Untersuchungen zur Gasphasen-Photolyse atmosphärenrelevanter Carbonylverbindungen (Acetaldehyd, Diacetyl, Acetylcyanid, Essigsäure, Propionaldehyd, Butyraldehyd) im Wellenlängenbereich 193-355 nm

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Die in dieser Arbeit bestimmten Quantenausbeuten der Endprodukte Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, die mittels UV-Photolyse der gasförmigen Carbonylverbindungen Acetaldehyd, Diacetyl, Propanal, Butanal, Acetylcyanid und Essigsäure entstanden sind, wurden in Abhängigkeit des Badgasdruckes und der Photolysewellenlänge vermessen. Desweiteren wurden zeitaufgelöste Messungen der Bildung des Produktes CO bei der Photolyse von Aceton bei den Wellenlängen 248 und 193 nm und den Badgasdrücken 20 und 500 mbar durchgeführt. Letztere erfolgten unter Verwendung einer hochauflösenden IR-Diodenlaseranlage, die Photolyse der jeweiligen Substanzen erfolgte mit Hilfe eines stationären Excimer-Lasers. Die Ergebnisse für das Diacetyl zeigen, dass bei der Photolyse mit Wellenlängen von 308 und 248 nm das Molekül in zwei Acetylradikale zerfällt, welche bei ausreichender Überschussenergie spontan unter Freisetzung von messbarem CO zerfallen oder durch stoßinduzierte Deaktivierung vom Badgas thermalisiert werden können. Bei Anwesenheit von Sauerstoff können komplementär die thermalisierten CH3CORadikale über die sogenannte „Acetylchemie“ das messbare Endprodukt CO2 bilden. Durch die Erhöhung des Photolysedruckes nimmt auch die Menge an thermalisierten Acetylradikalen zu, was einen Abfall in der CO-Quantenausbeute über den gesamten Druckbereich bewirkt. Die CO2-Quantenausbeute verhält sich bei der Druck- und Wellenlängenabhängigkeit entgegen der CO-Quantenausbeute, d. h. die Ausbeute steigt mit Erhöhung des Druckes an. Dies würde für die Summe der beiden Produktquantenausbeuten bei ausreichender Überschussenergie eine maximale primäre Quantenausbeute von 2 (1 Diacetyl = 2 CH3CO) bedeuten. Die ermittelte primäre Quantenausbeute von 1,6 für das Diacetyl beweist, dass die Überschussenergie bei einer Photolysewellenlänge von 248 nm nicht ausreichend ist, um alle Diacetylmoleküle in die Endprodukte CO und CO2 zu überführen. Mit der Zunahme der Wellenlänge von 248 nm auf 308 nm zeigt sich eine stärkere Abnahme in den CO-Quantenausbeute als bei den CO2-Quantenausbeuten. Die Ursache liegt zum einen an der Abnahme der primären Quantenausbeute und damit die Verringerung des Zerfalls eines Diacetyls in zwei CH3CO-Radikale, zum anderen in der geringen Überschussenergie, welches einen weiteren Zerfall zu CO nicht begünstigt. Im Fall des Acetaldehyds müssen drei mögliche Zerfallskanäle berücksichtigt werden, welche durch das Verwenden der Photolysewellenlängen 355, 308 und 248 nm nacheinander untersucht werden. Bei einer Photolysewellenlänge von 355 nm kann das Acetaldehyd aufgrund seiner benötigten Aktivierungsenergie von 246 kJ/mol nur durch thermischen Zerfall in CO und CH4 übergehen. Die Messung auf Kohlendioxid verlief erwartungsgemäß negativ. Die Photolyse des Acetaldehyds bei einer Wellenlänge von 308 nm ermöglicht neben dem Zerfall in Methan und Kohlenmonoxid einen zweiten Reaktionskanals, in welchem CH3- und CHO-Radikale gebildet werden. Die Überschussenergie reicht jedoch nicht aus, die CHO-Moleküle in einem zweiten Schritt in Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu zerlegen. Dies bedeutet, dass die gemessene Abnahme in der CO-Quantenausbeute auf die stoßinduzierte Deaktivierung der angeregten Acetaldehydmoleküle durch die Badgasmoleküle zurückzuführen ist, bevor diese in CH4 und CO zerfallen. Bei Anwesenheit von Sauerstoff kann das CHO über sekundäre Reaktionsschritte zu weiterem CO reagieren. Somit wurde die Menge an CHO-Molekülen aus der Differenz des stabilen Endproduktes CO bestimmt, die durch Photolyse von Acetaldehyd bei An- und Abwesenheit von Sauerstoff gebildet wurden. Die Auftragung aus der Differenz der gebildeten CO-Quantenausbeuten und damit der CHO-Quantenausbeute und des verwendeten Gesamtdruckbereiches (50-800 mbar) lässt eine Zunahme (6%-24%) erkennen. Dies liegt daran, dass durch Erhöhung des Druckes der Photolysemischung die Menge an gebildeten CHO-Molekülen zunimmt und diese dann alle bei Anwesenheit von Sauerstoff zu weiterem CO reagieren. Dieses Verhalten der Reaktion kann analog