Химия экстремальных состояний

Ядерная физика, катализ и энергетика будущего. Химия экстремальных состояний

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеяние.

Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции.

В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку).

Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10−24 см².

Выход реакции

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции.

Виды ядерных реакций

Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты.

Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами).

Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений.

Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов.

Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Разделы ядерной физики

• Нейтронная физика, совокупность исследований строения вещества с помощью нейтронов, а также исследования свойств и структуры самих нейтронов.
• Физика, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы — гипероны.

Катализ— избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий. Термин «катализ» был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — это каталитические.

Основные принципы катализа

Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Типы катализа

Катализ может быть положительным (когда скорость реакции увеличивается) и отрицательным (когда скорость реакции уменьшается). Для обозначения отрицательного катализа часто используют термин ингибирование.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным. В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой.

Примером гомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии:

H2О2 + I → H2О + IO

H2О2 + IO → H2О + О2 + I

При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества
2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их
3. Химическая реакция между реагирующими молекулами
4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора
5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

Носитель катализатора

Носитель катализатора, иначе подложка (катализатора)— инертный или малоактивный материал, служащий для стабилизации на его поверхности частиц активной каталитической фазы.

Роль носителя в гетерогенном катализе состоит в предотвращении агломерации или спекания активного компонента, что позволяет поддерживать высокую площадь контакта активного вещества  и реагентов.

Основными требованиями к носителям являются большая площадь поверхности и пористость, термическая стабильность, химическая инертность, высокая механическая прочность.

Химия катализа

Химия катализа изучает вещества, изменяющие скорость химических реакций. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Ферменты — это биологические катализаторы.

Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты.

Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиационное и лазерное воздействия и другие), катализ − основа химических производств (относительная доля каталитических процессов составляет 80-90 %).

Различают катализы: ''Гомогенный, гетерогенный, межфазный, мицеллярный, ферментативный.”

Энергетика будущего

Микроэнергетики – раздела энергетики, связанной с производством энергии при помощи компактных маломощных источников различной природы. К этой категории относят солнечные батареи, ветрогенераторы, водородные элементы и газовые микротурбины, т.е. маломощные генераторы электричества. По сравнению с традиционными технологиями, микроэнергетика более эффективна и надежна.

микроэнергетика стремительно развивается и особенно та ее часть, которая связана с альтернативной энергетикой.

Согласно прогнозам Мирового Энергетического Конгресса к 2020 году в США, Германии, Японии, Великобритании и других развитых западных странах доля альтернативных экологически чистых источников энергии составит более 20% всей производимой энергии (20% потребления энергии в США — это все энергоснабжение России).

К 2020 году Европа планирует осуществлять теплоснабжение 70%(!) своего жилого фонда за счет экологически чистой энергии, в частности, солнечной. Среди альтернативных источников энергии особенно активно развивается ветроэнергетика — 24% в год. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире.

Следующее перспективное направление микроэнергетики – солнечная энергетика. Проблема утилизации экологически чистой и притом “дармовой” солнечной энергии волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в этом направлении позволили начать формировать реальный, экспоненциально развивающийся рынок солнечной энергетики.

В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы (Н-системы), сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Следующая перспективная технология – водородные топливные элементы. Суть ее в том, что на специальных мембранах электрон отделяется от ядра атома водорода, в результате чего получается электрический ток, а в отходах – вода и тепло.

Лучевая энергетика  новая специальность, возникшая на основе симбиоза современной физики полупроводников квантовой микро- и оптоэлектроники последних достижений в области создания сверхчистых оптических материалов и достижений в области создания уникальных систем типа фазированных решеток полупроводниковых лазеров, солнечных элементов и оптико-волоконных систем.

Считается, что существенный вклад в решение энергетических и  экологических проблем могут внести, заметно снизив тепловую нагрузку на Землю, космические электростанции. Япония планирует к 2040 г. построить в космосе свою первую внеземную электростанцию.

США намерены еще раньше создать группировку спутников, которые будут собирать солнечную энергию, преобразовывать ее в электрическую и передавать на Землю.  Концепция энергоснабжения из космоса разработана российским Исследовательским центром им. М.В. Келдыша.

На Земле оно будет приниматься специальным устройством  –  ректенной (от английского rectifying antenna  – выпрямляющая антенна), представляющей собой антенную решетку,  в которой микроволновое излучение (СВЧ-излучение) преобразуется в энергию постоянного тока. 

Химия экстремальных состояний

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей.

Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии.

Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока.

Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры: длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре 3000-3500°С за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90-95%.

Источник: http://stud24.ru/modern-science/yadernaya-fizika-kataliz-i-jenergetika/277646-827878-page2.html

Химия в экстремальных и экзотических условиях

ID: 82825

Название работы: Химия в экстремальных и экзотических условиях

Категория: Реферат

Предметная область: Химия и фармакология

Описание: Современная химия расширяя свои горизонты активно вторгается в области которые для классической химии не представляли интереса или были недостижимы. Лазерные ударные волны в химии средство исследования поведения вещества в экстремальных условиях….

