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Supersäuren und die Hammett-Aziditätsfunktion

1932

James Bryant Conant
George A. Olah
Louis Plack Hammett

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine Supersäure ist eine Säure mit einer höheren Acidität als 100%ige Schwefelsäure. Die herkömmliche pH-Skala ist für diese Medien ungeeignet. Stattdessen wird ihre Acidität mithilfe der Hammett-Säurefunktion H₀ gemessen. Diese Funktion basiert auf der Protonierung schwacher Indikatorbasen und ist definiert als H₀ = pK_BH⁺ log([BH⁺]/[B]).

The Hammett acidity function, [latex]H_0[/latex], extends the concept of pH to highly concentrated or non-aqueous acidic solutions where the activity of the proton is no longer simply related to its concentration. It measures the medium’s ability to protonate a neutral weak base ‘B’. The value of [latex]H_0[/latex] is determined experimentally using a series of weak bases with overlapping [latex]pK_{BH^+}[/latex] values, typically aromatic amines, and measuring the ratio of their protonated ([latex]BH^+[/latex]) to unprotonated ([latex]B[/latex]) forms via UV-visible spectroscopy. For dilute aqueous solutions, [latex]H_0[/latex] is approximately equal to pH, but it diverges significantly in concentrated acids, taking on large negative values. For example, 100% [latex]H_2SO_4[/latex] has an [latex]H_0[/latex] of -12.

George Olah’s work with superacids, such as ‘Magic Acid’ ([latex]FSO_3H-SbF_5[/latex]), which has an [latex]H_0[/latex] around -23, was revolutionary. It allowed for the preparation and direct observation of stable carbocations, which were previously only considered transient intermediates. This opened up new frontiers in physical organic chemistry and earned him the Nobel Prize in Chemistry in 1994.

Chemisches Recycling, Chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Chemie, Umweltauswirkungen, Umwelttechnologien, Biologisch, Nachhaltigkeit, Nachhaltige Praktiken

UNESCO Nomenclature: 2208

- Organische Chemie

Typ

Abstraktes System

Störung

Wesentliche

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufer

Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie
Lewis-Säure-Theorie
Verständnis von Reaktionsmechanismen und Zwischenprodukten
Entwicklung der UV-VIS-Spektroskopie

Anwendungen

Katalyse in der petrochemischen Industrie (zB Isomerisierung von Alkanen)
Synthese von Carbokationen für spektroskopische Untersuchungen
Protonierung extrem schwacher Basen
organische Synthesereaktionen, die eine starke Protonierung erfordern
Produktion von hochoktanigem Benzin

Patente:

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandt mit: Supersäure, Hammett-Säurefunktion, H0, starke Säure, Carbokation, George Olah, magische Säure, physikalische organische Chemie, Katalyse, nicht-wässrig.

Historischer Kontext

Laborszene zur Demonstration von Thermoelektrizitätsanwendungen mit Peltier-Kühler und Generator.

Onsager-Reziproke Beziehungen

Diese Beziehungen, ein Schlüsselsatz der Nichtgleichgewichtsthermodynamik, drücken die Gleichheit bestimmter Kreuzkoeffizienten zwischen gekoppelten Energie- und Materieströmen aus. Sie besagen, dass bei Abwesenheit eines Magnetfeldes die Matrix der Transportkoeffizienten symmetrisch ist: [latex]L_{\alpha\beta} = L_{\beta\alpha}[/latex]. Dies verbindet scheinbar nicht zusammenhängende Transportphänomene wie den Seebeck- und den Peltier-Effekt in der Thermoelektrik.

Labortechniker misst die korrelierte Farbtemperatur von LED-Lichtquellen mit einem Spektrometer.

Korrelierte Farbtemperatur (CCT)

Die korrelierte Farbtemperatur (CCT) ist ein Messverfahren für Lichtquellen, die nicht wie ideale schwarze Körper strahlen, wie beispielsweise LEDs oder Leuchtstofflampen. Sie entspricht der Temperatur des Planckschen Strahlers, dessen Farbe als der der Lichtquelle am ähnlichsten wahrgenommen wird. Diese „Ähnlichkeit“ wird bestimmt, indem der Punkt auf der Planckschen Kurve gefunden wird, der den Farbkoordinaten der Quelle am nächsten liegt.

