Цепная реакция (примеры в химии)

Цепная реакция это серия реакций, в которых реагирующее вещество или побочный продукт инициирует дальнейшие реакции. Положительная обратная связь в цепной реакции вызывает самоусиляющуюся цепочку событий.

Из вышеупомянутого определения значение становится более ясным. Это дает нам представление о термодинамической стабильности реакции.

• Эти реакции являются одним из способов для нетермодинамически сбалансированных систем высвобождать энергию или увеличивать энтропию для достижения более высокого энтропийного состояния.

Например, устройство может оказаться неспособным достичь более низкого энергетического состояния путем высвобождения энергии в окружающую среду, поскольку ему препятствуют или мешают пройти путь, который каким-либо образом приведет к высвобождению энергии.

Если реакция приводит к ограниченному выделению энергии, устройство обычно взрывоопасно разрушается до того, как будет высвобождена большая часть или вся накопленная энергия.

Что такое цепная реакция

Снежный ком, запускающий более крупный снежный ком до того, как произойдет лавина, — это макроскопический термин для цепных реакций («эффект снежного кома»).

Это происходит из-за сохранения потенциальной энергии гравитации и нахождения направления высвобождения при трении. Искра, вызывающая лесной пожар, является химическим эквивалентом снежной лавины.

Один случайный нейтрон может вызвать быстрое критическое событие в ядерной физике, которое в конечном итоге может оказаться достаточно энергичным, чтобы вызвать отказ ядерного реактора или (в случае бомбы) ядерный взрыв.

Химия цепной реакции

Ниже приведены наиболее распространенные формы фаз цепной реакции.

• Инициирование (образование активных частиц или цепных носителей, часто свободных радикалов, на термической или фотохимической стадии)
• Распространение (может содержать множество элементарных или простых шагов в цикле, где реактивная частица посредством химической реакции образует другую реактивную частицу, которая продолжает цепочку реакции, переходя на следующий элементарный или простой шаг). Кроме того, активная частица действует как катализатор для общей реакции цикла распространения. Ниже приведены примеры особых случаев:

Разветвление цепи — это фаза в процессе распространения, когда входит одна реактивная частица и образуются две или более.

Цепной перенос (стадия распространения, на которой активная частица представляет собой растущую полимерную цепь, которая реагирует с образованием неактивного полимера, рост которого прекращается, а активный малый радикал, например, представляет собой частицу, которая может реагировать с образованием новой полимерной цепи.

• Прекращение (простой или элементарный этап, на котором реактивная частица теряет свою реакционную способность; например, путем рекомбинации двух свободных радикалов).

Длина цепи равна общей скорости реакции, деленной на скорость инициирования, и определяется как среднее число повторений цикла распространения.

В некоторых цепных реакциях могут использоваться комплексные уравнения скорости кинетики дробного или смешанного порядка.

Примеры цепных реакций

1. Образование бромистого водорода из газа водорода и брома. Реакция H₂ + Br2 → 2HBr осуществляется по следующему механизму:

• Инициация

Br₂ → 2Br• (Для этого шага требуется тепловая энергия)

или

Br₂ + hv → 2Br• (Этот шаг происходит в присутствии фотонов)

каждый атом Br является свободным радикалом, обозначенным символом ( • ), представляющим неспаренный электрон.

• Распространение (здесь цикл из двух шагов)

Br• + H₂ → HBr + H•

H• + Br₂ → HBr + Br•

Сумма вышеуказанных двух стадий реакции соответствует общей реакции как: H2 + Br2 → 2HBr, с катализом Br•, который участвует в первой стадии и регенерируется на второй стадии. Замедление (торможение)

H• + HBr → H₂ + Br•

Этот шаг уникален для данного примера и соответствует обратному первому шагу распространения.

• Прекращение 2 Br• → Br₂

В этом случае рекомбинации двух радикалов соответствует инициация в обратном направлении.

Тепловая реакция имеет начальную скорость дробного порядка (3/2) и уравнение полной скорости с двухчленным знаменателем, как показано в стационарном приближении (кинетика смешанного порядка).

2. Разветвление цепи показано в реакции 2H₂ + O2 → 2H₂O
3. Распространение представляет собой двухэтапный процесс, который приводит к замене атома Н другим атомом Н плюс два радикала ОН. При определенных условиях температуры и давления это приводит к взрыву.

H + O₂ → ОH

O + H₂ → OH + H

Стадия распространения в полимеризации роста цепи соответствует удлинению растущей полимерной цепи.

