Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Пример 4.14. Сельскохозяйственная культура выращивалась в течение 90 дней в открытом грунте, и ее урожайность составила 0,7 т/га по сухому органическому веществу. Энтальпия реакции горения этого вещества равна 15 кДж/г. Энергия солнца, достигающая поверхности Земли, составляет в среднем около 700 Д.ж/(с-м2). Предположим, что солнце светит 12 часов в день. Вычислим долю солнечной энергии, аккумулированную органическим веществом.
Решение. Вычислим энергию, излучаемую солнцем и поступающую на поверхность земли в течение 90 дней.
E0 = 700 Дж-слм~2 ? (90-12•360O) с = 2,7-1 ОрДж-м"2.
Вычислим энергию, аккумулированную органическим веществом, выращенным на 1 м2 площади поверхности земли.
?о.в = 0,7.106г-го-1' WA га-м~2-15000 Дж-г"1 = 1,1-10^7.ж-лГ2. Отсюда доля аккумулированной солнечной энергии
\,\Л&Дж'М~2 . т_4
а =-P-=- = 4-10 .
2,7•[Q Дж-м
Ответ: доля солнечной энергии, аккумулированной органическим веществом, при заданных условиях составляет лишь 4•1O-4.
Комментарий: низкая доля солнечной энергии, использованной при фотосинтезе, объясняется тем, что инфракрасное излучение, несущее около половины солнечной энергии, не поглощается хлорофиллом. Существуют также другие причины, понижающие выход органического вещества. Даже в лабораторных условиях использование солнечной энергии обычно не превышает 0,3.
Другие методы активации молекул. В химии и технологии всё более расширяется круг методов, вызывающих активацию молекул и их последующие химические превращения или взаимодействия. Ограничимся лишь кратким обсуждением таких реакций, как радиационио-химические, плазмохимические и лазерохимические.
Радиационно-химические реакции протекают под воздействием на вещества ионизирующих излучений: у-лучей, а-частиц, ?-частиц, нейтронов, быстрых электро
214
В.В. Вольхин. Общая химия
нов и ядер, осколков деления ядер. Энергия таких частиц на 1 - б порядков выше, чем энергия фотонов. При радиационно-химических реакциях в газовой фазе образуются такие же виды частиц, как и при фотохимических реакциях, а именно возбужденные короткоживущие молекулы и ионы. В конденсированных средах ионизирующие излучения вызывают образование относительно долгоживущих свободных радикалов, ион-радикалов и различных стабильных продуктов. Так, в воде при облучении образуются радикалы ОН* и 1-Г, молекулярные продукты H2 и H2O2, ионы H3O1 и гид-ратированные электроны. Образование последних связано с захватом электронов средой в результате поляризации окружающих их молекул. Время жизни гидратированных электронов - тысячные доли секунды. Такие электроны проявляют сильную восстанавливающую способность. Под действием ионизирующих излучений в неводных средах образуются сольватированные электроны.
Радиационно-химические реакции характеризуются радиацношю-химическим выходом G1 который показывает число молекул, испытывающих превращение или образовавшихся вновь на 100 эВ поглощенной энергии излучения. Величина G является основным кинетическим параметром реакции данного типа. Для нецепных реакций в газовой фазе радиационно-химический выход обычно не превышает несколько единиц. Радиационно-химический выход гидратированного электрона равен 2,7 - 2,9.
Ионизирующие излучения высоких энергий вызывают дефекты в структуре твердых тел. Под действием ионизирующих излучений происходит разложение твердых неорганических веществ со слабыми химическими связями. Так, нитраты щелочных металлов переходят в нитриты, выделяя кислород. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществами приводит к образованию в них радикалов, положительных и отрицательных ионов. Образовавшиеся активные частицы вызывают процессы полимеризации органических веществ. Радиационной полимеризации подвержены почти все мономеры. С помощью радиационной полимеризации получают полимеры, привитые сополимеры, их модификации.
ПлазмOXUMические реакции протекают в газовой фазе, перешедшей в особое состояние. Плазма - газ, содержащий заряженные частицы (электроны, ионы). Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. В низкотемпературной плазме средние, значения энергий электронов и ионов меньше значения потенциала ионизации частиц газа. Для химии представляет интерес низкотемпературная плазма с температурой 2000 - 20000 К при давлениях в диапазоне 10~5 - 103 МП а. Низкотемпературную плазму получают при повышении температуры газа или в тлеющем электрическом разряде (разряд при низких давлениях газа).
В отличие от низкотемпературной, высокотемпературная плазма полиостью ионизирована. Ее получают, нагревая газ в дуговых или высокочастотных разрядах.
Плазмохимические реакции осуществляются в низкотемпературной плазме. В плазме атомарных газов возможно образование кластеров типа Ar2+:
Ar1" + 2Ar ч=*: Ar2+ + Ar, Ar2+ + е~ -> Ar* + Ar,
где Ar* - возбужденный атом.
Кинетика химических реакций
215
Молекулярные вещества в плазме распадаются и ионизируются. Например: N2 =a=fc N2+ + е~.
Такой процесс может происходить только при повышенных температурах из-за высокой энергии сродства молекул к электрону.
