Chemische Kinetik und Reaktionstechnik

Sina Saxer, sina.saxer@fhnw.ch

Studierende

• können Reaktionsordnungen und -geschwindigkeiten (z.B. differenzielles und integriertes Geschwindigkeitsgesetz, Arrhenius Gleichung) und die Unterschiede zwischen Kinetik und Thermodynamik an Beispielen erklären (2 verstehen).
• können zwischen Elementarreaktionen und komplexen zusammengesetzten Reaktionen /Reaktionsmechanismen unterscheiden und Reaktionsmechanismen ableiten (3 anwenden).
• können die Katalyse und die Funktionsweise von homogenen, heterogenen und biologischen Katalysatoren erklären (2 verstehen).
• können die Voraussetzungen für Reaktionstechnik (kinetische Modelle für homogene Reaktionen, Ermittlung und Analyse exponentieller Geschwindigkeitsdaten, Reaktortyp, Reaktordesign, Temperatur und Druckeffekte, Auslegung und Verweilzeiten, etc.) erklären (2 verstehen).
• können die Methodologie für die Analyse und Auslegung homogener Reaktoren darlegen (3 anwenden).

Definition chemische Kinetik / Reaktionsgeschwindigkeit

• Reaktionsverläufe
• Faktoren
• Stosstheorie

Reaktionsordnungen & Geschwindigkeitsgesetze

• differenzielles Geschwindigkeitsgesetz
• Integriertes Geschwindigkeitsgesetz
• Halbwertszeiten
• Aktivierungsenergie /Arrhenius Gleichung

Reaktionsmechanismen/Mehrstufigereaktionen

• Elementarreaktionen
• Energieprofile
• Geschwindigkeitsgesetz

Katalyse

• Homogene, Heterogene, Biokatalyse
• Reaktionsverlauf Energieprofile mit Katalysator
• Enzymkinetik, Aktivität, Michaelis-Menten

Reaktionstechnik

• Kinetische Modelle für homogene Reaktionen
• Ermittlung und Analyse exp. Geschwindigkeitsdaten
• Typen von Reaktoren
• Isotherme ideale Reaktoren
• Reaktordesign und Scale-Down ins Labor
• Temperatur und Druckeffekte
• Auslegung und Verweilzeiten

Weiterführende chemische Grundlagen(oder alternativ Allgemeine und anorganische Chemie) Studierende

• können die wesentlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Atomen und Molekülen mithilfe von Elektronenstruktur-, Quantenzahlen-, Valenzschalen- und Orbitalmodellen erklären und Konsequenzen daraus auf Reaktivitäten und sterische Effekte übertragen (3 anwenden)
• können die Nah- und Fernordnungen von allgemeinen und spezifischen Flüssigkeiten und Festkörpern beschreiben und Auswirkungen davon auf physikalische und chemische Eigenschaften erklären (2 verstehen)
• können nach erfolgreichem Modulabschluss physikalische und chemische Effekte der gegenseitigen Beeinflussung von Stoffen in Mischungen quantitativ beschreiben und deren Auswirkungen auf chemische, Säure-Base-, und Fällungs-Gleichgewichte berechnen (2 verstehen)
• wissen nach erfolgreichem Modulabschluss um die wichtigsten physikalischen und chemischen Eigenschaften, Hauptgewinnungsmethoden und wesentliche Verwendungszwecke der behandelten Auswahl wichtiger anorganischer Stoffe (3 anwenden)

Allgemeine und anorganische Chemie(oder alternativ Allgemeine und anorganische Chemie) Studierende

• können die Bildung von Ionen durch die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen aus Atomen und Molekülen formulieren; beherrschen Umrechnungen zwischen Massen und Stoffmengen, das korrekte Formulieren von Reaktionsgleichungen, Reduktions- und Oxidationshalbreaktionen und die Bestimmung von Oxidationszahlen (2 verstehen)
• können die Bindungspolarität via Elektronegativitäten von kovalenten Bindungen bis Ionenbindungen abschätzen; können vollständige Lewis-Strichformeln und Resonanzstrukturformeln zeichnen (2 verstehen)
• können den Zustand von Gasen mithilfe der idealen Gasgleichung quantitativ ausdrücken; können intermolekulare Kräfte in Flüssigkeiten qualitativ charakterisieren und unterscheiden; können die unterschiedlichen Aggregatzustände der Materie beschreiben (2 verstehen)
• können die Gleichgewichtsbedingungen von chemischen Gleichgewichten formulieren, die Gleichgewichtskontanten berechnen und die Auswirkungen des Prinzips von Le Chatelier erklären (3 anwenden)
• sind in der Lage, pH-Werte und Titrationskurven von starken und schwachen Säuren und Basen sowie pH-Werte von Puffersystemen anhand der Säuren- und Basenkonstanten zu berechnen (3 anwenden)