Цепной перенос относится к переносу операции с растущей цепи, которая достигла конца своего цикла роста, на другую молекулу, которая может быть второй растущей полимерной цепью.

Вышеупомянутая кинетическая длина цепи может варьироваться в зависимости от степени полимеризации макромолекулы продукта во время полимеризации.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это метод молекулярной биологии, который использует ДНК-полимеразу для амплификации (создания нескольких копий) фрагмента ДНК in vitro.

Пиролиз ацетальдегида и уравнение скорости

Процесс Райса-Херцфельда используется при пиролизе (термическом разложении) ацетальдегида, CH₃CHO(г) → CH₄(г) + CO(г) :

• Инициация (образование свободных радикалов):

CH₃CHO(г) → •CH₃(г) + •CО(г)k1

Свободными радикалами являются метильная и CHO группы.

Распространение (два шага):

•СН₃(г) + CH₃CHO(г) → CH₄(г) + •CH₃CO(г) k2

Метан, один из двух ключевых продуктов, образуется на этой стадии реакции.

•СН₃CO(г) → CO(г) + •CH₃(г)k3

Продукт предыдущего шага •CH₃CO(г) производит монооксид углерода (CO), который является вторым основным продуктом.

Общая реакция CH₃CHO(г) → CH₄(г) + CO(г), катализируемый метильным радикалом •CH₃ , равно числу двух шагов распространения.

Прекращение:

•СН₃(г) + •CH₃(г) → C₂H₆(г)k4

Эта реакция производит только этан (второстепенный продукт) и считается заключительным этапом основной цепи.

В то время как этот процесс описывает основные продукты, другие, такие как ацетон (CH₃COCH₃) и пропанал, имеют незначительную форму (СН₃CH₂CHО).

Закон скорости образования метана и порядок реакции были найдены с использованием стационарного приближения для промежуточных видов CH₃(г) и CH₃CO(г).

История открытия цепной реакции в химии

Лео Силард предложил ядерную цепную реакцию в 1933 году, сразу после открытия нейтрона, но более чем за пять лет до открытия ядерного деления.

Силард был знаком с химическими цепными реакциями, и недавно он прочитал о демонстрации Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном в 1932 году ядерной реакции, производящей энергию, в которой участвуют высокоэнергетические протоны, бомбардирующие литий.

Теперь Сцилард предлагает, чтобы нейтроны, теоретически высвобождаемые некоторыми ядерными реакциями в более легких изотопах, использовались для того, чтобы вызвать дальнейшие реакции, вызывающие нейтроны в более легких изотопах.

Теоретически это приведет к цепной реакции на стадии ядра. Поскольку в то время он не знал о делении, он не думал об этом как об одной из реакций, вызывающих нейтроны.

Позже, после открытия деления в 1938 году, Силард понял, что нейтронно-индуцированное деление может быть использовано в качестве специфической ядерной реакции, необходимой для генерации цепной реакции, при условии, что деление также испускает нейтроны.

Силард продемонстрировал эту реакцию размножения нейтронов в уране с Энрико Ферми в 1939 году. Нейтрон плюс делящийся атом вызывает деление в этой реакции, в результате чего образуется большее количество нейтронов, чем один, поглощенный в начальной реакции.

С помощью механизма нейтронно-индуцированного ядерного деления родилась практическая ядерная цепная реакция.

Если один или несколько испускаемых нейтронов взаимодействуют с другими делящимися ядрами, и эти ядра также делятся, существует вероятность того, что макроскопическая общая реакция деления не закончится, а будет протекать в реакционном материале.

В результате цепная реакция становится самораспространяющейся и, следовательно, самоподдерживающейся. Вот как работают ядерные реакторы и атомные бомбы.

Энрико Ферми и другие продемонстрировали самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию в ходе успешной эксплуатации Чикагской сваи-1, первого искусственного ядерного реактора, в конце 1942 года.

Электронная лавина в газах

Когда электрическое поле достигает определенного порога, между двумя несвязанными электродами в газе возникает лавина электронов.

В процессе, известном как ударная ионизация, случайные тепловые столкновения атомов газа могут привести к появлению нескольких свободных электронов и положительно заряженных ионов газа.

Когда эти свободные электроны ускоряются в сильном электрическом поле, они получают энергию, и эта энергия вызывает высвобождение новых свободных электронов и ионов (ионизацию), что подпитывает тот же процесс.

Если этот механизм происходит быстрее, чем он естественным образом гасится рекомбинацией ионов, новые ионы размножаются в последовательных циклах до тех пор, пока газ не распадется на плазму и ток свободно не потечет в разряде.

