Цепная реакция - Chain reaction

Эта статья о цепных реакциях в химии и физике. Для использования в других целях см. Цепная реакция (значения).

А цепная реакция представляет собой последовательность реакций, в которых реакционноспособный продукт или побочный продукт вызывает дополнительные реакции. В цепной реакции положительный отзыв приводит к самоусилению цепь событий.

Цепные реакции - это один из способов, которым системы, не входящие в термодинамическое равновесие может высвобождать энергию или увеличивать энтропию, чтобы достичь состояния с более высокой энтропией. Например, система может быть не в состоянии достичь более низкого энергетического состояния, высвобождая энергию в окружающую среду, потому что ей каким-либо образом препятствуют или препятствуют переходу по пути, который приведет к высвобождению энергии. Если реакция приводит к небольшому высвобождению энергии, уступая место большему высвобождению энергии в расширяющейся цепочке, то система обычно разрушается со взрывом, пока не будет высвобождена большая часть или вся накопленная энергия.

Таким образом, макроскопическая метафора цепных реакций - это снежный ком, вызывающий больший снежный ком, пока, наконец, не образуется лавина ("эффект снежного кома "). Это результат накопленной гравитационной потенциальной энергии, стремящейся к высвобождению вместо трения. С химической точки зрения эквивалент снежной лавины - это искра, вызывающая лесной пожар. В ядерной физике единственный случайный нейтрон может привести к срочный критический событие, которое, наконец, может быть достаточно энергичным для расплавления ядерного реактора или (в случае бомбы) ядерного взрыва.

Многочисленные цепные реакции можно представить в виде математическая модель на основе Цепи Маркова.

Химические цепные реакции

История

В 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн впервые выдвинул идею химический цепные реакции. Если две молекулы вступают в реакцию, образуются не только молекулы конечных продуктов реакции, но и некоторые нестабильные молекулы, которые в дальнейшем могут реагировать с исходными молекулами с гораздо большей вероятностью, чем исходные реагенты. (В новой реакции помимо стабильных продуктов образуются другие нестабильные молекулы и т. Д.)

В 1918 г. Вальтер Нернст предложил, чтобы фотохимический реакция между водород и хлор цепная реакция, чтобы объяснить то, что известно как квантовый выход явления. Это означает, что один фотон света отвечает за образование целых 106 молекулы продукта HCl. Нернст предположил, что фотон диссоциирует на Cl2 молекула на два атома Cl, каждый из которых инициирует длинную цепочку стадий реакции с образованием HCl.[1]

В 1923 г. датские и голландские ученые Кристиан Кристиансен и Хендрик Энтони Крамерс при анализе образования полимеров указал, что такая цепная реакция не обязательно должна начинаться с молекулы, возбуждаемой светом, но может также начинаться с двух молекул, которые сильно сталкиваются из-за тепловой энергии, как ранее предлагалось для инициирования химических реакций путем Ван Т Хофф. [2]

Кристиансен и Крамерс также отметили, что если в одном звене реакционной цепи два или более нестабильных молекулы производятся, цепочка реакций будет разветвляться и расти. Результатом является экспоненциальный рост, что приводит к взрывному увеличению скорости реакции и даже к химическим взрывам. Это было первое предложение механизма химических взрывов.

Количественная теория цепной химической реакции была создана позже советским физиком. Николай Семенов в 1934 г. [3] Семенов разделил Нобелевскую премию 1956 года с сэром Сирил Норман Хиншелвуд, которые независимо разработали многие из тех же количественных концепций. [2]

Типичные шаги

Основные типы стадий цепной реакции бывают следующих типов.[1]

  • Инициация (формирование активные частицы или цепные перевозчики, часто свободные радикалы, на термической или фотохимической стадии)
  • Распространение (может включать несколько элементарных стадий в цикле, где активная частица в результате реакции образует другую активную частицу, которая продолжает цепочку реакции, переходя на следующую элементарную стадию). По сути, активная частица служит катализатором общей реакции цикла распространения. Частные случаи:
* цепное разветвление (этап распространения, при котором образуется больше новых активных частиц, чем входит на этап);
* цепная передача (шаг распространения, на котором активная частица является растущей полимер цепь, которая реагирует с образованием неактивного полимера, рост которого прекращается, и активной маленькой частицы (такой как радикал), которая затем может реагировать с образованием новой полимерной цепи).
  • Прекращение (элементарный шаг, на котором активная частица теряет свою активность; например, из-за рекомбинация двух свободных радикалов).

