Цепная реакция

редактировать
Последовательность реакций

A цепная реакция - это последовательность реакций, где реактивный продукт или побочный продукт вызывает дополнительные реакции. В цепной реакции положительная обратная связь приводит к самоусиливающейся цепочке событий.

Цепные реакции - это один из способов, с помощью которого системы, не находящиеся в термодинамическом равновесии, могут выделять энергию или увеличить 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.

Макроскопическая метафора цепных реакций, таким образом, представляет собой снежный ком, вызывающий более крупный снежный ком, пока, наконец, не образуется лавина («эффект снежного кома »). Это результат накопленной гравитационной потенциальной энергии, ищущей путь высвобождения вместо трения. Химически эквивалент снежной лавины - искра, вызывающая лесной пожар. В ядерной физике одиночный рассеянный нейтрон может привести к мгновенному критическому событию, которое, в конце концов, может быть достаточно энергичным для расплавления ядерного реактора или (в бомбе) ядерного взрыва.

Многочисленные цепные реакции могут быть представлены математической моделью, основанной на цепях Маркова.

Содержание

  • 1 Цепные химические реакции
    • 1.1 История
    • 1.2 Типичный шаги
    • 1.3 Подробный пример: реакция водород-бром
    • 1.4 Другие химические примеры
  • 2 Ядерные цепные реакции
  • 3 Электронная лавина в газах
  • 4 Лавинный распад в полупроводниках
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Цепные химические реакции

История

В 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн впервые высказал идею химические цепные реакции. Если две молекулы вступают в реакцию, образуются не только молекулы конечных продуктов реакции, но также и некоторые нестабильные молекулы, которые могут далее 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 предположил, что фотохимическая реакция между водород и хлор представляет собой цепную реакцию для объяснения того, что известно как явление квантового выхода. Это означает, что один фотон света отвечает за образование целых 10 молекул продукта HCl. Нернст предположил, что фотон диссоциирует молекулу Cl 2 на два атома Cl, каждый из которых инициирует длинную цепочку стадий реакции с образованием HCl.

В 1923 году датские и голландские ученые Кристиан Кристиансен и Хендрик Энтони Крамерс, анализируя образование полимеров, указал, что такая цепная реакция не обязательно должна начинаться с молекулы, возбуждаемой светом, но также может начаться с двух молекул, которые сильно сталкиваются из-за к тепловой энергии, как ранее предлагалось ван'т Хоффом.

для инициирования химических реакций, Кристиансен и Крамерс также отметили, что если в одном звене реакционной цепи две или более нестабильных молекулы находятся возникнет, 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 Николаем Семеновым в 1934 году. Семенов разделил Нобелевскую премию в 1956 году с сэром Сирилом Норманом Хиншелвудом, который независимо разработали многие из тех же количественных концепций.

Типичные этапы

Основные типы этапов цепной реакции относятся к следующим типам.

  • Инициирование (образование активных частиц или носителей цепи, часто свободные радикалы, на термической или фотохимической стадии)
  • Распространение (может включать несколько элементарных стадий в цикле, где активная частица посредством реакции образует другую активную частицу, которая продолжает реакцию цепочка, войдя в следующий элементарный шаг). По сути, активная частица служит катализатором общей реакции цикла распространения. К частным случаям относятся:
* разветвление цепи (этап распространения, на котором образуется больше новых активных частиц, чем на этапе);
* передача цепи (этап распространения, на котором активная частица представляет собой растущий 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).
  • Обрыв (элементарный этап в при котором активная частица теряет свою активность; например, из-за рекомбинации двух свободных радикалов).

Длина цепи определяется как среднее количество повторений цикла размножения и равна общей скорости реакции, разделенной по скорости инициирования.

Некоторые цепные реакции имеют сложные уравнения скорости с кинетикой дробного порядка или смешанного порядка.

