Механохимия
Механохимия (или механическая химия ) — это инициирование химических реакций механическими явлениями. Таким образом, механохимия представляет собой четвертый способ вызвать химические реакции, дополняя термические реакции в жидкостях, фотохимию и электрохимию . Традиционно механохимия фокусируется на превращениях ковалентных связей под действием механической силы. Не охвачены темой многие явления: фазовые переходы , динамика биомолекул (стыковка, сворачивание), сонохимия . [1]
Механохимия — это не то же самое, что механосинтез , который относится конкретно к машинному созданию сложных молекулярных продуктов. [2] [3]
В естественной среде механохимические реакции часто вызываются физическими процессами, такими как землетрясения, [4] движение ледника [5] или гидравлическое действие рек или волн. В экстремальных условиях, таких как подледниковые озера, водород, образующийся в результате механохимических реакций с участием измельченных силикатных пород и воды, может поддерживать метаногенные микробные сообщества. А механохимия могла генерировать кислород на древней Земле в результате расщепления воды на изломанных минеральных поверхностях при высоких температурах, что потенциально могло повлиять на зарождение жизни или раннюю эволюцию. [6]
История [ править ]
Первоначальный механохимический проект заключался в том, чтобы добыть огонь путем трения кусков дерева друг о друга, создавая трение и, следовательно, тепло, вызывая горение при повышенной температуре. Другой метод предполагает использование кремня и стали , при этом искра (небольшая частица пирофорного металла) самопроизвольно воспламеняется на воздухе, мгновенно вызывая возгорание.
Промышленная механохимия началась с измельчения двух твердых реагентов. Сульфид ртути (минерал киноварь ) и металлическая медь вступают в реакцию с образованием ртути и сульфида меди: [7]
- HgS + 2Cu → Hg + Cu 2 S
Механохимии был посвящен специальный выпуск журнала Chemical Society Review. [8]
Ученые признали, что механохимические реакции происходят в окружающей среде естественным путем в результате различных процессов, а продукты реакций потенциально могут влиять на микробные сообщества в тектонически активных регионах. [4] В последнее время эта область привлекает все большее внимание, поскольку механохимия имеет потенциал для создания разнообразных молекул, способных поддерживать экстремофильные микробы. [5] влияние на раннюю эволюцию жизни, [6] развитие систем, необходимых для возникновения жизни, [6] или поддержка инопланетных форм жизни. [9] Эта область теперь вдохновила на создание специальной темы исследования в журнале Frontiers in Geochemistry. [10]
Механические процессы [ править ]
Натуральный [ править ]
Землетрясения разрушают горные породы в недрах Земли и на других тектонически активных планетах. Реки также часто истирают скальные породы, обнажая свежие минеральные поверхности, а волны на берегу размывают скалы, разрушают скальные породы и истирают отложения. [11]
Подобно рекам и океанам, механическая сила ледников проявляется в их воздействии на ландшафты. Когда ледники движутся вниз по склону, они истирают горные породы, образуя трещины на минеральных поверхностях, которые могут участвовать в механохимических реакциях.
Неестественный [ править ]
В лабораториях для измельчения обычно используются планетарные шаровые мельницы. [5] [6] исследовать природные процессы.
Механохимические превращения часто сложны и отличаются от термических или фотохимических механизмов. [12] [13] Шаровое измельчение — это широко используемый процесс, в котором для достижения химических превращений используется механическая сила. [14] [15]
Это устраняет необходимость во многих растворителях, давая возможность того, что механохимия может помочь сделать многие отрасли промышленности более экологически чистыми. [16] [17] Например, механохимический процесс был использован для синтеза фармацевтически привлекательных фенолгидразонов . [18]
Химические реакции [ править ]
Механохимические реакции включают реакции между механически разрушенными твердыми материалами и любыми другими реагентами, присутствующими в окружающей среде. Однако естественные механохимические реакции часто связаны с взаимодействием воды с щебнем, так называемыми реакциями вода-порода. [6] [5] [4] Механохимия обычно начинается с разрыва связей между атомами многих различных типов минералов.