Механизм пробоя диэлектрика в газах основан на электронных лавинах. Коронные разряды, серпантины, лидеры, искра или непрерывная электрическая дуга, которые полностью устраняют разрыв, — все это возможные результаты операции.

Стримеры в разряде молнии распространяются, образуя электронные лавины в градиенте высокого потенциала перед выступающими наконечниками стримеров, и этот механизм обладает потенциалом распространения массивных искр.

Создание фотоэлектронов, индуцированных ультрафиолетовым излучением, испускаемым атомами возбужденной среды в поле на заднем конце, часто усиливает лавины, как только они начинаются.

Невероятно высокая температура образующейся плазмы разрушает молекулы окружающего газа, позволяя свободным ионам рекомбинировать и образовывать новые химические соединения.

Поскольку прохождение одной частицы может быть усилено до мощных разрядов, этот процесс также может быть использован для обнаружения излучения, которое инициирует процесс. Вот как работает счетчик Гейгера, а также как можно визуализировать искровую камеру и другие проволочные камеры.

Лавинный пробой в полупроводнике

В полупроводниках, которые в некотором роде проводят электричество подобно слегка ионизированному газу, может произойти лавинообразный процесс пробоя.

Проводимость в полупроводниках основана на свободных электронах, выбитых из кристалла тепловой вибрацией. В результате, в отличие от металлов, полупроводники улучшают свою проводимость с повышением температуры.

Здесь установлена та же форма положительной обратной связи; тепло от потока тока вызывает повышение температуры, что увеличивает носители заряда, снижает сопротивление и позволяет протекать большему току.

Это может продолжаться до тех пор, пока обычное сопротивление на полупроводниковом переходе полностью не разрушится, что приведет к выходу системы из строя (это может быть временным или постоянным в зависимости от того, есть ли физическое повреждение кристалла).

Некоторые приборы, такие как лавинные диоды, используют этот эффект специально.

История химической цепной реакции

Макс Боденштейн, немецкий химик, впервые предложил концепцию химических цепных реакций в 1913 году.

Когда две молекулы вступают в реакцию, они производят не только молекулы конечных продуктов реакции, но и некоторые нестабильные молекулы, которые имеют гораздо более высокую вероятность взаимодействия с родительскими молекулами, чем исходные реагенты.

Чтобы понять явление квантового выхода, Вальтер Нернст в 1918 году предположил, что фотохимическая реакция между водородом и хлором представляет собой цепную реакцию.

Это означает, что один фотон света приведет к образованию до 106 молекул вещества HCl. Согласно Нернсту, фотон расщепляет молекулу Cl₂ на два атома Cl, каждый из которых запускает длинную цепочку реакций, которая приводит к образованию HCl.

В статье 1923 года об образовании полимеров датские и голландские ученые Кристиан Кристиансен и Хендрик Энтони Крамерс указали, что цепная реакция не обязательно должна начинаться с молекулы, возбуждаемой светом, но вместо этого может начаться с сильного столкновения двух молекул из-за тепловой энергии, как предложил вант Хофф для инициирования химической реакции.

Кристиансен и Крамерс также отметили, что если в одном звене реакционной цепи образуются две или более нестабильные молекулы, то реакционная цепь будет разветвляться и расширяться.

Эффект заключается в экспоненциальном росте, что приводит к взрывным изменениям скорости реакции и, в некоторых случаях, к химическим взрывам. Механизм химических взрывов был впервые предложен таким образом.

Интересные факты о цепной реакции

• В 1934 году советский физик Николай Семенов создал количественную теорию цепных химических реакций. В 1956 году Семенов разделил Нобелевскую премию с сэром Сирилом Норманом Хиншелвудом, который независимо сформулировал многие из тех же количественных принципов.
• В своей лаборатории под трибунами стадиона Стэгг Филд в Чикагском университете Энрико Ферми, физик-лауреат Нобелевской премии итальянского происхождения, руководит и контролирует первую ядерную цепную реакцию, открывающую ядерную эру.

Часто задоваемые вопросы ответы о цепной реакции?

Что такое цепная реакция?

Это самоподдерживающаяся химическая или ядерная реакция, которая производит энергию или материалы, вызывающие более похожие реакции.

Приведите несколько примеров цепной реакции?

Ниже приведены некоторые примеры цепных реакций:

1. Образование полиэтилена.
2. Полимеразная цепная реакция.
3. Образование аминокислоты.

Что это за тип цепной реакции?

Цепные реакции можно разделить на две категории:

1. Управляемый (как атомная электростанция)
2. Неконтролируемый (атомная бомба).