Подробный пример: реакция водород-бром

Реакция H 2 + Br 2 → 2 HBr протекает по следующему механизму:

  • Инициирование
Br2→ 2 Br • (термическое) или Br 2 + hν → 2 Br • (фотохимическое)
каждый атом Br представляет собой свободный радикал, обозначенный символом «• »Представляет неспаренный электрон.
  • Распространение (здесь цикл из двух шагов)
Br • + H 2 → HBr + H •
H • + Br 2 → HBr + Br •
сумма этих двух шагов соответствует общей реакции H 2 + Br 2 → 2 HBr, с катализ Br •, который участвует на первом этапе и восстанавливается на втором этапе.
  • Замедление (ингибирование)
H • + HBr → H 2 + Br •
этот этап специфичен для этого примера и соответствует первому этапу распространения в обратном направлении.
  • Прерывание 2 Br • → Br 2
рекомбинация двух радикалов, соответствующая в этом примере инициированию в обратном направлении.

Как можно объяснить с помощью стационарного приближения, th Термическая реакция имеет начальную скорость дробного порядка (3/2) и полное уравнение скорости с двухчленным знаменателем (кинетика смешанного порядка ).

Дополнительные химические примеры

  • Реакция 2 H 2 + O 2 → 2H 2 O представляет собой пример разветвления цепи. Распространение представляет собой последовательность из двух шагов, конечным результатом которых является замена атома H другим атомом H плюс два радикала OH. Это приводит к взрыву при определенных условиях температуры и давления.
    • H + O 2 → OH + O
    • O + H 2 → OH + H
  • В полимеризации с ростом цепи стадия роста соответствует удлинению растущей цепи полимера. Перенос цепи соответствует передаче активности от этой растущей цепи, рост которой прекращен, на другую молекулу, которая может быть второй растущей полимерной цепью. Для полимеризации длина кинетической цепи, определенная выше, может отличаться от степени полимеризации макромолекулы продукта.
  • Полимеразная цепная реакция, метод, используемый в молекулярная биология для амплификации (создания множества копий) фрагмента ДНК путем in vitro ферментативной репликации с использованием ДНК-полимераза.

Цепные ядерные реакции

Цепная ядерная реакция была предложена Лео Сцилардом в 1933 году, вскоре после открытия нейтрона, но более чем за пять лет до ядерной деление было впервые обнаружено. Силард знал о цепных химических реакциях, и он читал о производящей энергию ядерной реакции с участием протонов высокой энергии, бомбардирующих литий, продемонстрированной Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном в 1932 году. Теперь Сцилард предложил использовать нейтроны, теоретически полученные в результате определенных ядерных реакций с более легкими изотопами, 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 с использованием бериллия и индия не увенчались успехом.

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 делящийся атом вызывает деление, приводящее к большему количеству нейтронов, чем один нейтрон, который был израсходован в начальной реакции. Так родилась практическая 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 ядерных реакторов и атомных бомб.

Демонстрация самоподдерживающейся цепной ядерной реакции была достигнута Энрико Ферми и другими при успешной эксплуатации Chicago Pile-1, первый искусственный ядерный реактор, в конце 1942 года.

Электронная лавина в газах

Электронная лавина происходит между двумя несвязанными друг с другом электроды 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 ударной ионизацией. Ускорение этих свободных электронов в сильном электрическом 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 будет свободно течь в разряде.

Электронные лавины необходимы для диэлектрического пробоя в газах. Процесс может завершиться коронным разрядом, стримерами, лидерами или искрой или непрерывной электрической дугой. что полностью ликвидирует разрыв. В процессе могут распространяться огромные искры - стримеры в разрядах молнии распространяются путем образования электронных лавин, созданных в высоком градиенте потенциала перед приближающимися концами стримеров. Однажды начавшись, лавины часто усиливаются из-за создания фотоэлектронов 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.

Этот процесс также можно использовать для обнаружения излучения, которое инициирует процесс, как прохождение одного частицы могут усиливаться до больших разрядов. Это механизм счетчика Гейгера, а также возможна визуализация с помощью искровой камеры и других проволочных камер.

Лавинный пробой в полупроводниках

лавинный пробой может происходить в полупроводниках, которые в некотором смысле проводят электричество аналогично умеренно ионизированному газу. Полупроводники зависят от свободных электронов, выбитых 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, такие как лавинные диоды, намеренно используют этот эффект.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите цепочку реакция в Викисловаре, бесплатном словаре.
На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Цепными реакциями.
Последняя правка сделана 2021-05-14 04:32:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте