Криохимия

Криохимия — это исследование химических взаимодействий при температурах ниже -150 ° C (-238 ° F; 123 К). Оно происходит от греческого слова криос , что означает «холод». Она пересекается со многими другими науками, включая химию , криобиологию , физику конденсированного состояния и даже астрохимию .

Криохимия стала предметом интереса с тех пор, как стал широко доступен жидкий азот , который замерзает при температуре -210°C. Химические взаимодействия при криогенных температурах являются важным механизмом для изучения детальных путей химических реакций за счет уменьшения путаницы, вносимой тепловыми флуктуациями. Криохимия составляет основу криобиологии , которая использует замедленные или остановленные биологические процессы в медицинских и исследовательских целях.

Поведение при низких температурах

При охлаждении ниже точки лямбда (2,17 К или -270,98 ° C при 1 атм ) жидкий гелий проявляет свойства сверхтекучести .

По мере охлаждения материала относительное движение составляющих его молекул/атомов уменьшается – его температура снижается. Охлаждение может продолжаться до тех пор, пока не прекратится всякое движение и не исчезнет его кинетическая энергия , или энергия движения. Это состояние известно как абсолютный ноль , и оно лежит в основе Кельвина температурной шкалы , которая измеряет температуру выше абсолютного нуля. Ноль градусов Цельсия (°C) соответствует 273 Кельвинам.

При абсолютном нуле большинство элементов становятся твердыми, но не все ведут себя столь предсказуемо; например, гелий становится весьма необычной жидкостью . Однако химия между веществами не исчезает даже вблизи абсолютного нуля температур, поскольку отдельные молекулы/атомы всегда могут объединиться, чтобы понизить свою общую энергию. Почти каждая молекула или элемент проявляет разные свойства при разных температурах; если достаточно холодно, некоторые функции полностью теряются. Криогенная химия может привести к совершенно другим результатам по сравнению со стандартной химией, и новые химические пути получения веществ могут быть доступны при криогенных температурах, например, образование фторгидрида аргона , который является стабильным соединением только при температуре 17 К или ниже (-256,1 ° C). ).

Методы охлаждения

См. Также: Лазерное охлаждение.

Одним из методов охлаждения молекул до температур, близких к абсолютному нулю, является лазерное охлаждение . В процессе доплеровского охлаждения лазеры используются для отвода энергии от электронов данной молекулы, чтобы замедлить или охладить молекулу. Этот метод имеет приложения в квантовой механике и связан с ловушками частиц и конденсатом Бозе-Эйнштейна . Все эти методы используют «ловушку», состоящую из лазеров, направленных под противоположными экваториальными углами в определенную точку пространства. Длины волн лазерных лучей в конечном итоге попадают на атомы газа и их внешние вращающиеся электроны. Это столкновение длин волн фракционно уменьшает состояние кинетической энергии, замедляя или охлаждая молекулы. Лазерное охлаждение также использовалось для улучшения атомных часов и атомной оптики. Ультрахолодные исследования обычно фокусируются не на химических взаимодействиях, а на фундаментальных химических свойствах.

Из-за чрезвычайно низких температур диагностика химического статуса является серьезной проблемой при изучении физики и химии низких температур. Основными методами, используемыми сегодня, являются оптические: доступны многие виды спектроскопии, но они требуют специального оборудования с вакуумными окнами, которые обеспечивают доступ к криогенным процессам при комнатной температуре.

См. также

• Термохимия
• Криогеника
• Конденсат Бозе – Эйнштейна

Ссылки

• Московиц М. и Озин Г.А. (1976) Криохимия , J. Wiley & Sons, Нью-Йорк.
• Диллинджер, младший (1957). Физика и химия низких температур (под редакцией Джозефа Р. Диллинджера). Мэдисон, Висконсин: University of Wisconsin Press.
• Надувалат, Б. (2013). «Ультрахолодные молекулы».
• Филлипс, WD (2012). «Лазерное охлаждение»
• Парпиа, Дж. М. и Ли, Д. М. (2012). «Абсолютный ноль»
• Хасегава Ю., Накамура Д., Мурата М., Ямамото Х. и Комине Т. (2010). «Высокоточное регулирование и стабилизация температуры с помощью криорефрижератора. Обзор научных приборов», doi:10.1063/1.3484192

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с криохимией, на Викискладе?