Perfekter reflektierender Diffusor in einem Labor für die Kalibrierung von Farb- und Spektralphotometern.

Perfekt reflektierender Diffusor (PRD)

Der perfekt reflektierende Diffusor, auch als perfektes Weiß bekannt, ist eine theoretische, idealisierte Oberfläche, die als Referenzstandard in der Farbmetrik und Spektrophotometrie verwendet wird. Er ist definiert als eine Oberfläche, die 100 % des gesamten einfallenden Lichts bei jeder Wellenlänge des sichtbaren Spektrums reflektiert und dieses Licht perfekt diffus reflektiert (Lambertsche Reflexion), d. h. ihre Helligkeit ist aus jedem Betrachtungswinkel gleichmäßig.

Supersäuren und die Hammett-Aziditätsfunktion

Industrieanlage zur Herstellung von Wasserstoffperoxid nach dem Anthrachinon-Verfahren.

Das Anthrachinon-Verfahren zur H₂O₂-Produktion

Das in den 1930er Jahren entwickelte Anthrachinon-Verfahren ist das vorherrschende industrielle Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid. Dabei wird ein Anthrachinon-Derivat zu Anthrahydrochinon hydriert und anschließend mit Luft oxidiert, um das ursprüngliche Anthrachinon zu regenerieren und Wasserstoffperoxid zu erzeugen. Das H₂O₂ wird anschließend mit Wasser extrahiert und konzentriert, wodurch ein kontinuierlicher, effizienter Kreislauf entsteht.

Chemiker, der in einem Labor Redox-Gleichungen ausgleicht, um die Oxidationsstufen in der anorganischen Chemie zu veranschaulichen.

Das Konzept der Oxidationsstufe (Oxidationszahl)

Der Oxidationszustand oder die Oxidationszahl ist die hypothetische Ladung eines Atoms, wenn alle seine Bindungen zu anderen Atomen zu 100 % ionisch wären. Sie ermöglicht die Verfolgung des Elektronentransfers bei Redoxreaktionen. Ein Anstieg des Oxidationszustands bedeutet Oxidation, ein Rückgang Reduktion. Dieser Formalismus vereinfacht die Analyse komplexer chemischer Reaktionen.

Laborszene mit einem Chemiker, der die Zusammensetzung von Thermaten für Brandeinsätze misst.

Thermatzusammensetzung

Thermat ist ein Brandsatz, der das Standard-Thermit verstärkt. Es handelt sich in der Regel um eine Mischung aus Thermit, Bariumnitrat ([latex]Ba(NO_3)_2[/latex]) und Schwefel. Das Bariumnitrat wirkt als Oxidationsmittel, erhöht die Wärmeleistung und macht die Reaktion unabhängiger von Luftsauerstoff. Schwefel wird in erster Linie zugesetzt, um die Zündtemperatur zu senken, wodurch das Gemisch leichter und zuverlässiger gezündet werden kann.

1930

1931

1932

1936-01-01

1938

1940

1930

1931

1932

1933

1937

1940

1947

Thermodynamisches Labor mit verschiedenen Thermometern und Kalibriergeräten.

Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Dieses Gesetz begründet das Konzept des thermischen Gleichgewichts. Befinden sich zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten, unabhängigen System, befinden sie sich auch untereinander im thermischen Gleichgewicht. Diese transitive Eigenschaft ermöglicht die formale Definition der Temperatur als Zustandsfunktion und bietet eine rationale Grundlage für die Konstruktion von Thermometern und universellen Temperaturskalen.

Londoner Dispersionskraft

Die Londoner Dispersionskraft (LDF) ist die schwächste Form der Van-der-Waals-Kraft und entsteht durch quantenmechanische Fluktuationen in den Elektronenwolken von Atomen und Molekülen. Diese Fluktuationen erzeugen vorübergehende, momentane Dipole, die entsprechende Dipole in benachbarten Atomen induzieren, was zu einer Netto-Anziehungskraft führt. Die potenzielle Wechselwirkungsenergie [latex]V[/latex] zwischen zwei Atomen im Abstand [latex]r[/latex] beträgt ungefähr [latex]V = -\frac{C_6}{r^6}[/latex].