Силикаты [ править ]
Силикаты являются наиболее распространенными минералами в земной коре и, таким образом, представляют собой тип минералов, наиболее часто участвующих в естественных механохимических реакциях. Силикаты состоят из атомов кремния и кислорода, обычно расположенных в кремниевых тетраэдрах. Механические процессы разрывают связи между атомами кремния и кислорода. Если связи разрываются гомолитическим расщеплением, генерируются неспаренные электроны:
≡Si–O–Si≡ → ≡Si–O• + ≡Si•
≡Si–O–O–Si≡ → ≡Si–O• + ≡Si–O•
≡Si–O–O–Si≡ → ≡Si–O–O• + ≡Si•
водорода Производство
Реакция воды с радикалами кремния может привести к образованию радикалов водорода: [5]
2≡Si• + 2H 2 O → 2≡Si–O–H + 2H•
2H• → H 2
Этот механизм может генерировать H2 для поддержки метаногенов в средах с небольшим количеством других источников энергии. Однако при более высоких температурах (~>80 °C [6] ), водородные радикалы реагируют с силоксильными радикалами, предотвращая образование H2 по этому механизму: [4]
≡Si–O• + H• → ≡Si–O–H
2H• → H 2
Генерация оксиданта [ править ]
Когда кислород вступает в реакцию с кремнием или кислородными радикалами на поверхности щебня, он может химически адсорбироваться на поверхности:
≡Si• + O 2 → ≡Si–O–O•
≡Si–O• + O 2 → ≡Si–O–O–O•
Эти кислородные радикалы могут затем генерировать окислители, такие как гидроксильные радикалы и перекись водорода: [19]
≡Si–O–O• + H 2 O → ≡Si–O–O–H + •OH
2•OH → H 2 O 2
Кроме того, окислители могут образовываться в отсутствие кислорода при высоких температурах: [6]
≡Si–O• + H 2 O → ≡Si–O–H + •OH
2•OH → H 2 O 2
H 2 O 2 естественным образом разлагается в окружающей среде с образованием воды и газообразного кислорода:
2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2
Промышленные приложения [ править ]
Были рассмотрены основы и приложения, начиная от наноматериалов и заканчивая технологиями. [20] Подход был использован для синтеза металлических наночастиц , катализаторов , магнитов , γ-графина , йодатов металлов , нанокомпозитных порошков никель-ванадий-карбид и молибден-ванадий-карбид. [21]
Шаровая мельница использовалась для отделения углеводородных газов от сырой нефти. В этом процессе использовалось 1–10% энергии традиционной криогеники. На дифференциальное поглощение влияют интенсивность измельчения, давление и продолжительность. Газы восстанавливаются путем нагревания при определенной температуре для каждого типа газа. В процессе успешно перерабатываются алкиновые , олефиновые и парафиновые газы с использованием порошка нитрида бора .
Хранение [ править ]
Механохимия имеет потенциал для энергоэффективного твердотельного хранения водорода, аммиака и других топливных газов. Полученный порошок безопаснее, чем традиционные методы сжатия и разжижения. [22]
См. также [ править ]
Дальнейшее чтение [ править ]
- Булатов Роман, изд. (2015). Механохимия полимеров . Спрингер. ISBN 978-3-319-22824-2 .
- Ленхардт, Дж. М.; Онг, Монтана; Чоу, Р.; Эвенхейс, Чехия; Мартинес, Ти Джей; Крейг С.Л., Улавливание дирадикального переходного состояния путем механохимического расширения полимера. Наука 2010, 329 (5995), 1057-1060.
Ссылки [ править ]
- ^ Бейер, Мартин К.; Клаузен-Шауманн, Хауке (2005). «Механохимия: механическая активация ковалентных связей». Химические обзоры . 105 (8): 2921–2948. дои : 10.1021/cr030697h . ПМИД 16092823 .
