СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Чтобы увеличить скорость реакции, необходимо создать в веществе высокие концентрации химически активных частиц, обладающих повышенной реакционноспособностью.

Как известно, на сегодняшний день стандартная модель материи включает пять уровней структуры: макроскопический с его вандерваальсовыми силами, молекулярный с химической связью, атомы с их кулоновскими силами, ядра, содержащие частицы, связанные ядерными силами, и т. д. (табл. 4.12).

Таблица 4.12. Уровни структуры материи [4]

Составные системы Составляющие Связывающие силы Типичные единицы Обратная энергия, г/Мэв
Макроскопическая материя Молекулы Вандерваальсовы
Молекулы Атомы Химические Атом Н 1/0,004
Атомы Ядра и электроны Кулоновские Протон 1/200
Ядра Протоны и нейтроны Ядерные
Адроны Кварки и антикварки Цветные 1/5 000 000
Кварки и лептоны Кварки и лептоны[4] Метацветные
* На 2011 г. лептоны относят к наиболее элементарным частицам. Поиск следующей элементарной частицы структуры материи продолжается на Большом адронном коллайдре.

Химическая технология уже использует структурные элементы первых четырех уровней. Задача заключается в превращении этих относительно устойчивых образований в химически активные. К таким частицам относятся электронно-возбужденные молекулы, ионы, свободные радикалы, сольватированные электроны, комплексы, кластеры, а также квазичастицы: электронные «дырки», плазмоны*, экситоны[5], фононы[6]и др.

Активацию молекул можно рассматривать как модификацию их электронно-ядерной структуры под воздействием потока элементарных частиц или попей высокой энергии, в результате чего молекула перестраивается энергетически наиболее благоприятным образом для конкретного превращения. Суммарная энергия связей в активной молекуле значительно ниже, чем в находящейся в свободном состоянии, так что энергетический барьер для участвующих в элементарномакте частиц существенно понижается.

Таким образом, появление активных частиц является результатом различных физических воздействий на вещество. При этом в обрабатываемом веществе, помимо перечисленных частиц, появляются и пространственно-временные макроскопические структуры, такие как турбулентные вихри, кавитационные пузырьки, циркуляционные потоки, области намагничивания, поляризации, механических напряжений, разного рода волновые образования, как результат флуктуаций температур, концентраций, давлений, импульсов, вызванных этими воздействиями.



Обратите внимание! Внешние воздействия на молекулярный механизм приводят к макроскопическим последствиям. Все это вместе взятое в конечном итоге сказывается на поведенческих характеристиках системы в целом.

Рис. 4.22 - Основные способы физического воздействия на химическую систему

Любое воздействие заключается в передаче энергии подвергающейся этому воздействию системе. Следовательно, физический процесс передачи энергии имеет своим следствием химическое превращение, которое в этом случае осуществляется с более высокой скоростью.

Членами кинетического уравнения, реагирующими на способ передачи энергии, являются константа скорости (k) и энергия активации (Еа). Существует несколько способов передачи энергии, которые можно классифицировать как стандартные и нестандартные. К стандартным относятся термо- и каталитическая активация. Нестандартные составляют группу экстремальных. В основе этих способов лежат взаимодействия молекул вещества с элементарными частицами или полями высоких энергий (рис. 4.22).

Природа этих взаимодействий определяется тем физическим процессом, с помощью которого к системе подводится тот или иной вид энергии. С этой точки зрения механизмы передачи энергии молекулам реагентов при их взаимодействии с высокоэнергетическими частицами или полями можно классифицировать следующим образом:

■ атомные и молекулярные соударения при тепловых и сверхтепловых скоростях;

■ механические воздействия: растяжение, сжатие, удар, сдвиг;

■ взаимодействие с фотоном: поглощение, неупругое рассеяние;

■ неупругие столкновения с ускоренными электронами;

■ неупругие столкновения с ускоренными ионами;

■ взаимодействие с нейтронами: передача кинетической энергии, захват ядром с последующей перестройкой;

■ передача энергии от электронно-возбужденной молекулы или атома;

■ взаимодействие с электрическим полем: ионизация нейтральных молекул, ускорение ионов и электронов;

■ взаимодействие с магнитным полем;

■ ядерные превращения радионуклидов;

■ фазовые превращения;

■ передача заряда и присоединение электрона.



Вследствие разнообразия механизмов передачи энергии, возникающие в обрабатываемом веществе частицы будут различаться своим типом и реакци- онноспособностью. Соответственно, инициируемые конкретным воздействием реакции будут отличаться своим механизмом и составом образующихся продуктов.

Характерные для данного вида воздействия совокупности активных частиц показаны в таблице 4.13.

Таблица 4.13 - Основные частицы, характерные для химии высоких энергий

Частицы Методы активации химического процесса
Импульсная лазерохимия высокой мощности Низкотемпе­ратурная плазмохимия Фотохимия Лазерохимия непрерывного маломощного излучения Химия высоких температур Механохимия Высокотемпе­ратурная координационная химия
Сложные ионы, молекулы-комплексы + - + - ++
Четные ионы + + + + + + ++
Радикалы + + + + + + +
Сольватированные электроны + + + + +
Возбужденные частицы + + ++ ++ ++ + + +-
Надтепловые электроны + ++ +- +
Ионизированные частицы (дырки) + + + + - +
Частицы многоквантового происхождения + + +
(+ +) – особо типичны; (+ –) – есть, но малотипичны.

Приведенная выше систематизация взаимодействий достаточно условна, поскольку на практике мы имеем дело с более сложными комбинациями физических процессов при определенном виде внешнего воздействия. К примеру, механическая обработка, помимо напряжений, может привести к электризации твердого тела, а взаимодействия с ускоренными электронами – вызвать фотоионизацию. Поэтому в активированной каким-либо воздействием системе появляется несколько разновидностей активных промежуточных частиц, которые и обеспечивают ускорение химического процесса.

В промышленной практике наиболее часто используют воздействия тех физических процессов, для которых достаточно хорошо разработаны теоретические основы и созданы технические средства их реализации.

Перечень способов активации химических превращений достаточно длинен. Здесь мы ограничимся описанием лишь некоторых из них.

4.5.1.1.


5826026938551378.html
5826103132540697.html
    PR.RU™