Язык: Русский

Дата добавления: 2015-03-03

Размер файла: 60.5 KB

Работу скачали: 11 чел.

Федеральное агентство по образованию и науки РФ

ГОУ ВПО «Волгоградский Государственный Университет»

Факультет Естественных Наук

Кафедра бионженерии и биотехнологии

Химия в экстремальных и

экзотических условиях

Работу выполнил:

           Студент группы ЭПб-101

             Ясинский Д.А.

Проверил:

д.м.н., профессор

Новочадов В.В.               

Волгоград 2011

Оглавление

Современная химия, расширяя свои горизонты, активно вторгается в области, которые для «классической» химии не представляли интереса или были недостижимы.

Все стремительнее происходит переход от «освоенных» режимов и условий проведения реакций  к экстремальным, неклассическим и даже экзотическим условиям: сильные электрические и магнитные поля, сверхвысокие давления и сдвиговые деформации, мощные световые поля, сравнимые по напряженности с электрическими полями внутри молекул, суперкритические условия, мощные гравитационные, звуковые и микроволновые поля и т.д.

Так в ультратонких лазерных импульсах (с длительностью 10 фс и менее) сконцентрированы огромной мощности оптические излучения и мощные электрические поля, что сразу же стимулировало поиск новых возможных эффектов. Действительно, взаимодействие оптических и электрических полей с электронными оболочками молекул порождают многочисленные необычайные эффекты.

Мощные лазерные импульсы – великолепное средство генерации мощных коротких ударных волн. Лазерные ударные волны в химии – средство исследования поведения вещества в экстремальных условиях.

Так лазерно-индуцированные ударные волны обеспечивают давление во фронтах до 5 ГПа, при этом длительность переднего фронта может достигать несколько сотен пикосекунд для обратимого сжатия и примерно 20-25 пс для обратимого сжатия.

Спад температуры за фронтом ударной волны происходит с огромными скоростями, (порядок 10 град).

Лазерно-стимулированные ударные волны открывают огромные возможности в «экстремальной» химии; они действительно вносят «волну» в эту область. Возможно, что синтез алмазов по известной взрывной технологии происходит хотя бы частично через луковичные фуллерены и нанотрубки с последующей их ударно-волновой трансформации в алмаз.

Суперкритическое состояние вещества является источником неожиданных и потому «аномальных» эффектов.  Один из них – сильно развитые флуктуации плотности  в окрестности критической точки, т.е. быстрая и обратимая кластеризация вещества. Возможно, именно это свойство обеспечивает высокие технологические преимущества суперкритических состояний в экстракции и других процессах.

К последним химическим достижениям в «экстремальной» химии следует отнести синтез металлического водорода и реакцию трития с водородом и дейтерием в нормальном жидком и сверхтекучем квантовом гелии.

 Можно  спорить, чье это достижение – физиков или химиков, бесспорно лишь то, что превращение водорода в металлический водород – химический процесс, в результате которого происходит преобразование электронных оболочек молекул водорода.

Его электропроводность такая же, как у расплавов цезия или рубидия; в этом смысле металлический водород подобен жидким щелочным металлам. Механизм образования его неясен: либо сразу полный сброс электронов в зону проводимости. Чтобы ответить на этот вопрос, нужны исследования нестационарного режима реакции.

Химические реакции, индуцированные ультразвуком, также происходят в микрореакторах – кавитациях, в котором химические эффекты хотя и специфичны, но во многом подобны тем, которые производятся низкотемпературной плазмой и ударными волнами. И микроволновая, и ультразвуковая химия рассматриваются (и не без оснований) как новые средства в синтетической химии.

Холодный ядерный синтез

В конце восьмидесятых годов прошлого века научный мир взорвало драматическое событие – сообщение о ядерных реакциях, сопровождающих электрохимический синтез. Сразу же были отчетливо обозначены блестящие горизонты холодного ядерного синтеза (cold fusion); были получены даже его косвенные доказательства – нейтроны, γ-излучение, избыточные тепловые эффекты.

Однако эйфория «открытия» скоро прошла, обнаружились невоспроизводимость эффектов и экспериментальные ошибки, что позволило остроумно переименовать cold fusion в confusion (англ. замешательство).

В настоящее время и экспериментальные работы, и дискуссии вокруг холодного ядерного синтеза перешли в разряд вялотекущих процессов, поддерживаемых узкой группой энтузиастов.

Однако, интрига этого «открытия» осталась; остался вопрос – может ли химическая реакция индуцировать ядерную реакцию, и могут ли превращения электронной оболочки провоцировать ядерные превращения?

Ответ, кажется, состоит в том, что генерация нейтронов может сопровождать химический процесс, однако нейтроны не являются прямым его результатом, они – вторичный продукт.  Нейтроны появляются в результате распада ядер под действием γ-и рентгеновского излучения, которые производятся электронной оболочкой, т.е. имеют химическую природу.

И хотя прямой холодный термоядерный синтез осуществить не удалось, тем не менее, из него следует новая стратегия энергетики – от механохимии к цепной неразветвленной (или слабо разветвленной) фотоядерной реакции.

