Přednášky pro studenty všeobecných technických směrů a specializací Přednáška 3 Téma 4
Přednášky pro studenty obecných technických směrů a specializací přednáška 4 Téma 5
Přednášky pro studenty obecných technických směrů a specializací modul II. Zákonitosti průběhu reakcí
Přednášky pro studenty obecných technických směrů a specialit Přednáška 7 Téma Základy chemické kinetiky
Přednášky pro studenty obecných technických směrů a specializací přednáška 8 Téma Chemická rovnováha Na toto téma je potřeba znát a umět následující
Předmluva pro pedagogy
Přednášky pro studenty obecných technických směrů a specializací modul III. Roztoky a elektrochemické procesy
7. Spárové a nepárové elektrony
Elektrony vyplňující orbitaly v párech se nazývají spárovaný, a jednotlivé elektrony se nazývají nespárované... Nespárované elektrony poskytují chemickou vazbu mezi atomem a jinými atomy. Přítomnost nepárových elektronů je stanovena experimentálně studiem magnetických vlastností. Látky s nepárovými elektrony paramagnetický(jsou vtaženy do magnetického pole v důsledku interakce spinů elektronů, jako elementárních magnetů, s vnějším magnetickým polem). Látky obsahující pouze párové elektrony diamagnetické(vnější magnetické pole na ně nepůsobí). Nespárované elektrony se nacházejí pouze na vnější energetické hladině atomu a jejich počet lze určit podle jeho elektronicko-grafického schématu.
Příklad 4 Určete počet nepárových elektronů v atomu síry.
Řešení. Atomové číslo síry je Z = 16, takže úplný elektronový vzorec prvku je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. Elektronicko-grafické schéma externích elektronů je následující (obr. 11).
Rýže. 11. Elektronicko-grafické schéma valenčních elektronů atomu síry
Z elektronického schématu vyplývá, že v atomu síry jsou dva nepárové elektrony.
8. Elektronový skluz
Všechny podúrovně mají zvýšenou stabilitu, když jsou zcela zaplněny elektrony (s 2, p 6, d 10, f 14), a podúrovně p, d a f navíc, když jsou naplněny z poloviny, tzn. p 3, d 5, f 7. Stavy d 4, f 6 a f 13 mají naopak stabilitu sníženou. V tomto ohledu mají některé prvky tzv uklouznutí elektron, přispívající k vytvoření podúrovně se zvýšenou stabilitou.
Příklad 5. Vysvětlete, proč v atomech chrómu dochází k zaplnění 3d podúrovně elektrony, když podúroveň 4s není zcela naplněna? Kolik nepárových elektronů je v atomu chrómu?
Řešení. Atomové číslo chrómu Z = 24, elektronický vzorec: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5. Je pozorován elektronový skluz z 4s do 3d podúrovně, což zajišťuje vytvoření stabilnějšího 3d 5 stavu. Z elektronového schématu vnějších elektronů (obr. 12) vyplývá, že v atomu chrómu je šest nepárových elektronů.
Rýže. 12. Elektronicko-grafické schéma valenčních elektronů atomu chrómu
9. Zkrácené elektronické vzorce
Elektronické vzorce chemických prvků lze psát ve zkrácené formě. V tomto případě je část elektronového vzorce odpovídající stabilnímu elektronovému obalu atomu předcházejícího vzácného plynu nahrazena symbolem tohoto prvku v hranatých závorkách (tato část atomu je tzv. kostra atom) a zbytek vzorce je napsán v obvyklém tvaru. V důsledku toho se elektronický vzorec stává stručným, ale jeho informační obsah se tím nesnižuje.
Příklad 6. Napište zkrácené elektronické vzorce pro draslík a zirkonium.
Řešení. Atomové číslo draslíku Z = 19, úplný elektronový vzorec: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1, předcházející vzácný plyn - argon, zkrácený elektronický vzorec: 4s 1.
Atomové číslo zirkonia je Z = 40, úplný elektronický vzorec je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 2, předchozí vzácný plyn je krypton, zkrácený elektronický vzorec je 5s 2 4d 2.
10. Rodiny chemických prvků
V závislosti na tom, která energetická podúroveň v atomu je naplněna elektrony jako poslední, se prvky dělí do čtyř rodin. V periodické tabulce jsou symboly prvků různých rodin zvýrazněny různými barvami.
