TP - A1
Nichtgleichgewichtseffekte in chemischen Reaktionen
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Nichtgleichgewichtseffekte in chemischen Reaktionen

Ein Schwerpunkt dieses Sonderforschungsbereichs ist die Behandlung instationärer Verbrennungsvorgänge. Diese weisen starke sowohl zeitliche als auch lokale Änderungen von Konzentrationen, Druck und Temperatur auf. Unter solchen Bedingungen sind ausgeprägte Nichtgleichgewichtseffekte zu erwarten, welche immer dann auftreten, wenn bei chemischen Reaktionen die Reaktionszeiten in den Bereich der Zeiten der stoßinduzierten Energieübertragung gelangen Dies führt zu Nichtgleichgewichtsbesetzungen von Molekülzuständen und tritt ganz allgemein auch bei stationären chemischen Vorgängen auf, die sich nach einer plötzlichen Zustandsänderung eines chemischen Systems einstellen. Die Zeit bis zum Erreichen dieses stationären Zustands wird Induktionszeit genannt.

Zündungs- und Verbrennungsprozesse werden stark von der Konkurrenz zwischen intermolekularer stoßinduzierter Energieübertragung und intramolekularen chemischen Prozessen diktiert und demnach von Gradienten der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur stark beeinflußt. Für die meisten Moleküle, die in Zündungs- und Verbrennungsprozessen involviert sind, ist der Einfluß von Nichtgleichgewichtseffekten auf die Konkurrenz verschiedener Reaktionskanäle nicht verstanden. Für die numerische Simulation bzw. die Vorausberechnung der Zündung ist die Kenntnis dieser Einflüsse jedoch unerläßlich.

Mit Hilfe der Stoßwellentechnik und der Laserblitzlichtphotolyse sollen diese Vorgänge daher beispielhaft an den Alkoxy-Systemen (C_nH_2n+1O) untersucht werden. Begonnen werden soll mit Untersuchungen am Ethoxysystem (C₂H₅O), welches besonders gut geeignet ist, da es noch hinreichend klein ist und zuverlässige ab-initio Berechnungen der Potentialhyperfläche erlaubt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sollen zur Ermittlung spezifischer Geschwindigkeitskonstanten mittels statistischer Theorien genutzt werden. Auf experimenteller Seite ist das System komplex, da eine Vielzahl von Reaktionskanälen (z.B. OH + C₂H₄, H + CH₃CHO, CH₃ + H₂CO und C₂H₅O) über unterschiedliche Barrieren miteinander gekoppelt sind. Dabei kann fast jeder Weg durch chemische Aktivierung oder Laserblitzlicht-Photolyse initiiert und durch laserinduzierte Fluoreszenz von OH, CH₃CHO, H₂CO und C₂H₅O selektiv und sensitiv nachgewiesen werden. Ziel des Projektes ist es, die Verzweigungsverhältnisse und die unterschiedlichen Bildungsgeschwindigkeiten der Produkte als Funktion von Druck und Temperatur zu erfassen. Dabei sollen die oben aufgezeigten verschiedenartigen chemischen Aktivierungen als Zugänge in das System genutzt werden. Die Konkurrenz zwischen inter- und intramolekularen Prozessen wird dann über eine Mastergleichungsanalyse der Produktbildung analysiert. Die Ergebnisse dieses Projekts werden erheblich zum Verständnis von Nichtgleichgewichtseffekten chemischer Reaktionen beitragen.

Dieses Projekt ist von grundsätzlicher Bedeutung für alle Teilvorhaben, in denen unter instationären Druck- und Temperaturbedingungen kinetische Modelle zur Zündung und Verbrennung entwickelt, validiert und verwendet werden.