Идея этой стратегии следующая: механостимулированные реакции приводят к возбуждению электронных оболочек и рождают рентгеновское или γ-излучение, которое захватывается ядрами (фотоядерная реакция); возбужденные таким образом ядра распадаются, генерируя новые γ-кванты и (или) нейтроны.

Проблема в том, чтобы механическое воздействие возбуждало внутренние электронные оболочки; только тогда конверсия внешних электронов на внутренние вакансии (типа Оже-вакансии) будет генерировать жесткий рентген или γ-лучи.

Необходим также теоретический анализ такого сжатия электронных оболочек, при котором достигалось бы возбуждение высоколежащих электронных уровней внутренних электронов (возбуждение внешних электронов и последующая ионизация означали бы в этом случае утечку механической энергии и ее неэффективное растрачивание).

Другая проблема – подбор атомного состава молекул (или их смесей), при котором мог бы осуществляться полный ядерный захват γ- и рентгеновских лучей. Известно, что сечение захвата в фотоядерных реакциях достаточно велико и спектр его достаточно широк. Это дает основание полагать, что вторая проблема решается легче, чем первая – эффективная механохимическая генерация жесткого излучения.

Ясно, что это стратегическая задача: на пути ее решения могут встретиться непреодолимые и пока не прогнозируемые трудности, однако она стоит разработки ( для начала хотя бы чисто интеллектуальной).

Химия низких температур

Область низких температур (вблизи 4 К) химия освоила достаточно давно. Наиболее яркий итог – открытие квантового механизма химических реакций, т.е. подбарьерного туннелирования, и его следствий (гигантские изотопные эффекты, не зависящие от температуры предельная скорость реакций). Химию при температурах 10 К следует оценивать как «экзотическую».

Получение ультрахолодных атомов основано на изменении их скорости движения при поглощении оптического кванта (лазерное охлаждение атомов).

Если атомы и лазерные фотоны настроены так, что поглощение происходит в низкочастотной области спектра (красная сторона), то в атоме, движущемся навстречу фотонам, из-за доплеровского сдвига резонансное поглощение смещается  к центру линий и  усиливается. Для «попутных» атомов допплер-эффект смещает резонанс от центра и ослабляет поглощение.

, в результате атомы испытывают тормозящую силу, направленную вдоль потока фотонов. Атомы, помещенные в ортогональные лазерные пучки, тормозятся во всех трех направлениях; при этом создается оптически вязкая среда, в которой движение атомов останавливается, их кинетическая температура составляет 10 К.

Из ультрахолодных атомов Rb удалось построить кристаллическую решетку (она оказалась кубической объемно-центрированной), измерить параметры этой  решетки с помощью оптической дифракции и определить частоты коллективных колебаний решетки. Другими словами, удалось создать новое состояние вещества – кристаллический газ.

Ультрахолодные, лишенные кинетической энергии атомы представляют интерес для точной спектроскопии и метрологии, для зондирования потенциалов атом-атом и атом-поверхность, для экспериментальной проверки постулатов квантовой электродинамики одно атомного лазера.

Оптическим возбуждением атомов в кристаллическом газе получают электронно-возбужденные атомы, которые реагируют с другими атомами, образуя эксимерные молекулы, имплантированные в кристаллический газ. Уже сделаны первые шаги в химии холодных, безэнергетических атомов и молекул; ее будущее начинается сегодня.

Более того, обсуждается возможность лазерного охлаждения молекул в жидкостях.

Химия в высоких гравитационных полях

К «экстремальной» химии, бесспорно, принадлежит и химия высоких гравитационных полей (наравне с химией невесомости).

Резкое увеличение силы тяжести молекул, кластеров и ассоциатов в таких полях должно производить новые эффекты: изменить величину и знак градиентов концентраций, смещать равновесие, интерпретировать фазы по их плотности, изменять скорости и конкуренцию процесса.

Возможности здесь практически безграничны, и весь вопрос лишь в доступности технических средств для их реализации. И, конечно, речь может идти лишь о высоких технологиях, а не о массовом химическом производстве.

Суперкритическое состояние вещества является источником неожиданных и потому «аномальных» эффектов. Один из них  – сильно развитые флуктуации плотности в окрестностях критической точки, т.е. быстрая и обратимая кластеризация вещества. Возможно, именно это свойство обеспечивает высокие технологические преимущества суперкритических состояний в экстракции и других процессах.

К последним химическим достижениям в «экстремальной химии» следует отнести синтез металлического водорода и реакцию трития с водородом и дейтерием в нормальном жидком и сверхтекучем квантовом гелии.

Оказалось, что огромные изотопные эффекты в этой реакции (что предсказуемо) различны в нормальном и квантовом гелии (что неожиданно).

Если последнее обстоятельство подтвердится, то мы получим новое необычное свидетельство химической когерентности.

Список использованной литературы:

1.  Химический факультет МГУ [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.chem.msu.su

Источник: http://5fan.ru/wievjob.php?id=82825