fotokÉmiai reakciÓk, reakciÓkinetikai...
TRANSCRIPT
![Page 1: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/1.jpg)
FOTOKÉMIAI REAKCIÓK,FOTOKÉMIAI REAKCIÓK,
REAKCIÓKINETIKAI REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKALAPOK
![Page 2: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/2.jpg)
Légköri nyomanyagok forrásai: bioszférahidroszféralitoszféravilágűremberi tevékenység
AMI BELÉP, ANNAK TÁVOZNIA IS KELL!
Légköri nyomanyagok nyelői: száraz ülepedésnedves ülepedés/rejtett ülepedés
![Page 3: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/3.jpg)
Nyomanyagok látszólag forrás és/vagy nyelő nélkül
DE:
nincs egyirányú tendenciaesetleg van napi/évi menet
FORRÁS/NYELŐ A LÉGKÖRBEN MAGÁBANkémiai folyamatok (keletkezés/elreagálás)
![Page 4: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/4.jpg)
Kémiai reakciók sebessége: reagensek mennyiségeenergia mennyisége
Aktuális koncentráció: környezeti feltételek+
reakcióidő
![Page 5: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/5.jpg)
A légkör legmeghatározóbb kémiai reakciói afotokémiai (fény hatására végbemenő)
reakciók
Energia: az elnyelt fotonok energiája(elektromágneses sugárzás, forrása a Nap)
A fény térben és időben változik →→ a fotokémiai reakciók sebessége változik →→ koncentrációk változnak →→ befolyásolja a közvetlenül nem érintett nyomanyagok mennyiségét is
![Page 6: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/6.jpg)
dI ~ I dz= - b
abszorpciós együttható (λ függő) [1/m]
![Page 7: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/7.jpg)
I dzdI = - b
- ln [I(z)] = b z + kz = 0 - ln [I(0)] = k
- ln [I(z2)] + ln [I(z1)] = b (z2 – z1)
- ln [I(z2)/I(z1)] = b (z2 – z1)
)zz(be)z(I)z(I
12
1
2 −−=
![Page 8: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/8.jpg)
I(z2)I(z1)
= e∫- b(z) dzz1
z2
homogén közegben: b(z) = b
optikai vastagságlégkörben: optikai mélység (λ függő)
δa
I = Io e - δaBouguer-
Beer-Lamberttörvény
τ átbocsátási együttható, transzmittancia (λ függő)
ami nem megy át, az elnyelődik → 1 – τ = α (abszorbancia [λ függő])
![Page 9: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/9.jpg)
egy molekulára eső elnyelés/abszorpció:
Nb=σ [ ]2
3 mm1
m1 ⇒⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
abszorpciós hatáskeresztmetszet (λ függő)
![Page 10: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/10.jpg)
Molekuláris elnyelés δa
Molekuláris szórás(Rayleight-szórás)
δm ~ λ-4
Részecske szórás(Mie-szórás)
δp ~ λ-p
p ∈ [1...4]
χδ+δ+δ−= cos/)(od
pmaeII o65<χ
Iakt = Id + Iszórt aktinikus energia-fluxus/intenzitás
(fotokémiailag potenciálisan aktív sugárzás)
![Page 11: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/11.jpg)
E = h·ν Planck-tv.h = 6,625 · 10-34 Js Planck állandó
A légköri kémiai folyamatok szempontjából lényeges hullámhossz-tartomány
200 nm < λ < 1100 nm
lényeges elnyelése csak az ózonnak van
![Page 12: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/12.jpg)
1. lépés: foton/energia elnyelés → gerjesztett állapot
A + hν→ A*
A* → B + CDisszociál (fotolízis, fotodisszociáció)
A* + D → E (+ F)Kémiai reakcióra válik képessé
A* + M → A + MEnergiaátadás(ütközéses deaktiváció)
A* → A + hνFluoreszkál
A* → A+ + e -Ionizálódik
troposzférasztratoszféra
![Page 13: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/13.jpg)
A + hν→ A*
[A]Jdt
][Ad *=
A + hν→ A* → B + C
A* azonnal továbbalakul
[A]Jdt
d[C]dt
d[B]==
a reakció sebességi együtthatója
J = Iakt(λ) σA(λ) Φ(λ) dλ∫λ
![Page 14: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/14.jpg)
A + B → C
ahol C = AB
ütközés valószínűsége arányos a koncentrációk szorzatával
[ ] [ ][ ]BAkdtCd
=
RTE
eAk−
= Arrhenius formula
aktivációs energia
Arrhenius paraméter (ha nem függ T-től)
k megadása A-val és E-vel
![Page 15: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/15.jpg)
reakciósebességet ismerjük koncentráció-változás számolható
A + B → C + D
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ]BAkdtBd
dtAd
dtDd
dtCd
=−=−==
[ ] [ ] [ ] [ ]AkdtAd
dtDd
dtCd
=−== [ ] [ ] tk0t eAA −⋅=
[ ] [ ] [ ] [ ]( ) [ ] [ ] ( )tk00t00t e1ACAACC −−+=−+=
EGYSZERŰ BOMLÁS
A (+ hν)→ C + D
![Page 16: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/16.jpg)
EGYESÜLÉS, CSEREBOMLÁS
A + B → C (+ D)
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ]BAkdtAd
dtBd
dtDd
dtCd
=−=−==
[B] is változik → nem állandó együtthatós diff. egyenlet [A]-ra!
numerikus módszerek
![Page 17: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/17.jpg)
SPECIÁLIS ESET
A + B → C (+ D) [B] >>> [A]
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ]ABkdtAd
dtBd
dtDd
dtCd
=−=−==
NO + O3 → NO2 + O2 [O3] ~ 500-1000 x [NO]
k’
[ ] [ ]A'kdtAd
=−
[ ] [ ] [ ] [ ] tBk0
t'k0t eAeAA −− ==
!