- ^ Дрекслер, К. Эрик (1992). Наносистемы: молекулярная техника, производство и вычисления . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-57547-4 .
- ^ Мемориальный институт Бателла и Институт нанотехнологий Форсайта. «Технологический план для производственных наносистем» (PDF) . Проверено 23 февраля 2013 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Кита, Ицуро; Мацуо, Садао; Вакита, Хироши (10 декабря 1982 г.). «Генерация H 2 в результате реакции между H 2 O и измельченной породой: экспериментальное исследование дегазации H 2 из активной зоны разлома» . Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 87 (Б13): 10789–10795. Бибкод : 1982JGR....8710789K . дои : 10.1029/JB087iB13p10789 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Рассказываю, Дж.; Бойд, ES; Боун, Н.; Джонс, Эл.; Трантер, М.; Макфарлейн, JW; Мартин, PG; Уодэм, Дж.Л.; Ламарш-Ганьон, Ж.; Скидмор, МЛ; Гамильтон, ТЛ; Хилл, Э.; Джексон, М.; Ходжсон, Д.А. (ноябрь 2015 г.). «Измельчение горных пород как источник водорода для подледниковых экосистем» . Природа Геонауки . 8 (11): 851–855. Бибкод : 2015NatGe...8..851T . дои : 10.1038/ngeo2533 . hdl : 1983/826fdf87-589b-4a98-9325-54cc25bdb23d . ISSN 1752-0908 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г Стоун, Джордан; Эдгар, Джон О.; Гулд, Джейми А.; Теллинг, Джон (8 августа 2022 г.). «Тектонически обусловленное производство окислителей в горячей биосфере» . Природные коммуникации . 13 (1): 4529. Бибкод : 2022NatCo..13.4529S . дои : 10.1038/s41467-022-32129-y . ISSN 2041-1723 . ПМК 9360021 . ПМИД 35941147 .
- ^ Марчини, Марианна; Гандольфи, Массимо; Майни, Люсия; Раггетти, Люсия; Мартелли, Маттео (2022). «Изучение древней химии ртути» . Труды Национальной академии наук . 119 (24): e2123171119. Бибкод : 2022PNAS..11923171M . дои : 10.1073/pnas.2123171119 . ПМЦ 9214491 . ПМИД 35671430 . S2CID 249464844 .
- ^ «Передняя обложка» . Обзоры химического общества . 42 (18): 7487. 2013. doi : 10.1039/c3cs90071a . ISSN 0306-0012 .
- ^ МакМахон, Шон; Парнелл, Джон; Блейми, Найджел Дж. Ф. (сентябрь 2016 г.). «Доказательства сейсмогенного газообразного водорода, потенциального источника микробной энергии на Земле и Марсе» . Астробиология . 16 (9): 690–702. Бибкод : 2016AsBio..16..690M . дои : 10.1089/ast.2015.1405 . hdl : 2164/9255 . ISSN 1531-1074 . ПМИД 27623198 .
- ^ «Дефекты минералов: движущая сила (био)геохимических реакций? | Тема исследования Frontiers» . www.frontiersin.org . Проверено 9 декабря 2022 г.
- ^ Он, Хунпин; Ву, Сяо; Сиань, Хайян; Чжу, Цзяньси; Ян, Ипин; Лев, Ин; Ли, Илян; Конхаузер, Курт О. (16 ноября 2021 г.). «Абиотический источник архейской перекиси водорода и кислорода, который предшествует оксигенному фотосинтезу» . Природные коммуникации . 12 (1): 6611. Бибкод : 2021NatCo..12.6611H . дои : 10.1038/s41467-021-26916-2 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 8595356 . ПМИД 34785682 . S2CID 240601612 .
