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Autokatalyse

1920
  • Alfred J. Lotka
Chemiker, der die Autokatalyse in einer Laborumgebung mit Glasgeräten und chemischen Reaktionen untersucht.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Autocatalysis is a chemical reaction where one of the reaction products is also a Katalysator for the same or a coupled reaction. This creates a positive feedback loop, leading to an accelerating reaction rate. The rate of reaction is initially slow but increases as the concentration of the product (catalyst) builds up, often resulting in sigmoidal (S-shaped) kinetic curves.

Bei einer einfachen autokatalytischen Reaktion der Form A + B → 2B katalysiert das Produkt B seine eigene Bildung. Das Geschwindigkeitsgesetz für eine solche Reaktion ist häufig insgesamt zweiter Ordnung, zum Beispiel [latex]\frac{d[B]}{dt} = k[A][B][/latex]. Im Gegensatz zu einer Standardreaktion erster oder zweiter Ordnung, bei der die Geschwindigkeit zu Beginn am höchsten ist und mit dem Verbrauch der Reaktanten abnimmt, ist die Geschwindigkeit einer autokatalytischen Reaktion anfangs durch die geringe Konzentration des Produkts/Katalysators [B] begrenzt. Mit zunehmender Konzentration von [B] beschleunigt sich die Geschwindigkeit und erreicht ein Maximum, bevor sie sich wieder verlangsamt, wenn der Reaktant [A] verbraucht ist. Dieses Verhalten ist charakteristisch für viele komplexe Systeme, einschließlich biologischer Replikation und Populationsdynamik.

Autokatalyse ist ein Schlüsselkonzept zum Verständnis von Systemen, die weit entfernt sind von thermodynamisch Gleichgewicht. Es ist eine Voraussetzung für die Entstehung zeitlicher oder räumlicher Muster, wie sie beispielsweise bei oszillierenden Reaktionen (z. B. der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion) auftreten, bei denen die Konzentrationen von Zwischenprodukten periodisch schwanken, oder in Reaktions-Diffusions-Systemen, die stationäre räumliche Muster (Turing-Muster) erzeugen können. Diese Phänomene stellen die einfache Vorstellung von Reaktionen, die reibungslos bis zum Gleichgewicht verlaufen, in Frage und sind grundlegend für Theorien über Selbstorganisation und die Entstehung komplexer Strukturen, einschließlich Theorien über die Entstehung des Lebens, in denen sich selbstreplizierende Moleküle wie RNA durch autokatalytische Zyklen entstanden sein könnten.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Physikalische Chemie

Typ

Abstraktes System

Störung

Substanzielles

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufer

  • Grundprinzipien der chemischen Kinetik
  • Beobachtung periodischer Phänomene in der Chemie (Liesegang-Ringe)
  • Die theoretischen Arbeiten von Alfred J. Lotka über chemische Schwingungen
  • Boris Belousovs Entdeckung der BZ-Reaktion

Anwendungen

  • Modelle zur Entstehung des Lebens (RNA-Welt-Hypothese)
  • oszillierende chemische Reaktionen wie die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion
  • Depolymerisation einiger Kunststoffe
  • der Phasenübergang ‘Zinnpest’ von weißem zu grauem Zinn
  • einige biologische Prozesse wie die Blutgerinnung

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • selbstausbreitende Materialien für eine schnelle, triggerinitiierte Polymerisation
  • Autokatalytische chemische Verstärker für hochempfindliche Sensoren
  • Design synthetischer selbstreplizierender molekularer Systeme
  • autocatalytic networks for creating ‘chemical computers’
  • Materialien, die Schäden durch einen autokatalytischen Prozess heilen
  • autocatalytic depolymerization for geschlossener Regelkreis plastic recycling
  • Arzneimittelabgabesysteme, die Therapeutika über eine autokatalytische Kaskade freisetzen
  • autokatalytische Signalverstärkung in diagnostischen Tests
  • Modelle zur Kontrolle von Durchgehensreaktionen in industriellen Prozessen
  • synthetische biologische Schaltkreise basierend auf autokatalytischer Genexpression
Verwandt mit: Autokatalyse, positive Rückkopplung, Sigmoidalkurve, Reaktionskinetik, oszillierende Reaktion, Belousov-Zhabotinsky, Selbstreplikation, Ursprung des Lebens, Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik, Turing-Muster.

Historischer Kontext

Autokatalyse

1918
1919-05-29
1920
1920
1921
1924
1924
1917
1918
1920
1920
1921
1922
1924
1925

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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