13.2: Messung von Reaktionsgeschwindigkeiten

Die Polarimetrie findet Anwendung in der chemischen Kinetik, um die Konzentration und Reaktionskinetik von optisch aktiven Substanzen während einer chemischen Reaktion zu messen. Optisch aktive Substanzen haben die Fähigkeit, die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das sie durchdringt, zu drehen – eine Eigenschaft, die als optische Rotation bezeichnet wird. Die optische Aktivität wird auf die molekulare Struktur von Substanzen zurückgeführt. Normales monochromatisches Licht ist unpolarisiert und besitzt Schwingungen des elektrischen Feldes in allen möglichen Ebenen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Wenn ein unpolarisiertes Licht durch einen Polarisator fällt, tritt ein linear polarisiertes Licht aus, das Schwingungen in einer Ebene aufrechterhält.

Ein Polarimeter bestimmt die Polarisationsrichtung des Lichts oder die Rotation, die von einer optisch aktiven Substanz erzeugt wird. In einem Polarimeter wird das planpolarisierte Licht in eine Röhre mit der Reaktionslösung eingeführt, und die Reaktion kann verfolgt werden, ohne das System zu stören. Enthält die Probe optisch inaktive Substanzen, ändert sich die Ausrichtung der Ebene des polarisierten Lichts nicht. Das Licht wird in der gleichen Intensität auf dem Bildschirm des Analysators sichtbar sein, und der Drehwinkelwert (ɑ) zeigt null Grad an.

Das Vorhandensein von optisch aktiven Verbindungen in der reagierenden Probe bewirkt jedoch die Drehung der Ebene des durchgelassenen polarisierten Lichts. Das Licht, das austritt, wird weniger hell sein. Die Achse des Analysators muss im Uhrzeigersinn (rechtsdrehend) oder gegen den Uhrzeigersinn (linksdrehend) gedreht werden, um die maximale Helligkeit zu beobachten. Die Richtung, in die der Analysator gedreht werden muss, hängt von der Art der vorhandenen Verbindung ab. Die gemessene optische Drehung ist proportional zur Konzentration der in der Probe vorhandenen optisch aktiven Substanzen. Durch die Analyse der Drehwinkelmessungen zu verschiedenen Zeitpunkten können die Konzentrationen der optisch aktiven Verbindungen in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt werden.

Spektrometrie

Optische experimentelle Techniken wie die Spektrometrie werden ebenfalls häufig eingesetzt, um chemische Reaktionen zu überwachen und quantitative Informationen über die Reaktionskinetik zu sichern. Mit Hilfe der Spektrometrie wird das Licht einer bestimmten Wellenlänge dazu gebracht, eine reagierende Probe zu durchdringen. Die Moleküle oder Verbindungen (entweder ein Reaktant oder ein Produkt) in der Probe können etwas Licht absorbieren, während sie die verbleibende Menge übertragen, die von einem Detektor gemessen wird. Die Menge des absorbierten Lichts hängt von der Konzentration der interessierenden Verbindung oder des interessierenden Moleküls ab. Je höher beispielsweise die Konzentration einer Verbindung ist, desto größer ist ihre Absorption. Anhand der Absorption wird das Instrument in der Lage sein, die Konzentration der interessierenden Verbindung zu bestimmen. In einer reagierenden Probe berechnet die in periodischen Abständen gemessene Extinktion die Konzentrationen des Reaktanten oder Produkts als Funktion der Zeit.

Druckmessungen

Bei Reaktionen mit Substanzen aus der Gasphase folgt die Reaktionskinetik der Quantifizierung der Änderungen der Molzahl von Gasen in Abhängigkeit von den Druckänderungen. Die Versuchsanordnungen einer Gasphasenreaktion können mit einem Manometer verbunden werden, das den Druck eines gasförmigen Reaktanten oder Produkts messen könnte. Mit fortschreitender Reaktion nimmt der Druck der Reaktanten ab und/oder der Druck der Produkte steigt. Dies kann mit dem Manometer in Abhängigkeit von der Zeit gemessen werden. Durch die Anwendung des idealen Gasgesetzes – die Konzentration eines Gases ist proportional zu seinem Partialdruck – kann die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion berechnet werden.