zum Verhalten des Kohlendioxids aus der Reaktion des Acetylradikals mit dem vorhandenen Sauerstoff betrachtet werden. Bei der Messung der CO2-Quantenausbeute fanden sich auch hier, wie bereits zuvor, keine nennenswerten Mengen an CO2. Aufgrund der höheren Energie im Acetaldehydsystem bei dem Wechsel der Photolysewellenlänge von 308 nm auf 248 nm ist ein deutlich verändertes Verhalten in der Druckabhängigkeit der CO- und CO2- Quantenausbeute zu erkennen. Die über den gesamten Druckbereich konstante CO-Quantenausbeute von 100% bedeutet, dass bei Abwesenheit von Sauerstoff alle Acetaldehydmoleküle über die drei primären Zerfallskanäle in Kohlenmonoxid zerfallen. Dies ergibt eine primäre Quantenausbeute von 1 bzw. 100%. Das Fehlen einer Druckabhängigkeit in der Ausbeute schließt eine stoßinduzierte Deaktivierung der angeregten Acetaldehydmoleküle aus. Entgegen der Aussagen verschiedener Arbeiten zur Photolyse von Acetaldehyd bei einer Wellenlänge von 248 nm [Meyrahn et al.,1982], [Horowitz und Calvert, 1982] ist bei Anwesenheit von Sauerstoff eine Entstehung von CO2 und somit das Vorhandensein von CH3CO-Radikalen zu erkennen. Der Vergleich der CO-Quantenausbeuten, die durch die Photolyse von Acetaldehyd, Propanal und Butanal bei einer Wellenlänge von 248 nm entstanden sind, ergibt zwischen dem Acetaldehyd und den beiden anderen Aldehyden Propanal und Butanal eine Verminderung der CO-Ausbeute über den vermessenen Druckbereich. Das Acetaldehyd weist einen zusätzlichen Reaktionskanal bei einer Wellenlänge von 248 nm auf, die die höhere CO-Bildung erklären kann. Der Vergleich der CO-Quantenausbeuten zwischen Propanal und Butanal lässt keinen Unterschied erkennen. Die Erklärung hierfür liegt in den Dissoziationsenergien, die für die beiden CO-Zerfallskanäle von Propanal und Butanal ungefähr gleich groß sind. Die CO2-Quantenausbeuten zwischen allen drei vermessenen Aldehyden nimmt mit wachsender Kettenlänge ab. Im Gegensatz zur Photolyse des Acetaldehyds entsteht bei den anderen beiden Aldehyden kein Fragment, welches bei Anwesenheit von Sauerstoff über sekundäre Reaktionsprozesse zu Kohlendioxid reagieren kann. Erst die weiteren Reaktionen der CH2CHO- bzw. der CH2CH2CHO-Fragmente mit Sauerstoff führen zu CO2. Die Bildung eines Propionyl bzw. Butionyl-Radikals ist aufgrund der hohen Dissoziationsenergien bei einer Wellenlänge von 248 nm nicht möglich. Zwei Reaktionskanäle bei der Photolyse von Essigsäure bei einer Photolysewellenlänge von 193 nm können bei ausreichender Überschussenergie im zweiten Schritt zu messbarem Kohlenmonoxid zerfallen. Einer der beiden Zerfallskanäle bildet Acetylradikale, der andere ist eine Quelle für HCOH-Radikale. Die CO-Quantenausbeute nimmt wie bereits bei den anderen Carbonylverbindungen mit steigendem Druck ab (Deaktivierung der angeregten HCOH und CH3CORadikale und der angeregten Essigsäuremoleküle). Das Essigsäuremolekül besitzt neben den beiden Reaktionskanälen für CO bei der Photolyse mit den Wellenlängen 248 und 193 nm als dritten Zerfallskanal eine direkte Quelle für das Endprodukt CO2. Die gemessene CO2-Quantenausbeute nimmt mit steigendem Druck ab, da die angeregten Essigsäuremoleküle mit der Thermalisierung durch Stöße mit den Badgasmolekülen konkurrieren. Bei Anwesenheit von Sauerstoff steigt die CO2-Quantenausbeute aufgrund der bereits mehrfach besprochenen Acetylchemie mit Erhöhung des Photolysedruckes an. Die Menge an thermalisierten CH3CO-Radikalen lässt sich durch Subtraktion der beiden ermittelten CO2-Quantenausbeuten über den gesamten Druckbereich bestimmen (50 mbar, 5,4%; 800 mbar 36%). Das Acetylcyanid besitzt bei einer Photolysewellenlänge von 193 nm zwei mögliche Zerfallskanäle, von denen einer als CH3CO- Quelle dient. Die Druckabhängigkeit der CO- und CO2-Quantenausbeuten verhält sich analog zu den anderen vermessenen photolysierten Substanzen.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Chemie » Physikalische Chemie
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie » 541 Physikalische Chemie
Beitragende:
Dr. rer. nat. Zellner, Reinhard [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. rer. nat. Mayer, Christian [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
22.12.2009
Dokument erstellt am:
19.02.2010
Promotionsantrag am:
13.11.2009
Dateien geändert am:
19.02.2010
Medientyp:
Text