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

Duisburg, Essen (2009), 136 S.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie » Physikalische Chemie
Zellner, Reinhard (Doktorvater, Betreuerin)
Mayer, Christian (GutachterIn)
Duisburg-Essen, Univ., Diss. 2009
Abstract:
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.