82825

Химия в экстремальных и экзотических условиях

Реферат

Химия и фармакология

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....

Русский

2015-03-03

60.5 KB

8 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

[1]
Оглавление

[2]
Химия в экстремальных и экзотических условиях

[3] Холодный ядерный синтез

[4] Химия низких температур

[5] Химия в высоких гравитационных полях

[6]
Список использованной литературы:


Химия в экстремальных и экзотических условиях

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. Металлический водород получают ударным сжатием жидкой пленки молекулярного водорода толщиной 0,5 мм, помещенной между монокристаллическими наковальнями из Al при давлении 2 Мбар. 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. Ясно, что наиболее подходящим для осуществления такой механохимии являются ударные волны. 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.  Кушхов Х.Б., Современные проблемы химии: курс лекций. –  Нальчик: Каб.-Балк.. ун-т., 2003. – 46 с.
  2.  Бучаченко А.Л. Успехи химии//1999, 68. Вып. 2. – с. 99-117.
  3.  Бучаченко А.Л. Успехи химии//1987, 57. – с. 1583-1609
  4.  Химический факультет МГУ [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.chem.msu.su


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77212. Исследование работы с географическими данными в Oracle 10g 482.5 KB
  Спроектировать базу данных с учетом специфики хранимой информации; Перенести собранную обо всех электростанциях информацию в БД; Разработка интерфейса администратора для мониторинга и управления информационной системой.
77213. СОЗДАНИЕ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ ДЛЯ ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ OCAML 96 KB
  OCaml в настоящее время является активно развивающимся языком программирования. Секрет его успеха, возможно, заключается в том, что этот язык интуитивно понятен и прост для изучения даже неопытным программистом.
77214. Cоздание дискретизирующего фильтра для обработки электроокулограмм. Обеспечение работы и настройки фильтра в режиме реального времени 512 KB
  Причиной этих бросков служит тот факт, что глазное яблоко представляет собой электрический диполь (сетчатка заряжена отрицательно относительно роговицы), поэтому при поворотах глазного яблока в районе глаз регистрируется изменение разности потенциалов.
77215. Язык для описания плагинов в среде программирования JetBrains MPS 347.5 KB
  С каждым годом приложения становятся более объемными и сложными. В связи с этим, требуются все более изощренные подходы к программированию для создания новых программ. Попробуем проследить, как развивались средства программирования, чтобы удовлетворять нуждам программистов по написанию сложных проектов.
77216. Применение нейронных сетей к ранжированию результатов информационного поиска 282 KB
  Существует ряд алгоритмов машинного обучения, которые позволяют определять ранг документов. Например, RankProp, PRank и RankBoost. Данные адаптивные алгоритмы тренируются на обучающей выборке документов, чтобы выявить зависимости положения документа от его признаков.
77217. Распознавание автомобильных номеров с помощью нейронных сетей 230 KB
  В современных условиях, когда прослеживается явная тенденция к автоматизации большинства процессов, которые раньше предполагали безоговорочное участие человека, идея автоматической идентификации автомобиля по номерной пластине с целью дальнейшего использования...
77218. Создание физически-корректного дождя и сопутствующих эффектов 5.78 MB
  Целью курсовой работы была разработка и реализация дешевых, с точки зрения вычислений, но мощных алгоритмов визуализации как непосредственно самого дождя, так и различных эффектов его сопровождающих.
77219. Расширение функциональности графического редактора языка DRL 474.5 KB
  Сейчас большинство организаций разрабатывают семейства продуктов, и только немногие системы или продукты остаются уникальными. Похожая ситуация и в программной инженерии - рынок требует всё большего качества программных продуктов, уменьшения времени выхода на рынок и уменьшения их цены.
77220. Поиск оптимального ректификационного преобразования 673.5 KB
  В задаче восстановления трёхмерных сцен по двум изображениям, взятых с различных точек одним из главных этапов является поиск соответствующих точек на этих изображениях. Поиск производится вдоль эпиполярных прямых, и удобным для вычислений является случай...