Nowy typ reakcji chemicznej

Nowy typ reakcji chemicznej

W badaniach prowadzonych przez Michaela P. Burke'a, adiunkta inżynierii mechanicznej w Columbia Engineering,odkryto nową klasę reakcji obejmującej trzy cząsteczki, które uczestniczą w zerwaniu i tworzeniu wiązań chemicznych. Reakcja trzech różnych cząsteczek jest możliwa dzięki "efemerycznemu zespołowi kolizji" powstałemu w wyniku zderzenia dwóch cząsteczek, który zderza się z trzecią cząsteczką.

Hipotezę o istnieniu czwartego typu reakcji postawili już w latach 20. i 30. XX w. Hinshelwood i Semenow, ale przez lata twierdzono, że nie ma ona zbytniego znaczenia. Dopiero Burke, badający związki między chemią i fizyką, postanowił prześledzić tę hipotezę po spostrzeżeniu, że w powszechnych reakcjach spalania zachodzących w silnikach bierze udział dużo wysoko reaktywnych cząsteczek, tzw. wolnych rodników. Jego badania zostały opublikowane w Nature Chemistry.

"Spalanie zawsze było punktem wyjścia do zrozumienia wszystkich innych mechanizmów chemicznych", mówi Burke, który jest również członkiem Instytutu Informatyki. "Potencjalnie mogą wystąpić niezliczone reakcje z tej nowej klasy, które wpływają na sposób, w jaki modelujemy chemię w fazie gazowej, od projektowania nowych typów silników do zrozumienia chemii planetarnej odpowiedzialnej za kształtowanie się chmur, zmiany klimatu, ewolucję zanieczyszczeń, a być może kolejność reakcji, która może wpłynąć na warunki życia pozaziemskiego. Nasze odkrycie otwiera zupełnie nowy świat możliwości ".

Na przykład pojazdy kosmiczne doświadczają bardzo wysokich temperatur w czasie powrotu na Ziemię. Burke przypuszcza, że ta czwarta klasa reakcji może wpływać na strumień ciepła, co ma znaczący wpływ na zaprojektowanie systemów ochrony termicznej.

W swoich badaniach Burke wykorzystał najnowocześniejsze metody. Jego zdaniem, ich siła polega na tym, że dostarczają unikatowego wglądu w ciężkie chemiczne środowisko, niedostosowane do badań laboratoryjnych. „Nasze obliczenia bazują na danych obliczeniowych wyprowadzonych z równania Schrödingera, podstawowego dla mechaniki kwantowej. Połączenie tych danych z innymi modelami opartymi na fizyce umożliwia nam bezpośrednie określenie wpływu tylko jednej reakcji na wiele, co jest bardzo trudne do wykonania w laboratorium ".

Naukowcy wykazali, że te trzycząsteczkowe reakcje są nie tylko dużymi szlakami chemicznymi, ale także wpływają na szybkość propagacji płomienia, miarę ogólnej reaktywności paliwa, która reguluje wydajność, stabilność i sprawność wielu nowoczesnych silników.
Chemia wielu układów, w tym atmosfery spalania i planetarnej, jest regulowana przez złożone mechanizmy chemiczne, gdzie droga od substratów do produktów przebiega przez wiele pośrednich cząsteczek z wieloma indywidualnymi reakcjami chemicznymi. Do chwili obecnej rozważano tylko trzy klasy reakcji: jednocząsteczkowe, w których jeden reagent ulega rozpadowi w celu uzyskania różnych produktów, dwucząsteczkowe, w których zderzają się dwa reagenty w celu uzyskania produktów i wreszcie reakcje związania, w których dwa reagenty zderzają się, tworząc kompleks molekularny z nowym związkiem chemicznym, a trzecia cząsteczka usuwa część wewnętrznej energii kinetycznej w celu ustabilizowania produktu. Jest ona niereaktywna.

Gdyby mogła ona reagować, wówczas mogłaby uczestniczyć w procesie zrywania i tworzenia wiązań. „Biorąc pod uwagę fakt, że cząsteczki reaktywne, takie jak wolne rodniki i tlen cząsteczkowy, są głównymi składnikami spalania i pewnych planetarnych środowisk, te nowe reakcje chemiczne mają znaczący potencjał, a także odgrywają znaczącą rolę w wielu środowiskach".

Burke planuje uogólnić te teorie i sposoby obliczania szybkości reakcji, aby umożliwić podobne kalkulacje w środowiskach o wyższym ciśnieniu, gdzie kolizje między cząsteczkami są jeszcze częstsze, co ma znaczenie dla najnowszych konstrukcji silników.

(KB)