page 129 and 130: 128 O H N SiMe2t-Bu S S Figur 13. M
Page 131 and 132: 130 sistens er et problem, der ikke
Page 133 and 134: 132 tibiotikum med en hidtil uovert
Page 135 and 136: 134 Solceller - et strålende svar
Page 137 and 138: 136 den, nemlig 1,7·10 5 TW. Hvis
Page 139 and 140: 138 Solceller i praksis Inden for s
Page 141 and 142: 140 Kapitlets forfattere er fra ven
Page 143 and 144: 142 Siliciumsolceller Langt den mes
Page 145 and 146: 144 hvorved der dannes et elektron-
Page 147 and 148: 146 sorbere synligt lys således, a
Page 149 and 150: 148 Kan man fi lme en kemisk reakti
Page 151: 150 Kemi - hvad er det? Før vi gå
Page 155 and 156: 154 Kapitlets forfattere er fra ven
Page 157 and 158: 156 Figur 4. Skematisk illustration
Page 159 and 160: 158 Eksempel 1. Det første trin i
Page 161 and 162: 160 alise-ringer af processen, dvs.
Page 163 and 164: 162 Bæredygtig kemi i fremtiden
Page 165 and 166: 164 Af civilingeniør-studerende Na
Page 167 and 168: 166 Hvad er polymerer? Polymerer er
Page 169 and 170: 168 Bæredygtig kemi i fremtiden Fi
Page 171 and 172: 170 DBS - PPy Figur 7. Polypyrrol d
Page 173 and 174: 172 Cyklisk Voltammetri (CV) Metode
Page 175 and 176: 174 Faktorer der påvirker ionvandr
Page 177 and 178: 176 Kationstørrelse og valens: Det
Page 179 and 180: 178 100 80 60 40 20 Kraft pr. Areal
Page 181 and 182: 180 Ordliste aldolase enzym der kat
Page 183: 182 phenylringe benzenringe polypep
show all

Nye Kemiske Horisonter - Danmarks Tekniske Universitet: Kemisk ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?