Хімія високих енергій
Відео: Органічні світлодіоди
6 фактів про хімії збуджених станів і неадіабатичних процесах
Поняття фізики високих енергій зараз досить добре відомо, в тому числі і простому обивателю, тому що за останні роки в цій галузі створено безліч гігантських проектів (в першу чергу, Великий адронний коллайдер). Фізика високих енергій на початковому рівні зрозумілабагатьом: всім відомо, що відбувається пошук нових елементарних частинок, синтезуються нові елементи шляхом зіткнень, для цього будуються гігантські установки, тунелі довжиною в десятки кілометрів, і навіть на побутовому рівні зрозуміло, що це пов`язано з дуже високими енергіями. Про те, що таке «хімія високих енергій», відомо куди меншого числа людей, навіть у професійній хімічної середовищі. Чи не тому, що це щось екзотичне, а тому, що цей термін поки не знайшов такого широкого застосування. Хоча, якщо зрозуміти його глибинну суть, все стає досить очевидно.
1. Термічні реакції
Якщо у Великому адронному колайдері мова йде про енергії, які створюються гігантськими генераторами, про божевільних розрядах, здатних убити людину, то в хімії високих енергій все по-іншому. Сонячне світло, що потрапляє через вікно в кімнаті, - це вже висока енергія для хімічної системи. Важливо визначити, який критерій тут працює.
Як запускаються майже всі хімічні реакції, відомі нам ще зі школи? Переважна більшість реакцій зобов`язане теплової енергії. Теплова енергія повідомляється системі, порушуються якісь коливальні моди, молекула або частини молекули починають рухатися інакше. Якщо дивитися на це з точки зору квантової хімії, то система потрапляє на більш високий коливальний рівень і там поводиться так, що реакція стає неминуча. Є такі терміни, як «адиабатические» і «неадіабатичних процеси» (замість другого терміну можна говорити «діабатіческіе», щоб не було подвійного заперечення на суміші російської і грецької), і якщо термічні реакції є адіабатичними, то хімія високих енергій займається саме неадіабатичних процесами .
2. Електронно-збуджений стан
Термічні реакції - це те, що відбувається в рамках однієї поверхні потенційної енергії. Якщо уявити собі гірський масив, то термічна реакція - це перехід з однієї долини в іншу долину через гірський перевал. При цьому, швидше за все, в другій долині все вигідніше по енергії, грубо кажучи (продовжуючи аналогію, можна сказати, що вона лежить нижче). З хімією високих енергій все не так. Тут ми знаходимося не на одній поверхні, а переходимо на якусь іншу. Ця інша поверхня називається електронно-збудженим станом. Тобто якщо продовжити аналогію з гірським перевалом, ми піднімаємося на вежу, на фунікулер, і цей фунікулер їде над гірським перевалом. Таким чином, замість того, щоб йти через перевал пішки, ми проноситься над ним. У чому це виражається, якщо говорити про хімічних процесах? Високі енергії можуть повідомлятися, наприклад, світлом, що відповідає одному з розділів хімії високих енергій - фотохімії. Або іонізуючим випромінюванням, що відповідає радіаційної хімії. У переважній більшості випадків вони вище, ніж те, що можна повідомити системі за допомогою теплового впливу. При цьому з точки зору фізики це досить низькі енергії, але, якщо говорити про порушення хімічної системи, тобто про те, як поводяться атоми в молекулі, тут є дуже суттєва різниця, і за рахунок того, що ми переходимо на іншу поверхню потенційної енергії, відкривається маса інших можливостей. Уявіть собі, що є якась непереборна вершина, але якщо проїхати над нею, то вдасться потрапити туди, куди пішки ми б не дійшли. Тут ця аналогія дуже показова. Те, що в системі задіюються інші електронно-збуджені стани, відкриває шлях до нових механізмів реакцій. І це правомірно як для фотохімії, так і для радіаційної хімії, а також і для третього розділу хімії високих енергій - плазмохімії.
3. Хімія високих енергій в побуті
Якщо проведення радіаційно-хімічних реакцій вимагає спеціального устаткування, джерел іонізуючого випромінювання (до них відносяться електронні пучки, гамма-випромінювання, рентген), то якісь найпростіші з фотохімічних експериментів можна проводити навіть вдома. Тобто якщо ви влітку на пару днів або на тиждень поставите на вікно якусь яскраву листівку, то ви побачите, що вона вицвітає. Це означає, що відбувається фотохімічна реакція: світло поглинається барвником на папері, і відбуваються процеси, які не здійснювалися б в тому випадку, якщо б листівка просто полежала в теплому місці, тому що світло переносить енергію, якої достатньо для того, щоб переводити систему в електронно-збуджений стан.
4. Фотохімічні реакції
Фотохімічні реакції в примітивному вигляді були відомі ще з середньовічних часів, однак природа цих явищ стала остаточно зрозуміла тільки в XX столітті. Хоча і в XIX столітті якісь кількісні закономірності фотохімічних реакцій вже були описані, але тоді вчені могли проводити лише якісь прості процеси, ті, які зараз можуть проводити в практикумах з фізичної хімії, наприклад реакцію розкладання пероксиду водню. Фотохімія - це гігантський розділ хімії, який має пряме відношення і до макромолекулярной хімії, так як, наприклад, безліч полімерів можна отримати під дією світла, і до біохімії, бо всі люди існують завдяки фотохімії, так як фотосинтез - це фотохімічний процес.
5. Три розділи хімії високих енергій
Поняття «хімія високих енергій» ні в якому разі не варто плутати з поняттям «фізика високих енергій». До хімії високих енергій відносяться три великі розділи: фотохімія, радіаційна хімія і плазмохімія. Незважаючи на те, що словосполучення «радіаційна хімія» звучить небезпечно, з радіоактивністю і радіонуклідами радіаційна хімія безпосередньо відношення не має. Хіміки просто світять на щось рентгенівським променем, і через це відбуваються якісь процеси, і це зовсім не означає, що в об`єкті з`являється радіоактивність. Самий інтуїтивно зрозумілий розділ хімії високих енергій - це фотохимия, де вивчаються реакції під дією світла. До цього розділу відноситься вивчення фотосинтезу і, наприклад, того, що може відбуватися під дією світла в пиві (не дарма ж його зберігають в темних пляшках), або того, що відбувається, коли ви ламаєте в нічному клубі спеціальну люмінесцентну паличку, а вона починає світитися, або того явища, завдяки якому існує плівкова фотографія.
6. Використання хімії високих енергій в промисловості
Процеси, пов`язані з хімії високих енергій, вже зараз широко використовуються в промисловості. Це і отримання полімерів як за допомогою фотоініціації, так і за допомогою радіаційно-хімічного ініціювання реакцій полімеризації, і радіаційно-хімічне очищення води - один з найбільш екологічних способів очищення, і знезараження продуктів, і величезна кількість процесів, які пов`язані з фоточутливістю. Все це може легко розвиватися і далі, і ефективність цих процесів, швидше за все, буде лише зростати.
Іван Сорокін
кандидат хімічних наук, молодший науковий співробітник хімічного факультету МГУ
