Механохимия (или механическая химия ) — это инициирование химических реакций механическими явлениями. Таким образом, механохимия представляет собой четвертый способ вызвать химические реакции, дополняющий термические реакции в жидкостях, фотохимию и электрохимию . Традиционно механохимия фокусируется на преобразованиях ковалентных связей под действием механической силы. Тема не охватывает многие явления: фазовые переходы , динамика биомолекул (стыковка, сворачивание) и сонохимия . [1]
Механохимия — это не то же самое, что механосинтез , который относится конкретно к машинному производству сложных молекулярных продуктов. [2] [3]
В естественных условиях механохимические реакции часто вызываются физическими процессами, такими как землетрясения [4] , движение ледников [5] или гидравлическое воздействие 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 путем расщепления воды на изломанных минеральных поверхностях при высоких температурах, что потенциально повлияло на происхождение жизни или раннюю эволюцию. [6]
Первичный 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 , во время которого искра (небольшая частица пирофорного металла) спонтанно воспламеняется в воздухе, мгновенно вызывая пожар.
Промышленная механохимия началась с измельчения двух твердых реагентов. Сульфид ртути (минерал киноварь ) и металлическая медь при этом реагируют, образуя ртуть и сульфид меди: [7]
Специальный выпуск Chemical Society Review был посвящен механохимии. [8]
Ученые признали, что механохимические реакции происходят в окружающей среде естественным образом из-за различных процессов, и продукты реакции имеют потенциал 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] влиять на раннюю эволюцию жизни, [6] разрабатывать системы, необходимые для происхождения жизни, [6] или поддерживать инопланетные формы жизни. [9] Эта область теперь вдохновила инициирование специальной исследовательской темы в журнале Frontiers in Geochemistry. [10]
Землетрясения крушат скалы по всей поверхности Земли и на других тектонически активных планетах. Реки также часто стирают скалы, обнажая свежие минеральные поверхности, а волны на берегу размывают скалы, разламывают скалы и стирают осадки. [11]
Подобно рекам и океанам, механическая сила ледников подтверждается их воздействием на ландшафты. По мере того, как ледники движутся вниз по склону, они истирают скалы, создавая трещиноватые минеральные поверхности, которые могут участвовать в механохимических реакциях.
В лабораториях планетарные шаровые мельницы обычно используются для дробления [5] [6] с целью исследования природных процессов.
Механохимические превращения часто сложны и отличаются от термических или фотохимических механизмов. [12] [13] Шаровая мельница — широко используемый процесс, в котором для достижения химических превращений используется механическая сила. [14] [15]
Он устраняет необходимость во многих растворителях, что дает возможность механохимии сделать многие отрасли промышленности более экологически чистыми. [16] [17] Например, механохимический процесс использовался для синтеза фармацевтически привлекательных фенолгидразонов . [18]
Механохимические реакции охватывают реакции между механически разрушенными твердыми материалами и любыми другими реагентами, присутствующими в окружающей среде. Однако естественные механохимические реакции часто включают реакцию воды с измельченной горной породой, так называемые реакции вода-горная порода. [6] [5] [4] Механохимия обычно инициируется разрывом связей между атомами во многих различных типах минералов.
Силикаты являются наиболее распространенными минералами в земной коре и, таким образом, представляют собой тип минералов, наиболее часто участвующих в природных 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•
Реакция воды с радикалами кремния может привести к образованию радикалов водорода: [5]
2≡Si• + 2H 2 O → 2≡Si–O–H + 2H•
2Н• → Н2
Этот механизм может генерировать H2 для поддержки метаногенов в средах с небольшим количеством других источников энергии. Однако при более высоких температурах (~>80 °C [6] ) радикалы водорода реагируют с силоксильными радикалами, предотвращая генерацию H2 по этому механизму: [4]
≡Si–O• + H• → ≡Si–O–H
2Н• → Н2
Когда кислород реагирует с кремнием или радикалами кислорода на поверхности измельченных пород, он может химически адсорбироваться на поверхности:
≡Si• + O2 → ≡Si–O–O•
≡Si–O• + O 2 → ≡Si–O–O–O•
Эти кислородные радикалы затем могут генерировать окислители, такие как гидроксильные радикалы и перекись водорода: [19]
≡Si–O–O• + H 2 O → ≡Si–O–O–H + •OH
2 •ОН → Н2О2
Кроме того, окислители могут образовываться в отсутствие кислорода при высоких температурах: [6]
≡Si–O• + H 2 O → ≡Si–O–H + •OH
2 •ОН → Н2О2
H 2 O 2 естественным образом распадается в окружающей среде с образованием воды и газообразного кислорода:
2H2O2 → 2H2O + O2
Были рассмотрены основы и приложения, начиная от наноматериалов до технологий. [20] Этот подход использовался для синтеза металлических наночастиц , катализаторов , магнитов , γ-графина , иодатов металлов , нанокомпозитных порошков карбида никеля и ванадия и карбида молибдена и ванадия. [21]
Шаровая мельница использовалась для отделения углеводородных газов от сырой нефти. Процесс использовал 1-10% энергии обычной криогеники. Дифференциальное поглощение зависит от интенсивности измельчения, давления и продолжительности. Газы извлекаются путем нагревания при определенной температуре для каждого типа газа. Процесс успешно обрабатывал алкиновые , олефиновые и парафиновые газы с использованием порошка нитрида бора .
Механохимия имеет потенциал для энергосберегающего твердотельного хранения водорода, аммиака и других топливных газов. Полученный порошок безопаснее, чем обычные методы сжатия и сжижения. [22]
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )(требуется подписка)