Grundlagen Organische Chemie(oder alternativ Grundlagen Organische Chemie Kompaktmodul) Studierende

• kennen die funktionellen Gruppen von organischen Molekülen, deren prinzipielle Bildung und einfache Reaktionen (1 kennen)
• kennen die Bindungverhältnisse (Bindungslänge, Bindungsstärke, Hybridisierung, Mesomerie) von organischen Molekülen und die resultierende dreidimensionale Struktur (2 verstehen)
• können die grundlegenden Prinzipien der Stereochemie (Konfiguration, Konformation, Nomenklatur, Stereoselektivität) auf einfache Moleküle und Reaktionen anwenden (3 anwenden)
• können die Säure- resp. Basenstärken aufgrund der Molekülstrukturen abschätzen (3 anwenden)
• können Reaktionen klassifizieren und elektronische und sterische Einflüsse (Mesomerie, Induktion, Hyperkonjugation) erklären (2 verstehen)

Grundlagen Organische Chemie Kompaktmodul(oder alternativ Grundlagen Organische Chemie) Studierende

• können Lewisstrukturen organischer Verbindungen unter Berücksichtigung der Oktettregel aufstellen. (1 verstehen)
• können die Raumstruktur von organischen Verbindungen ausgehend von der Strukturformel ableiten. (3 anwenden)
• erkennen funktionellen Gruppen in organischen Verbindungen und kennen deren Reaktionsmöglichkeiten und physikochemischen Eigenschaften (Polarität, Löslichkeit, Azidität, Basizität) und können den pH-Wert von wässrigen Lösungen berechnen (3 anwenden)
• kennen die schwachen Wechselwirkungen zwischen Molekülen und können diese qualitativ auf organische Verbindungen anwenden. (3 anwenden)

Mechanik und Wärme Studierende

• verstehen die grundlegenden Gesetze der Mechanik und der Wärmelehre und grundlegenden Begriffe, wie z.B. inertiales Bezugs¬system, geschlossenes System, Erhaltungssatz (Energie, Impuls, …), konservative Kraft, Arbeit, Leistung, Potential etc. (2 verstehen)
• können die Dynamik von Massenpunkten und -systemen mit Hilfe der Newton’schen Gesetze und der
• können die Gesetze der Fluidik (Schweredruck, Auftrieb, Oberflächenspannung, Bernoulli, Viskosität) auf konkrete Fragestellungen umsetzen (3 anwenden)
• können die Gesetze der Wärmelehre (Wärmetransport, Zustand idealer Gase, kinetische Gastheorie, 1. HS, 2. HS, Wärmekraft-Maschine) auf konkrete Fragestellungen umsetzen (3 anwenden)
• verstehen das Phänomen Schwingung, Resonanz und Wellenausbreitung (am Beispiel mechanischer Systeme: Feder-Massen-Schwinger, Wasserwellen, Druckwellen ...) (2 verstehen)

Modulvorbereitung

• Brown, LeMay, Bursten Chemie - Studieren kompakt, Pearson
• O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, John Wiley, 3rd edition, 1999

Kursmaterial

• Vorlesungsskript

Assessment für Studienrichtung Chemie (Spezialisierung Chemische Synthese und Querschnittsqualifikation Materialien)

• Vorlesung
• Experiment. Unterricht
• Gruppenarbeit /Präsentationen

Modulschlussprüfung schriftlich (100%)

• Praktikum Chemische Prozesstechnik I
• Praktikum Chemische Prozesstechnik II
• Risikomanagement und Qualitätssicherung

2 x 2 Lektionen / Woche KW 8 bis 18 (10 Wochen im Frühjahr-Semester)