Vielen Dank an Dipl.-Chem. Hans Jänichen, der sich als Gastautor einige OpenSource- oder anderweitig frei verfügbare Softwaretools zum Thema Chemische Kinetik angesehen und auch die Skripte zur Einführung ausgesucht hat.
- Chemische Kinetik
- Einfache Tools und Datenquellen
- Komplexere Programme für größere Modellierungs- aufgaben
1. Chemische Kinetik
Wer irgend eine Reaktion in irgend einem Behälter ablaufen lassen möchte, muss sich mit der Kinetik der Reaktion auseinandersetzen. Vereinfacht gesagt ist die Kinetik eine Beschreibung der Geschwindigkeitsgesetze, die auf die Reaktion – und auf alle auftretenden Nebenreaktionen – Einfluss nehmen.
Ein korrektes kinetisches Modell beantwortet Fragen wie z. B.:
- Wie lange läuft die Reaktion, bis der gewünschte Umsatz erzielt ist? Und für kontinuierliche Reaktionsapparate: Wie groß müssen diese ausgelegt werden?
- Wie hoch darf der Überschuss einer Komponente höchstens sein, damit sich nicht mehr als die vertretbare Menge an Nebenprodukten bildet?
Grundbegriffe
- Grundlagentext zur Chemischen Kinetik, Quelle: RWTH Aachen, Institut für Anorganische Chemie
- Mathematische Grundlagen der Kinetik, Skript vom Leibnitz-Institut für Pflanzenbiochemie
2. Einfache Tools
Martindale
Diese für Online-Nachschlagewerke bekannte Website bietet viele wissenschaftliche Kalkulatoren. Im Bereich Kinetik finden sich Links zu Stoffdatenbanken, aus denen man die Daten für die Berechnungen beziehen kann, Links zu Applets, welche Konzentrationsverläufe darstellen, und speziellere Tools.
KINDIS und KINBAT
Diese Freeware modelliert die zeitabhängigen Konzentrationsverläufe im Rohrreaktor (KinDis), im Batchreaktor (KinBat) und im durchströmten Rührbehälter (beide). Es sind ziemlich einfache Tools, die sich zur Veranschaulichung gut eignen. Daten findet man z. B. in den im „Martindale“ genannten Datenbanken (siehe oben).
3. Komplexere Tools
(von Dipl.-Chem. Hans Jänichen, ACOS Food Technology,)
Frau Dr. Arnold hat mich gebeten, einen Beitrag über frei erhältliche Software für den Newsletter zu schreiben. Dafür wurde die chemische Reaktionkinetik als Hauptthema gewählt. Die Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Verlauf (das bedeutet in diesem Fall Differentialgleichungen), der Thermodynamik und den Mechanismen von chemischen Reaktionen. Es kann sich dabei um einfache Reaktionsabläufe handeln, häufiger sind jedoch teilweise sehr komplexe Umsetzungen.
Siehe hierzu auch die ausführliche Beilage zu diesem Text.
Beispiel: Maillard-Reaktion
Die Maillard Reaktion ist eine der wichtigsten Reaktionen in der Lebensmittelchemie. Ohne es häufig zu wissen, erfährt man die Resultate dieser Reaktion ständig im täglichen Leben. Näheres zur Maillard-Reaktion findet sich u.a. bei:
- http://de.wikipedia.org/wiki/Maillard-Reaktion
- http://www.quarks.de/kochen/0403.htm
- sowie einer Vielzahl an Internet Links.
Kinetisches Modell für die Maillard-Reaktion
Die Daten stammen aus der folgenden Publikation: F. JOUSSE, T. JONGEN, W. AGTEROF, S. RUSSELL, and P. BRAAT, „Simplified Kinetic Scheme of Flavor Formation by the Maillard Reaction.“ Journal of Food Chemistry and Toxicology 67(7), 2534-42 (2002)
Mit den nachfolgend genannten und frei erhältlichen Programmen ist die Simulation der Kinetik von Reaktionen und die Berechnung von Aktivierungsenergie, Reaktionskonstanten und Konzentrationen von Reaktionen auch mit eigenem Datenmaterial möglich.
Für die Bearbeitung einer komplexeren Reaktionskinetik wie z.B. Modellierung von Mehrkomponentensystemen (Maillard Reaktion, Pyrolyse von Biomasse usw.) eignet sich sehr gut die programmierbare Software Berkeley Madonna.
Auf der Download Seite von Berkeley Madonna können Programm und Handbuch heruntergeladen werden.
Ein weiteres Kinetikprogramm eignet sich für die Berechnung von Geschwindigkeitskonstanten und Aktivierungsenergien, wahlweise nach Arrhenius oder Eyring. Diese Daten können ebenfalls in die Berechnung der Reaktionsverläufe eingesetzt werden – wenn auch, natürlich, mit höherem Unsicherheitsfaktor.
Das Programm kann vom Server der Hochschuler Merseburg heruntergeladen werden.
Auf der Website gibt es auch noch die Programme:
- ZUST – Thermodynamik flüssiger Reinstoffe
- VLE – Phasengleichgewichte
- Komplex – chemische Reaktionsgleichgewichte
- Lab1W – kleines Prg. für Umrechnungen, Molmassen, Konzentrationsberechnungen
Nachtrag vom 12. Mai 2014: Prof. Hradetzky, der diese Programme entwickelt und betreut, hat mir eine aktuelle Übersicht über die Programme und ihre Funktionen zur Verfügung gestellt, die Sie sich herunterladen können. Claudia Arnold
Nachtrag vom 9. Juli 2014: Herr Jänichen ist in diesem Frühjahr verstorben, daher habe ich seine Kontaktdaten entfernt.
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