Одним из разделов современной химии является лазерная химия. Она начала развиваться в 60-ые годы ХХ века после открытия лазеров – устройств, преобразующих различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения (это колебания, описываемые гармоническими функциями, например, синусоидальной). Само название «ЛАЗЕР» («LASER») является аббревиатурой слов английской фразы: Light Amplification Stimulated Emission of Radiation (усиление света в результате вынужденного излучения). Принцип работы лазера состоит, во-первых, в переводе квантовой системы – источника лазерного излучения – в возбужденное состояние (в результате интенсивного поглощения энергии атомом вещества) путем воздействия на него источника энергии (накачка лазера), и, во-вторых, испускания этой возбужденной квантовой системой электромагнитного излучения. В зависимости от типа лазера в качестве источника генерируемого излучения используются различные вещества: твердые (стекла, рубины, гранаты), в которые добавляют соединения, содержащие легко возбуждаемые атомы, а также растворы красителей или атомы благородных металлов. Подбирая частоту лазерного излучения, можно менять глубину его проникновения в зону химической реакции. Основное значение при этом имеет высокая однородность (монохроматичность) излучения, позволяющая избирательно активировать определенные молекулы в реакционной смеси. Другими словами, механизм лазерной химии заключается в избирательной активации определенных химических связей лазерным излучением, что, в конечном счете, должно приводить к образованию веществ с заданными свойствами. Таким образом, можно сделать вывод, что лазерная химия является одним из эффективных методов инициирования (или активации) химических процессов.
|
|
Химия экстремальных состояний как направление в химии появилась в середине 19 века благодаря экспериментам К. де Латура. Основным предметом выступают исследования химических процессов в сверхкритических средах. В качестве первой и основной экспериментальной среды выступала вода, затем к ней добавились (по мере определения критической точки) диоксид углерода, ксенон, этанол, этан, этилен, аммиак, оксид одновалентного азота.
Значительную роль имеет использование сверхкритических сред для осуществления каталитических реакций, в которых катализатор проявляет наибольшую устойчивость. При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается современная химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.
Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10 000 ºС. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.
В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10 с. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.
|
|
Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры – длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет огромный завод. При температуре 3000-3500 ºС за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90-95%, а энергозатраты составляют не более 3кВтч на 1 кг ацетилена. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.
Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков – основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при энергозатратах не более 1-2 кВтч на 1 кг. Таким образом, химия высоких энергий направлена на существенную экономию энергии.
Созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.
Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее не известные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связывающего вещества используются сталь, чугун, алюминий.
Радиационная химия – сравнительно молодая отрасль химии экстремальных состояний, ей немного более 40 лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.
|
|
В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.
Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.
Важное промышленное значение приобрело использование диоксида углерода в качестве сверхкритической среды. Это обеспечивает экстракцию кофеина, получение фармацевтических препаратов, химическую чистку материалов, нанесение лакокрасочных покрытий и пленок, получение полимеров, сушку аэрогелей, приготовление пеноматериалов.
Сверхкритические состояния воды имеют важное экологическое значение при обезвреживании органических отходов, извлечении тяжелых металлов, переработке радиоактивных жидких отходов, разложении синтетических полимеров и диоксинов.