Механоохимия
Механохимия (или механическая химия ) является инициацией химических реакций с помощью механических явлений. Таким образом, механохимия представляет собой четвертый способ вызвать химические реакции, дополняя тепловые реакции в жидкостях, фотохимии и электрохимии . Традиционно механохимия фокусируется на преобразованиях ковалентных связей механической силой. Не охватывают много явлений: фазовые переходы , динамика биомолекул (стыковка, складывание) и сонохимия . [ 1 ]
Механохимия-это не то же самое, что механосинтез , который относится конкретно к управляемой машине конструкции сложных молекулярных продуктов. [ 2 ] [ 3 ]
В природных средах механохимические реакции часто вызываются физическими процессами, такими как землетрясения, [ 4 ] Движение ледника [ 5 ] или гидравлическое действие рек или волн. В экстремальных средах, таких как субджизиальные озера, водород, генерируемый мехнохимическими реакциями, включающими измельченные силикатные породы и воду, может поддерживать метаногенные микробные сообщества. И механохимия могла генерировать кислород в древней земле путем расщепления воды на сломанных минеральных поверхностях при высоких температурах, что потенциально влияет на происхождение жизни или раннюю эволюцию. [ 6 ]
История
[ редактировать ]Первичный механохимический проект состоял в том, чтобы поджег , потирая кусочки дерева друг на друга, создавая трение и, следовательно, тепло, вызвав сжигание при повышенной температуре. Другой метод включает в себя использование кремня и стали , в ходе которого искра (небольшая частица пирофорического металла) спонтанно сжигает воздух, мгновенно запускающуюся.
Промышленная механохимия началась с измельчения двух твердых реагентов. Сульфид на рту (минерал киннабар ) и медный металл, таким образом, реагируют на производство ртути и сульфида меди: [ 7 ]
- HGS + 2CU → HG + CU 2 S
Специальный выпуск обзора химического общества был посвящен механохимии. [ 8 ]
Ученые признали, что механохимические реакции происходят в среде, естественно, из -за различных процессов, и продукты реакции могут влиять на микробные сообщества в тектонически активных областях. [ 4 ] Поле в последнее время привлекла все больше внимания, поскольку механохимия может генерировать различные молекулы, способные поддерживать экстремофильные микробы, [ 5 ] влияя на раннюю эволюцию жизни, [ 6 ] Разработка систем, необходимых для происхождения жизни, [ 6 ] или поддержка инопланетных форм жизни. [ 9 ] В настоящее время область вдохновила на начало особой темы исследования в журнале Frontiers в геохимии. [ 10 ]
Механические процессы
[ редактировать ]Естественный
[ редактировать ]Землетрясения раздавят камни на подповерхностных и на других тектонических активных планетах. Реки также часто меняют камни, обнаруживая свежие минеральные поверхности и волны на береговых скалах, разрушающих скалы и заировок отложения. [ 11 ]
Подобно рекам и океанам, механическая сила ледников подтверждается их влиянием на ландшафты. Когда ледники движутся вниз по склону, они истирают камни, генерируя переломы минеральных поверхностей, которые могут участвовать в механических реакциях.
Неестественный
[ редактировать ]В лабораториях планетарные шариковые мельницы обычно используются для индукции дробления [ 5 ] [ 6 ] исследовать естественные процессы.
Механохимические преобразования часто сложны и отличаются от тепловых или фотохимических механизмов. [ 12 ] [ 13 ] Шаровой фрезер - это широко используемый процесс, в котором механическая сила используется для достижения химических преобразований. [ 14 ] [ 15 ]
Это устраняет необходимость многих растворителей, предлагая возможность того, что механохимия может помочь сделать многие отрасли более экологически чистыми. [ 16 ] [ 17 ] Например, механохимический процесс использовался для синтеза фармацевтически-привлекательных фенол-гидразонов . [ 18 ]
Химические реакции
[ редактировать ]Механохимические реакции охватывают реакции между механически разбитыми твердыми материалами и любыми другими реагентами, присутствующими в окружающей среде. Тем не менее, природные механохимические реакции часто включают реакцию воды с помощью измельченной породы, так называемых реакций воды. [ 6 ] [ 5 ] [ 4 ] Механохимия обычно инициируется разрывом связей между атомами в разных типах минералов.
