Eine Einführung in n-te Ordnung und Autokatalyse-Reaktionen

2. Homogenes Reaktionssystem

Ein homogenes Reaktionssystem ist eine Art ideales Reaktionssystem, in dem die Reaktionsmoleküle gleichmäßig im System verteilt sind. Im makroskopischen Sinne gibt es keine signifikanten Konzentrationsunterschiede in verschiedenen Regionen. Zu jedem Zeitpunkt ist die Reaktionsgeschwindigkeit im gesamten System gleich. In einem solchen Reaktionssystem ist neben der Temperatur die Molekülkonzentration und deren Änderung der einzige dominierende Faktor für die Reaktionsgeschwindigkeit.

Im Gegensatz dazu gibt es bei einem heterogenen (manchmal auch inhomogenen) Reaktionssystem ein klares Konzept der Reaktionsgrenzfläche. Die molekularen Reaktionen finden nur an solchen Grenzflächen statt. In dieser Art von System ist die Konzentrationsänderung nicht mehr der dominierende Faktor für die Reaktionsgeschwindigkeit.

Außerhalb der Grenzfläche behält der Reaktant nämlich immer die Anfangskonzentration bei, und die Reaktionsgeschwindigkeit ist immer gleich Null. Neben der Temperatur ist der Faktor, der die Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug auf die Grenzfläche dominiert, einfach die Geometrieeigenschaft der Grenzfläche selbst, zusammen mit ihrer Entwicklung über die Zeit (Ausdehnung, Kontraktion, Verdickung) und den Raum (eindimensional, zweidimensional, dreidimensional).

Sowohl homogene als auch heterogene Systeme sind ideale mathematische Modelle. Die realen chemischen Reaktionssysteme sind oft komplizierter, aber für kleine Reaktionen (wie z. B. thermische Analysemessungen mit ~10 mg Probenmenge) und unter der Annahme eines idealisierten Stoff- und Wärmeübergangs können die meisten Reaktionen einem dieser beiden Systeme zugeordnet werden.

Im Bereich der thermischen Analyse können die gleichförmigen Flüssigphasenreaktionen (wie Reaktionen in Lösung) normalerweise als homogene Reaktionen eingestuft werden, während die Reaktionen, die mehrere Phasen umfassen (Gas/Feststoff, Flüssigkeit/Feststoff, Gas/Flüssigkeit, Feststoff/Feststoff, Flüssigkeit/Flüssigkeit) als heterogen gelten. Aber auch einige einheitliche Festphasenreaktionen, bei denen es kein klares Konzept der Reaktionsgrenzfläche gibt, können manchmal zu einem homogenen Modell vereinfacht werden.

Sobald das kinetische Modell für ein kleines Reaktionssystem erstellt ist, muss eine weitere Korrektur für den Massen- und Wärmeübergang vorgenommen werden, um es für die tatsächliche industrielle Anwendung zu vergrößern.

Anmerkung: Die Begriffe "homogen" und "heterogen" beziehen sich hier nur auf die Phasenzustände von Reaktant und Produkt. Es ist unerheblich, ob es sich bei der Materialzusammensetzung um einen chemisch reinen Stoff handelt oder nicht.

Ein Beispiel wäre die Kristallisation eines Feststoffs: Obwohl das Material im chemischen Sinne "rein" sein kann, ist die Reaktion heterogen, wenn der Phasenzustand des kristallisierten Bereichs sich von dem des amorphen Bereichs unterscheidet.

Ein weiteres Beispiel ist die Aushärtung von faserverstärktem Harz. Obwohl es sich makroskopisch gesehen um einen Verbundwerkstoff handelt, der verschiedene Zusammensetzungen (Harz, Fasern usw.) enthält, kann die Verteilung der Fasern in kleinerem Maßstab auch ungleichmäßig sein. Wenn man jedoch die Wechselwirkung zwischen Harz und Fasern außer Acht lässt und annimmt, dass die Aushärtungsreaktion nur innerhalb des flüssigen Harzes stattfindet, kann sie immer noch als homogene Reaktion eingestuft werden.