Zincirleme tepki - Chain reaction

Bu makale kimya ve fizikteki zincirleme reaksiyonlarla ilgilidir. Diğer kullanımlar için bkz. Zincir reaksiyonu (belirsizliği giderme).

Bir zincirleme tepki reaktif bir ürünün veya yan ürünün ek reaksiyonların meydana gelmesine neden olduğu bir reaksiyon dizisidir. Zincirleme reaksiyonda, olumlu geribildirim kendi kendini büyütmeye yol açar Olaylar zinciri.

Zincir reaksiyonları, sistemlerde olmayan sistemlerin bir yoludur. termodinamik denge daha yüksek bir entropi durumuna ulaşmak için enerjiyi serbest bırakabilir veya entropiyi artırabilir. Örneğin, bir sistem çevreye enerji vererek daha düşük bir enerji durumuna ulaşamayabilir, çünkü enerji salınımı ile sonuçlanacak yolu alması engellenmiş veya bir şekilde engellenmiştir. Bir reaksiyon, genişleyen bir zincirde daha fazla enerji salınımına yol açan küçük bir enerji salınımı ile sonuçlanırsa, sistem, depolanan enerjinin çoğu veya tamamı serbest bırakılıncaya kadar tipik olarak patlayarak çökecektir.

Zincir reaksiyonları için makroskopik bir metafor, sonuçta bir çığ oluşana kadar daha büyük bir kartopuna neden olan bir kartopudur ("Kartopu etkisi "). Bu, depolanmış yerçekimsel potansiyel enerjinin sürtünme üzerinden bir salım yolu arayan bir sonucudur. Kimyasal olarak, kar çığına eşdeğer, orman yangınına neden olan bir kıvılcımdır. Nükleer fizikte, tek bir başıboş nötron bir acil kritik Nihayet bir nükleer reaktör erimesi veya (bir bombada) nükleer patlama için yeterince enerjik olabilecek olay.

Çok sayıda zincir reaksiyonu bir matematiksel model dayalı Markov zincirleri.

Kimyasal zincir reaksiyonları

Tarih

1913'te Alman kimyager Max Bodenstein ilk önce fikrini ortaya koydu kimyasal zincir reaksiyonları. İki molekül reaksiyona girerse, sadece nihai reaksiyon ürünlerinin molekülleri değil, aynı zamanda ana moleküller ile ilk reaktanlardan çok daha büyük bir olasılıkla daha fazla reaksiyona girebilen bazı kararsız moleküller de oluşur. (Yeni reaksiyonda, kararlı ürünlerin yanı sıra başka kararsız moleküller oluşur ve bu böyle devam eder.)

1918'de, Walther Nernst önerdi fotokimyasal arasındaki reaksiyon hidrojen ve klor olarak bilinen şeyi açıklamak için bir zincirleme reaksiyondur. kuantum verimi fenomen. Bu şu demektir foton 10 taneye kadar ışık oluşumundan sorumludur6 ürünün molekülleri HCl. Nernst, fotonun bir Cl2 molekülü, her biri HCl'yi oluşturan uzun bir reaksiyon adımları zincirini başlatan iki Cl atomuna dönüştürür.[1]

1923'te Danimarkalı ve Hollandalı bilim adamları Hıristiyan Christiansen ve Hendrik Anthony Kramers Polimer oluşumunun bir analizinde, böyle bir zincirleme reaksiyonun ışıkla uyarılmış bir molekülle başlamasına gerek olmadığını, ancak daha önce kimyasal reaksiyonların başlatılması için önerildiği gibi termal enerji nedeniyle şiddetli bir şekilde çarpışan iki molekülle başlayabileceğine işaret etti. van 't Hoff. [2]

Christiansen ve Kramers ayrıca, reaksiyon zincirinin bir halkasında iki veya daha fazla kararsız moleküller üretilir, reaksiyon zinciri dallanır ve büyür. Sonuç aslında üstel bir büyümedir, dolayısıyla reaksiyon hızlarında ve hatta kimyasal patlamaların kendisinde patlayıcı artışlara yol açar. Bu, kimyasal patlama mekanizması için ilk teklifti.

Kantitatif bir zincir kimyasal reaksiyon teorisi daha sonra Sovyet fizikçisi tarafından oluşturuldu. Nikolay Semyonov 1934'te. [3] Semyonov, 1956'da Nobel Ödülü'nü Sir'le paylaştı. Cyril Norman Hinshelwood, aynı niceliksel kavramların çoğunu bağımsız olarak geliştiren. [2]

Tipik adımlar

Zincir reaksiyonundaki ana aşama türleri aşağıdaki türlerdendir.[1]