В длина цепи определяется как среднее количество повторений цикла распространения и равняется общей скорости реакции, деленной на скорость инициирования.[1]

Некоторые цепные реакции имеют сложные уравнения ставок с дробный порядок или же смешанный порядок кинетика.

Подробный пример: водород-бромная реакция

Реакция H2 + Br2 → 2 HBr протекает по следующему механизму:[4][5]

  • Инициация
Br2 → 2 Br • (термический) или Br2 + hν → 2 Br • (фотохимический)
каждый атом Br представляет собой свободный радикал, обозначенный символом «•», представляющим неспаренный электрон.
  • Распространение (здесь цикл из двух шагов)
Br • + H2 → HBr + H •
H • + Br2 → HBr + Br •
сумма этих двух шагов соответствует общей реакции H2 + Br2 → 2 HBr, с катализ by Br •, который участвует в первом шаге и восстанавливается на втором этапе.
  • Замедление (торможение)
H • + HBr → H2 + Br •
этот шаг характерен для этого примера и соответствует первому шагу распространения в обратном направлении.
  • Прекращение 2 руб. • → руб.2
рекомбинация двух радикалов, соответствующая в этом примере инициированию в обратном направлении.

Как можно объяснить с помощью стационарное приближение, тепловая реакция имеет начальную скорость дробный порядок (3/2), и полное уравнение скорости с двухчленным знаменателем (кинетика смешанного порядка ).[4][5]

Другие химические примеры

Ядерные цепные реакции

Основная статья: Ядерная цепная реакция

А ядерный цепная реакция была предложена Лео Сцилард в 1933 году, вскоре после открытия нейтрона, но более чем за пять лет до этого ядерное деление был впервые обнаружен. Сцилард знал о химический цепные реакции, и он читал о производстве энергии ядерная реакция с участием протонов высокой энергии, бомбардирующих литий, что продемонстрировано Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в 1932 году. Теперь Сцилард предложил использовать нейтроны, теоретически полученные в результате определенных ядерных реакций в более легких изотопах, чтобы вызвать дальнейшие реакции в легких изотопах, которые производят больше нейтронов. Теоретически это вызовет цепную реакцию на уровне ядра. Он не рассматривал деление как одну из этих реакций с образованием нейтронов, поскольку в то время эта реакция не была известна. Предложенные им эксперименты бериллий и индий не удалось.

Позже, после того, как в 1938 году было обнаружено деление, Сцилард немедленно осознал возможность использования нейтронно-индуцированного деления в качестве особой ядерной реакции, необходимой для создания цепной реакции, при условии, что деление также производит нейтроны. В 1939 году с участием Энрико Ферми Сцилард доказал эту реакцию размножения нейтронов в уране. В этой реакции нейтрон плюс расщепляющийся атом вызывает деление, приводящее к большему количеству нейтронов, чем одно, которое было израсходовано в начальной реакции. Так родился практический ядерная цепная реакция по механизму нейтронно-индуцированного деления ядер.

В частности, если один или несколько образовавшихся нейтронов сами взаимодействуют с другими делящимися ядрами, и они также подвергаются делению, тогда существует вероятность того, что макроскопическая общая реакция деления не остановится, а будет продолжаться во всем реакционном материале. Тогда это самораспространяющаяся и, следовательно, самоподдерживающаяся цепная реакция. Это принцип для ядерные реакторы и атомные бомбы.