Kolorimeter zur Messung von Lichtquellen in einem Labor für kolorimetrische Anwendungen.

Planckscher Kurvenzug

Der Plancksche Kurvenzug ist der Verlauf der Farbe eines Glühlampen-Schwarzkörperstrahlers in einem Farbraum bei Temperaturänderung. Er wird typischerweise im xy-Farbdiagramm der CIE 1931 als Bogen vom rötlich-orangen zum bläulich-weißen Bereich dargestellt. Er dient als grundlegende Referenz für die Definition der Farbtemperatur.

Laboranalyse der Unterteilung des ultravioletten Spektrums für photometrische Anwendungen.

Unterteilungen des ultravioletten Spektrums (UVA, UVB, UVC)

Das ultraviolette Spektrum wird üblicherweise in UVA (400–315 nm), UVB (315–280 nm) und UVC (280–100 nm) unterteilt. UVA (langwelliges UV) ist am energieärmsten und dringt am tiefsten in die Haut ein. UVB (mittelwelliges UV) verursacht Sonnenbrand und ist entscheidend für die Vitamin-D-Synthese. UVC (kurzwelliges UV) ist am energiereichsten und keimtötendsten, wird aber vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert.

Meissner-Effekt

Der 1933 von Walther Meissner und Robert Ochsenfeld entdeckte Meissner-Effekt ist die Auslöschung eines Magnetfelds aus einem Supraleiter beim Übergang in den supraleitenden Zustand. Wenn ein Material unter seine kritische Temperatur ([latex]T_c[/latex]) in Gegenwart eines schwachen äußeren Magnetfeldes abgekühlt wird, hebt es aktiv den gesamten Magnetfluss in seinem Inneren auf und wird zu einem perfekten Diamagneten.

Laborexperiment zur Demonstration der Hamaker-Theorie in der physikalischen Chemie von Oberflächen.

Hamaker-Theorie (Physik)

Eine Theorie, die die mikroskopischen Van-der-Waals-Kräfte zwischen einzelnen Atomen auf die makroskopische Skala ausdehnt und die gesamte Wechselwirkungskraft zwischen Massenobjekten (z. B. zwei Kugeln, eine Kugel und eine Platte) berechnet. Dabei wird von paarweiser Additivität ausgegangen und das mikroskopische [latex]r^{-6}[/latex]-Potenzial über die Volumina der wechselwirkenden Körper integriert. Das Ergebnis wird durch die Hamaker-Konstante, [latex]A[/latex], quantifiziert.

P-N-Übergang in einer Solarzelle zur Demonstration der Halbleiterphysik.

Das PN-Übergangs-Photovoltaik-Prinzip

Der Kern einer Solarzelle ist ein pn-Übergang, eine Schnittstelle zwischen p-Typ- und n-Typ-Halbleitermaterialien. Dieser Übergang erzeugt in einer Verarmungszone ein eingebautes elektrisches Feld. Treffen Photonen mit ausreichender Energie auf den Halbleiter, bilden sie Elektron-Loch-Paare. Das elektrische Feld trennt diese Ladungsträger, treibt Elektronen auf die n-Seite und Löcher auf die p-Seite und erzeugt so eine Spannung.

Ein Forscher demonstriert den Weissenberg-Effekt mit einer viskoelastischen Flüssigkeit in einem Labor.

Der Weissenberg-Effekt (Flüssigkeiten)

Der Weissenberg-Effekt ist ein Phänomen in viskoelastischen Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit an einem rotierenden Stab nach oben steigt. Dies steht im Gegensatz zum Verhalten newtonscher Flüssigkeiten, die durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt werden und einen Wirbel bilden. Der Effekt wird durch Normalspannungsunterschiede verursacht, die sich unter Scherung in der Flüssigkeit entwickeln.

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