  • Başlatma (oluşum aktif parçacıklar veya zincir taşıyıcılar, genellikle serbest radikaller termal veya fotokimyasal adımda)
  • Yayılma (reaksiyon yoluyla aktif partikülün, bir sonraki temel adıma girerek reaksiyon zincirini devam ettiren başka bir aktif partikülü oluşturduğu bir döngüdeki birkaç temel adımı içerebilir). Gerçekte, aktif partikül, yayılma döngüsünün genel reaksiyonu için bir katalizör görevi görür. Özel durumlar şunlardır:
* zincir dallanma (adıma girenden daha fazla yeni aktif partikül oluşturan bir yayılma adımı);
* zincir transferi (aktif parçacığın büyüdüğü bir yayılma adımı polimer büyümesi sona eren inaktif bir polimer ve daha sonra yeni bir polimer zinciri oluşturmak üzere reaksiyona girebilen aktif küçük bir partikül (bir radikal gibi) oluşturmak için reaksiyona giren zincir.

zincir uzunluğu yayılma döngüsünün ortalama tekrarlanma sayısı olarak tanımlanır ve genel reaksiyon hızının başlangıç ​​hızına bölünmesine eşittir.[1]

Bazı zincir reaksiyonları karmaşıktır oran denklemleri ile kesirli düzen veya karışık düzen kinetik.

Ayrıntılı örnek: hidrojen-brom reaksiyonu

Reaksiyon H2 + Br2 → 2 HBr aşağıdaki mekanizma ile ilerler:[4][5]

  • Başlatma
Br2 → 2 Br • (termal) veya Br2 + hν → 2 Br • (fotokimyasal)
her Br atomu, eşleşmemiş bir elektronu temsil eden «•» sembolü ile gösterilen bir serbest radikaldir.
  • Yayılma (burada iki aşamalı bir döngü)
Br • + H2 → HBr + H •
H • + Br2 → HBr + Br •
bu iki adımın toplamı, genel reaksiyon H'ye karşılık gelir2 + Br2 → 2 HBr, kataliz Br • tarafından ilk adıma katılan ve ikinci adımda yeniden oluşturulan.
  • Gecikme (inhibisyon)
H • + HBr → H2 + Br •
bu adım, bu örneğe özeldir ve ilk yayılma adımının tersine karşılık gelir.
  • Sonlandırma 2 Br • → Br2
iki radikalin rekombinasyonu, bu örnekte tersine başlamaya karşılık gelir.

Kullanılarak açıklanabileceği gibi kararlı durum yaklaşımı termal reaksiyonun başlangıç ​​hızı vardır kesirli düzen (3/2) ve iki terimli paydalı tam bir oran denklemi (karışık sıralı kinetik ).[4][5]

Diğer kimyasal örnekler

Nükleer zincir reaksiyonları

Ana makale: Nükleer zincir reaksiyonu

Bir nükleer zincirleme reaksiyon tarafından önerildi Leo Szilard 1933'te, nötron keşfedildikten kısa bir süre sonra, yine de beş yıldan fazla bir süre önce nükleer fisyon ilk keşfedildi. Szilárd biliyordu kimyasal zincirleme reaksiyonlar ve enerji üreten bir Nükleer reaksiyon lityumu bombardıman eden yüksek enerjili protonları içeren, John Cockcroft ve Ernest Walton, 1932'de. Şimdi, Szilárd, daha fazla nötron üreten hafif izotoplarda daha fazla reaksiyon başlatmak için, daha hafif izotoplarda belirli nükleer reaksiyonlardan teorik olarak üretilen nötronları kullanmayı önerdi. Bu teoride çekirdek seviyesinde bir zincirleme reaksiyon üretecektir. Fisyonu bu nötron üreten reaksiyonlardan biri olarak tasavvur etmedi, çünkü bu reaksiyon o zamanlar bilinmiyordu. Kullanmayı önerdiği deneyler berilyum ve indiyum başarısız oldu.

Daha sonra, 1938'de fisyon keşfedildikten sonra, Szilárd, fisyon aynı zamanda nötron ürettiği sürece, bir zincir reaksiyonu oluşturmak için gerekli olan belirli nükleer reaksiyon olarak nötron kaynaklı fisyon kullanma olasılığını hemen fark etti. 1939'da, Enrico Fermi ile Szilárd, uranyumdaki bu nötron çoğaltan reaksiyonu kanıtladı. Bu reaksiyonda bir nötron artı bölünebilir atom ilk reaksiyonda tüketilen tek nötron sayısından daha fazla sayıda nötronla sonuçlanan bir fisyona neden olur. Böylece pratik doğdu nükleer zincir reaksiyonu nötron kaynaklı nükleer fisyon mekanizmasıyla.

Spesifik olarak, üretilen nötronlardan biri veya daha fazlası diğer bölünebilir çekirdeklerle etkileşime girerse ve bunlar da fisyona uğrarsa, makroskopik genel fisyon reaksiyonunun durmayacağı, ancak reaksiyon malzemesi boyunca devam edeceği ihtimali vardır. Bu, daha sonra kendi kendine yayılan ve dolayısıyla kendi kendini sürdüren bir zincirleme reaksiyondur. Prensip budur nükleer reaktörler ve atom bombaları.