![Page 18: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/18.jpg)
2 A + B → 2 C( NO + NO + O2 → NO2 + NO2 )
[ ]=−
dtBd
k [A] [A] [B]
[ ]=−
dtAd k [A] [A] [B]
[ ]=−
dt2Ad
k [A]2 [B]
[ ]=
dtCd
2 k [A] [A] [B][ ]
=dt2Cd k [A]2 [B]
2
![Page 19: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/19.jpg)
Általánosítás:
α A + β B → γ C + δ D
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]βα=δ
=γ
=β
−=α
− BAkdtDd
dtCd
dtBd
dtAd
α, β, γ, δ egész számok ─ sztöchiometriai együtthatók
A-ban α-ad rendű, B-ben β-ad rendű reakció
A reakció α+β-ad rendű
Csak elemi reakciókra igaz!
![Page 20: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/20.jpg)
Termikus reakciók speciális esete:
NYOMÁSFÜGGŐ REAKCIÓK
O + O ↔ O2† vibrációsan gerjesztett, instabil molekula
O2† + M → O2 + M
bármi, általában N2 vagy O2
O + O → O2†
O2† + M → O2 + M
O2† → O + O
gyengén T függő
erősen T függőha T ↑, akkor k ↓
RTE
eAk−
= Arrhenius formulaha T ↑, akkor k ↑
![Page 21: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/21.jpg)
SZABAD GYÖKÖK:
Párosítatlan spínű elektron a külső héjon →→ nagy reakcióképesség
Jelölés: A•, (AB)•, (AB)2•
Legegyszerűbbek: H•, O2•, (NO)•, (NO2)•, (OH)•
nagy reaktivitás → fontos szerep a levegőkémiában
kis mennyiség
rövid légköri tartózkodási idő
nagy idő- és térbeli változékonyság
![Page 22: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/22.jpg)
GYÖKKÉPZŐDÉSI REAKCIÓLÁNC:
1. O3 + hν→ O2 + (O*)2•
2. (O*)2• + H2O → 2 (OH)•
3. CO + (OH)•→ H• + CO2
4. CH4 + (OH)•→ H2O + (CH3)•
5. (CH3)• + O2 → (CH3O2)•
hidroxil gyök
metil gyök
metil-peroxi gyök
![Page 23: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/23.jpg)
1. O3 + hν→ O2 + (O*)2•
2. (O*)2• + H2O → 2 (OH)•
3. CO + (OH)•→ H• + CO2
4. CH4 + (OH)•→ H2O + (CH3)•
5. (CH3)• + O2 → (CH3O2)•
[ ] [ ] [ ][ ]OHOkOJdtOd
2*
231
*
−=
2. reakció nagyon gyors,
amíg J1, k2, [O3], [H2O] nem változik lényegesen:[ ] 0dtOd *
=
J1[O3] = k2[O*][H2O]
[ ] [ ][ ]OHk
OJO22
31* =
![Page 24: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/24.jpg)
1. O3 + hν→ O2 + (O*)2•
2. (O*)2• + H2O → 2 (OH)•
3. CO + (OH)•→ H• + CO2
4. CH4 + (OH)•→ H2O + (CH3)•
5. (CH3)• + O2 → (CH3O2)•
[ ] 0dtOHd
=
Általánosítás:
[ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] 0OHCHkOHCOkOHOk2dtOHd
4432*
2 =−−=
P1 = POH
L1 + L2 = LOH
[ ] [ ] [ ]OH)CHkCOk( 443 +−
[ ]OH
OH
LPOH =
[ ]∑∑
=
ii
ii
L
PA
kvázistacionáriusközelítésquasi/pseudo steady-stateapproximation (QSSA/PSSA)
Mindig ellenőrizni kell a jogosságát!
![Page 25: FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOKnimbus.elte.hu/oktatasi_anyagok/levegokemia/06_Reakcio-kinetika.pdf · Energia: az elnyelt fotonok energiája (elektromágneses sugárzás,](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040601/5e93bc52e4862d71ba1d27e6/html5/thumbnails/25.jpg)
TARTÓZKODÁSI IDŐ:
M = -F · τ / ÷V
c dtcd
− · τ=
dtcd
c−=τ
[ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]∑=++=−i
i21 LA...ACkABkdtAd
[ ][ ] ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛===
∑∑ L1
L1
LAAτ
ii
ii
MA MB