Силикаты
[ редактировать ]Силикаты являются наиболее распространенными минералами в коре Земли и, таким образом, составляют минеральный тип, чаще всего участвуя в природных механохимических реакциях. Силикаты состоят из атомов кремния и кислорода, обычно расположенных в кремниевых тетраэдрах. Механические процессы разбивают связи между атомами кремния и кислорода. Если связи разбиваются гомолитическим расщеплением, генерируются непарные электроны:
≡SI - o - -сия
≡SI -O -–– Si® → ≡SI -O • + ≡SI -O •
≡SI -O --— Si® → ≡SI -OC • + ≡SI •
Генерация водорода
[ редактировать ]Реакция воды с кремниевыми радикалами может генерировать водородные радикалы: [ 5 ]
2 ансит • + 2H 2 O → 2 анси - O - H + 2H •
2H • → H 2
Этот механизм может генерировать H2 для поддержки метаногенов в средах с несколькими другими источниками энергии. Однако при более высоких температурах (~> 80 ° C [ 6 ] ), водородные радикалы реагируют с силоксильными радикалами, предотвращая генерацию H2 этим механизмом: [ 4 ]
≡SI - O • + H • → ≡SI - O - H
2H • → H 2
Окислительное генерация
[ редактировать ]Когда кислород реагирует с кремниевыми или кислородными радикалами на поверхности измельченных пород, он может химически адсорбировать на поверхность:
≡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 - H + • OH
2 • OH → H 2 O 2
Кроме того, окислители могут генерироваться при отсутствии 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 разбивается в средах, образуя воду и кислородную газ:
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
Промышленные приложения
[ редактировать ]Были рассмотрены основы и приложения, начиная от нано -материалов до технологий. [ 20 ] Подход был использован для синтеза металлических наночастиц , катализаторов , магнитов , γ -графин , йодатов металлов , карбида никель -ванадия и карбида карбида никель -ванадия и карбида карбида молибдена -ванадия. [ 21 ]
Шаровой фрезер использовался для отделения углеводородных газов от сырой нефти. В процессе использовался 1-10% энергии обычной криогеники. Дифференциальное поглощение влияет интенсивность, давление и продолжительность фрезерования. Газы извлекаются путем нагрева при определенной температуре для каждого типа газа. Процесс успешно обработал алкинские , олефиновые и парафиновые газы, используя нитрида бора порошок .
Хранилище
[ редактировать ]Механохимия имеет потенциал для энергоэффективного хранения твердотельного водорода, аммиака и других топливных газов. Полученный порошок безопаснее, чем обычные методы сжатия и разжижения. [ 22 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Булатов, Роман, изд. (2015). Полимерная механохимия . Спрингер. ISBN 978-3-319-22824-2 .
- Ленхардт, JM; Ong, Mt; Choe, R.; Evenhuis, Cr; Мартинес, TJ; Craig, SL, захватывание дирадикального переходного состояния с помощью механохимического расширения полимеров. Science 2010, 329 (5995), 1057-1060
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бейер, Мартин К.; Clausen-Schaumann, Hauke (2005). «Механохимия: механическая активация ковалентных связей». Химические обзоры . 105 (8): 2921–2948. doi : 10.1021/cr030697h . PMID 16092823 .
- ^ Дрекслер, К. Эрик (1992). Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления . Нью -Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-57547-4 .
- ^ Мемориальный институт Бателле и Институт Форсайта Нанотех. «Технологическая дорожная карта для продуктивных наносистем» (PDF) . Получено 23 февраля 2013 года .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Кита, Itruro; Мацуо, Садао; Wakita, Hiroshi (1982-12-10). «Ггенерация H 2 по реакции между H 2 O и измельченной породой: экспериментальное исследование H 2 дегазации из активной зоны разлома» . Журнал геофизических исследований: твердая земля . 87 (B13): 10789–10795. Bibcode : 1982jgr .... 8710789K . doi : 10.1029/jb087ib13p10789 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и Рассказ, J.; Бойд, ES; Кость, н.; Джонс, Эль; Tranter, M.; Macfarlane, JW; Мартин, PG; Wadham, JL; Lamarche-Gagnon, G.; Skidmore, ML; Гамильтон, TL; Hill, E.; Джексон, М.; Ходжсон, да (ноябрь 2015). «Рок -задумал как источник водорода для подледниковых экосистем» . Природа Геонаука . 8 (11): 851–855. Bibcode : 2015natge ... 8..851t . doi : 10.1038/ngeo2533 . HDL : 1983/826FDF87-589B-4A98-9325-54CC25BDB23D . ISSN 1752-0908 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин Стоун, Джордан; Эдгар, Джон О.; Гулд, Джейми А.; Рассказ, Джон (2022-08-08). «Тектонически управляемое производство окислителя в горячей биосфере» . Природная связь . 13 (1): 4529. Bibcode : 2022natco..13.4529S . doi : 10.1038/s41467-022-32129-y . ISSN 2041-1723 . PMC 9360021 . PMID 35941147 .
- ^ Марчини, Марианна; Гандольфи, Массимо; Мейни, Люсия; Raggetti, Люсия; Martelli, Matteo (2022). «Изучение древней химии Меркурия» . Труды Национальной академии наук . 119 (24): E2123171119. Bibcode : 2022pnas..11923171M . doi : 10.1073/pnas.2123171119 . PMC 9214491 . PMID 35671430 . S2CID 2494648444 .
- ^ "Передняя крышка" . Обзоры химического общества . 42 (18): 7487. 2013. DOI : 10.1039/C3CS90071A . ISSN 0306-0012 .
- ^ МакМахон, Шон; Парнелл, Джон; Blamey, Nigel JF (сентябрь 2016 г.). «Данные для сейсмогенного газа водорода, потенциальный источник микробной энергии на Земле и Марсе» . Астробиология . 16 (9): 690–702. Bibcode : 2016asbio..16..690m . doi : 10.1089/ast.2015.1405 . HDL : 2164/9255 . ISSN 1531-1074 . PMID 27623198 .