Kendi kendine devam eden bir nükleer zincir reaksiyonunun gösterilmesi, Enrico Fermi ve diğerleri, başarılı operasyonda Chicago Pile-1, 1942'nin sonlarında ilk yapay nükleer reaktör.

Gazlarda elektron çığı

Bir elektron çığ bir elektrik alanı belirli bir eşiği aştığında, bir gazdaki iki bağlantısız elektrot arasında meydana gelir. Gaz atomlarının rastgele termal çarpışmaları, birkaç serbest elektron ve pozitif yüklü gaz iyonlarına neden olabilir. darbe iyonlaşması. Bu serbest elektronların güçlü bir Elektrik alanı enerji kazanmalarına neden olur ve diğer atomları etkilediklerinde, enerji aynı işlemi besleyen yeni serbest elektron ve iyonların salınmasına (iyonlaşma) neden olur. Bu süreç, yeniden birleşen iyonlar tarafından doğal olarak söndürüldüğünden daha hızlı gerçekleşirse, yeni iyonlar, gaz bir plazmaya parçalanana ve bir deşarjda akım serbestçe akana kadar ardışık döngülerde çoğalır.

Elektron çığları, Yalıtkan madde arızası gazlar içinde işlem. Süreç sonuçlanabilir korona deşarjları, flamalar, liderler veya içinde kıvılcım veya sürekli elektrik arkı bu boşluğu tamamen kapatıyor. Süreç büyük kıvılcımlar yaratabilir - flamalar Şimşek deşarjlar, akıntıların ilerleyen uçlarının önündeki yüksek potansiyel gradiyentte oluşturulan elektron çığlarının oluşumuyla yayılır. Bir kez başladığında çığlar, genellikle fotoelektronlar kıç uç bölgesinde uyarılmış ortamın atomları tarafından yayılan ultraviyole radyasyonun bir sonucu olarak. Ortaya çıkan plazmanın son derece yüksek sıcaklığı, çevreleyen gaz moleküllerini çatlatır ve serbest iyonlar yeni kimyasal bileşikler oluşturmak için yeniden birleşir.[7]

İşlem aynı zamanda, tek bir parçacığın geçişi büyük deşarjlara yükseltilebildiğinden, süreci başlatan radyasyonu tespit etmek için de kullanılabilir. Bu, bir gayger sayacı ve ayrıca görselleştirme bir kıvılcım odası ve diğeri tel odaları.

Yarı iletkenlerde çığ kırılması

Bir çığ dökümü süreç, bazı yönlerden elektriği hafif iyonize gaza benzer şekilde ileten yarı iletkenlerde gerçekleşebilir. Yarı iletkenler, iletim için termal titreşim ile kristalden dışarı atılan serbest elektronlara güvenir. Böylece, metallerin aksine, yarı iletkenler, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, daha iyi iletkenler haline gelir. Bu, aynı tip pozitif geri besleme için koşullar oluşturur - akım akışından gelen ısı, sıcaklığın yükselmesine neden olur, bu da yük taşıyıcılarını artırır, direnci düşürür ve daha fazla akımın akmasına neden olur. Bu, yarı iletken bir bağlantı noktasında normal direncin tamamen bozulması ve cihazın arızalanması noktasına kadar devam edebilir (bu, kristale fiziksel hasar olup olmadığına bağlı olarak geçici veya kalıcı olabilir). Gibi belirli cihazlar çığ diyotları, etkiden kasıtlı olarak yararlanın.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c Laidler K.J., Kimyasal kinetik (3. baskı, Harper & Row 1987) s.288-290 ISBN  0-06-043862-2
  2. ^ a b http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1956/press.html 1913'ten 1956'da tanınan Nobel çalışmasına kadar kimyasal zincirleme reaksiyonun tarihi
  3. ^ "Arşivlenmiş kopya". Arşivlenen orijinal 2009-01-16 tarihinde. Alındı 2012-04-17.CS1 Maint: başlık olarak arşivlenmiş kopya (bağlantı)
  4. ^ a b Laidler K.J., Kimyasal kinetik (3. baskı, Harper & Row 1987) s. 291-4 ISBN  0-06-043862-2
  5. ^ a b P. Atkins ve J. de Paula Fiziksel kimya (8. baskı, W.H. Freeman 2006), s.831 ISBN  0-7167-8759-8
  6. ^ Laidler K.J., Kimyasal kinetik (3. baskı, Harper & Row 1987) s. 323-8 ISBN  0-06-043862-2
  7. ^ "Laboratuvar Notu # 106 Ark Bastırmanın Çevresel Etkisi". Ark Bastırma Teknolojileri. Nisan 2011. Alındı 15 Mart, 2012.

Dış bağlantılar