Демонстрация самоподдерживающейся цепной ядерной реакции была проведена Энрико Ферми и другие, в успешной эксплуатации Чикаго Пайл-1, первый искусственный ядерный реактор, в конце 1942 года.

Электронная лавина в газах

An электронная лавина происходит между двумя неподключенными электродами в газе, когда электрическое поле превышает определенный порог. Случайные тепловые столкновения атомов газа могут привести к появлению нескольких свободных электронов и положительно заряженных ионов газа в процессе, называемом ударная ионизация. Ускорение этих свободных электронов в сильной электрическое поле заставляет их набирать энергию, и когда они сталкиваются с другими атомами, энергия вызывает высвобождение новых свободных электронов и ионов (ионизация), что способствует тому же процессу. Если этот процесс происходит быстрее, чем он естественным образом подавляется рекомбинацией ионов, новые ионы размножаются в последовательных циклах, пока газ не превратится в плазму и ток не будет свободно течь в разряде.

Электронные лавины необходимы для пробой диэлектрика процесс в газах. Процесс может завершиться коронный разряд, стримеры, лидеры, или в Искра или непрерывный электрическая дуга что полностью ликвидирует разрыв. В процессе могут появиться огромные искры - полосы в молния разряды распространяются за счет образования электронных лавин, созданных в высоком градиенте потенциала перед приближающимися концами стримеров. Однажды начавшись, лавины часто усиливаются за счет создания фотоэлектроны в результате ультрафиолетового излучения, испускаемого атомами возбужденной среды в кормовой области. Чрезвычайно высокая температура образующейся плазмы приводит к растрескиванию молекул окружающего газа, и свободные ионы рекомбинируют с образованием новых химических соединений.[7]

Этот процесс также можно использовать для обнаружения излучения, которое инициирует процесс, поскольку прохождение отдельных частиц может усиливаться до больших разрядов. Это механизм счетчик Гейгера а также возможна визуализация с искровая камера и другие проволочные камеры.

Лавинный пробой в полупроводниках

An сход лавины Процесс может происходить в полупроводниках, которые до некоторой степени проводят электричество аналогично умеренно ионизированному газу. Полупроводники полагаются на свободные электроны, выбитые из кристалла тепловой вибрацией для проводимости. Таким образом, в отличие от металлов, полупроводники становятся лучше проводниками, чем выше температура. Это создает условия для того же типа положительной обратной связи - тепло от протекающего тока вызывает повышение температуры, что увеличивает носители заряда, снижает сопротивление и вызывает протекание большего тока. Это может продолжаться вплоть до полного нарушения нормального сопротивления полупроводникового перехода и выхода из строя устройства (это может быть временным или постоянным, в зависимости от того, есть ли физическое повреждение кристалла). Некоторые устройства, например лавинные диоды, намеренно использовать эффект.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Лайдлер К.Дж., Химическая кинетика (3-е изд., Harper & Row, 1987), стр.288-290. ISBN  0-06-043862-2
  2. ^ а б http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1956/press.html История цепной химической реакции с 1913 года до Нобелевской работы, признанной в 1956 году.
  3. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2009-01-16. Получено 2012-04-17.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  4. ^ а б Лайдлер К.Дж., Химическая кинетика (3-е изд., Harper & Row, 1987), стр.291-4. ISBN  0-06-043862-2
  5. ^ а б П. Аткинс и Ж. де Паула Физическая химия (8-е изд., W.H. Freeman 2006), стр.831. ISBN  0-7167-8759-8
  6. ^ Лайдлер К.Дж., Химическая кинетика (3-е изд., Harper & Row, 1987) с. 323-8. ISBN  0-06-043862-2
  7. ^ "Лабораторная запись №106 Воздействие дугогасителя на окружающую среду". Технологии гашения дуги. Апрель 2011 г.. Получено 15 марта, 2012.

внешняя ссылка