- ^ «Дефекты минералов: движущая сила для (био) геохимических реакций? | Тема исследования границ» . www.frontiersin.org . Получено 2022-12-09 .
- ^ Он, хангинг; Ву, Сяо; Сянь, Хайян; Чжу, Цзянси; Ян, Йипинг; Lv, ying; Ли, Йилиан; Konhauser, Kurt O. (2021-11-16). «Абиотический источник архейского перекиси водорода и кислорода, который предварительно дает кислородный фотосинтез» . Природная связь . 12 (1): 6611. Bibcode : 2021natco..12.6611h . doi : 10.1038/s41467-021-26916-2 . ISSN 2041-1723 . PMC 8595356 . PMID 34785682 . S2CID 240601612 .
- ^ Хикенбот, Чарльз Р.; Мур, Джеффри С.; Белый, Скотт Р.; Sottos, Nancy R.; Бодри1, Джером; Уилсон, Скотт Р. (2007). «Пути реакции смещения с механической силой». Природа . 446 (7134): 423–427. Bibcode : 2007natur.446..423H . doi : 10.1038/nature05681 . PMID 17377579 . S2CID 4427747 .
{{cite journal}}: Cs1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) (требуется подписка) - ^ Карлиер, Лесли; Барон, Мишель; Чамаю, Ален; Couarraze, парень (май 2013). «Зеленая аптека с использованием синтеза без растворителей: исследование механизма в случае дибензофеназина» . Порошковая технология . 240 : 41–47. doi : 10.1016/j.powtec.2012.07.009 . ISSN 0032-5910 . S2CID 97605147 .
- ^ Карлиер, Лесли; Барон, Мишель; Чамаю, Ален; Couarraze, Guy (2011-10-27). «Химиноформная реферат: использование совместного оцирания в качестве метода твердого состояния без растворителей для синтеза дибензофеназинов» . Химиноформа . 42 (47): нет. doi : 10.1002/chin.201147164 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Salmatonidis, A.; Hesselbach, J.; Lilienkamp, G.; Graumann, T.; Daum, W.; Kwade, A.; Garnweitner, G. (2018-05-29). «Химическое сшивание тонких пленок наночастиц анатазы для улучшенных механических свойств» . Langmuir . 34 (21): 6109–6116. doi : 10.1021/acs.langmuir.8b00479 . ISSN 0743-7463 . PMID 29722536 .
- ^ Chaudhary, V. и др., Врач (2018) 19 (18), 2370, 2370, HTS: /Onlineliars.willy.com/do .
- ^ Лим, Xiaozhi (18 июля 2016 г.). «Шлифовать химические вещества вместе, чтобы быть зеленым» . New York Times . ISSN 0362-4331 . Получено 6 августа 2016 года .
- ^ Оливейра, PFM; Барон, М.; Chamayou, A.; André-Barrès, C.; Guidetti, B.; Baltas, M. (2014-10-17). «Механохимический путь без растворителя для зеленого синтеза фармацевтически привлекательных фенолгидразонов» . RSC Adv . 4 (100): 56736–56742. Bibcode : 2014rscad ... 456736o . doi : 10.1039/c4ra10489g . ISSN 2046-2069 . S2CID 98039624 .
- ^ Бак, Эббе Н.; Зафиров, Калоян; Меррисон, Джонатан П.; Дженсен, Свенд Дж. Кнак; Nørnberg, per; Gunnlaugsson, Haraldur P.; Финстер, Кай (2017-09-01). «Производство активных форм кислорода из абрадированных силикатов. Последствия для реакционной способности марсианской почвы» . Земля и планетарные научные письма . 473 : 113–121. BIBCODE : 2017E & PSL.473..113B . doi : 10.1016/j.epsl.2017.06.008 . ISSN 0012-821X .
- ^ Балаж, Петр; Ачимовикова, Марсела; Балаж, Матея; Биллик, Питер; Черкезова-Зелева, Зара; Криато, Хосе Мануэль; Делога, Франческо; Даткова, Эрика; Гаффет, Эрик; Готатор, Франциско Хосе; Кумар, Ракеш (2013-08-19). «Отличительные признаки механоохимистов: от наночастиц до технологии» . Обзоры химического общества . 42 (18): 7571–7637. Doi : 10.1039/c3cs35468g . HDL : 10261/96958 . ISSN 1460-4744 . PMID 23558752 .
- ^ Чаудхари, Варун; Чжун, Яинг; Пармар, Харшида; Шарма, Винай; Тан, Сяо; Рамануджан, Раджу В. (август 2018 г.). «Механохимический синтез наночастиц магнитного металла железа и кобальта и нанокомпозитов оксида железа/кальция и кобальта/оксида кальция» . ХИМИСТИЧЕСКИЙ . 7 (8): 590–598. doi : 10.1002/open.201800091 . PMC 6080568 . PMID 30094125 .
- ^ «Механохимический прорыв разблокирует дешевый, безопасный, порошковой водород» . Новый Атлас . 2022-07-19 . Получено 2022-07-19 .
Филиалы химии |
|---|