- ^ Хикенбот, Чарльз Р.; Мур, Джеффри С.; Уайт, Скотт Р.; Соттос, Нэнси Р.; Бодри1, Жером; Уилсон, Скотт Р. (2007). «Смещение путей реакции с помощью механической силы». Природа . 446 (7134): 423–427. Бибкод : 2007Natur.446..423H . дои : 10.1038/nature05681 . ПМИД 17377579 . S2CID 4427747 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) (требуется подписка) - ^ Карлье, Лесли; Барон, Мишель; Шамаю, Ален; Куарраз, Гай (май 2013 г.). «Экологичная аптека с использованием синтеза без растворителей: исследование механизма в случае дибензофеназина» . Порошковая технология . 240 : 41–47. дои : 10.1016/j.powtec.2012.07.009 . ISSN 0032-5910 . S2CID 97605147 .
- ^ Карлье, Лесли; Барон, Мишель; Шамаю, Ален; Куарраз, Гай (27 октября 2011 г.). "ХимИнформ Реферат: Использование совместного измельчения как безрастворительного твердотельного метода синтеза дибензофеназинов" . ХимИнформ . 42 (47): нет. дои : 10.1002/chin.201147164 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Салматонидис, А.; Хессельбах, Дж.; Лилиенкамп, Г.; Грауманн, Т.; Даум, В.; Кваде, А.; Гарнвайтнер, Г. (29 мая 2018 г.). «Химическое сшивание тонких пленок наночастиц анатаза для улучшения механических свойств» . Ленгмюр . 34 (21): 6109–6116. doi : 10.1021/acs.langmuir.8b00479 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 29722536 .
- ^ Chaudhary, V., et al., ChemPhysChem (2018) 19 (18), 2370, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cphc.201800318
- ^ Лим, Сяочжи (18 июля 2016 г.). «Совместное измельчение химикатов в стремлении стать более экологичным» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 6 августа 2016 г.
- ^ Оливейра, ПФМ; Барон, М.; Шамаю, А.; Андре-Баррес, К.; Гуидетти, Б.; Балтас, М. (17 октября 2014 г.). «Безрастворительный механохимический путь зеленого синтеза фармацевтически привлекательных фенол-гидразонов» . РСК Адв . 4 (100): 56736–56742. Бибкод : 2014RSCAd...456736O . дои : 10.1039/c4ra10489g . ISSN 2046-2069 . S2CID 98039624 .
- ^ Бак, Эббе Н.; Зафиров, Калоян; Меррисон, Джонатан П.; Йенсен, Свенд Дж. Кнак; Норнберг, Пер; Гуннлаугссон, Харальд П.; Финстер, Кай (01 сентября 2017 г.). «Производство активных форм кислорода из истертых силикатов. Влияние на реакционную способность марсианского грунта» . Письма о Земле и планетологии . 473 : 113–121. Бибкод : 2017E&PSL.473..113B . дои : 10.1016/j.epsl.2017.06.008 . ISSN 0012-821X .
- ^ Балаж, Питер; Ахимовичова, Марсела; Балаж, Матей; Биллик, Питер; Черкезова-Желева, Зара; Криадо, Хосе Мануэль; Делогу, Франческо; Дуткова, Эрика; Гаффет, Эрик; Готор, Франсиско Хосе; Кумар, Ракеш (19 августа 2013 г.). «Особенности механохимии: от наночастиц к технологии» . Обзоры химического общества . 42 (18): 7571–7637. дои : 10.1039/C3CS35468G . hdl : 10261/96958 . ISSN 1460-4744 . ПМИД 23558752 .
- ^ Чаудхари, Варун; Чжун, Яоин; Пармар, Харшида; Шарма, Винай; Тан, Сяо; Рамануджан, Раджу В. (август 2018 г.). «Механохимический синтез наночастиц магнитных металлов железа и кобальта и нанокомпозитов железо / оксид кальция и кобальт / оксид кальция» . ХимияОткрыть . 7 (8): 590–598. дои : 10.1002/open.201800091 . ПМК 6080568 . ПМИД 30094125 .
- ^ «Механохимический прорыв открывает доступ к дешевому и безопасному порошкообразному водороду» . Новый Атлас . 19 июля 2022 г. Проверено 19 июля 2022 г.
Отрасли химии |
|---|