1. s-prvky: v atomech těchto prvků je poslední vyplněn elektrony ns-podúroveň;
2. p-prvky: ten je vyplněn elektrony np-sublevel;
3. d-prvky: posledně jmenované jsou naplněny elektrony (n–1) d-podúroveň;
4. f-prvky: ty jsou vyplněny elektrony (n - 2) f-podúroveň.
Příklad 7. Pomocí elektronových vzorců atomů určete, které skupiny chemických prvků zahrnují stroncium (z = 38), zirkonium (z = 40), olovo (z = 82) a samarium (z = 62).
Řešení. Zapisujeme si zkrácené elektronické vzorce těchto prvků
Sr: 5s 2; Zr: 5s 2 4d 2; Pb: 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2; Sm: 6s 2 4f 6,
z čehož je vidět, že prvky patří do rodin s (Sr), p (Pb), d (Zr) a f (Sm).
11. Valenční elektrony
Chemická vazba tohoto prvku s jinými prvky ve sloučeninách poskytuje valenční elektrony... Valenční elektrony jsou určeny příslušností prvků do určité rodiny. Takže u s-prvků jsou valenční elektrony na vnější s-podúrovni, u p-prvků jsou vnější podúrovně s a p a u d-prvků jsou valenční elektrony na vnější s-podúrovni a předvnější d-sublevel. Otázka valenčních elektronů f-prvků není jednoznačně vyřešena.
Příklad 8. Určete počet valenčních elektronů v atomech hliníku a vanadu.
Řešení. 1) Zkrácený elektronický vzorec hliníku (z = 13): 3s 2 3p 1. Hliník patří do rodiny p-prvků, proto má jeho atom tři valenční elektrony (3s 2 3p 1).
2) Elektronový vzorec vanadu (z = 23): 4s 2 3d 3. Vanad patří do rodiny d-prvků, proto má jeho atom pět valenčních elektronů (4s 2 3d 3).
12. Struktura atomů a periodická tabulka
12.1. Objev periodického zákona
Základem moderní teorie struktury hmoty, studia celé řady chemických látek a syntézy nových prvků jsou periodický zákon a periodický systém chemických prvků.
Periodická tabulka prvků je přirozená systematizace a klasifikace chemických prvků, vyvinutá vynikajícím ruským chemikem D.I. Mendělejev na základě jím objeveného periodického zákona. Periodická tabulka je grafické znázornění periodického zákona, jeho vizuální vyjádření.
Periodický zákon objevil Mendělejev (1869) jako výsledek analýzy a srovnání chemických a fyzikálních vlastností 63 tehdy známých prvků. Jeho původní znění:
vlastnosti prvků a jimi tvořené jednoduché a složité látky jsou periodicky závislé na atomové hmotnosti prvků.
Při vývoji periodického systému Mendělejev zpřesnil nebo opravil valenční a atomové hmotnosti některých známých, ale špatně prozkoumaných prvků, předpověděl existenci devíti dosud neobjevených prvků a popsal očekávané vlastnosti tří z nich (Ga, Ge, Sc). S objevem těchto prvků (1875-1886) se periodickému zákonu dostalo všeobecného uznání a vytvořilo základ pro celý následující vývoj chemie.
Téměř 50 let po objevu periodického zákona a vytvoření periodického systému byl samotný důvod periodicity vlastností prvků neznámý. Nebylo jasné, proč prvky jedné skupiny mají stejnou mocnost a tvoří sloučeniny s kyslíkem a vodíkem stejného složení, proč není počet prvků v periodách stejný, proč v některých místech periodického systému není uspořádání prvků odpovídají nárůstu atomové hmotnosti (Ar - K, Co - Ni, Te - I). Všechny tyto otázky byly zodpovězeny studiem struktury atomů.
12.2. Vysvětlení periodického zákona
V roce 1914 byly stanoveny náboje atomových jader (G. Moseley) a bylo zjištěno, že vlastnosti prvků jsou v periodické závislosti ne z atomové hmotnosti prvků, ale z kladný náboj jader jejich atomů. Po změně formulace periodického zákona se však forma periodického systému zásadně nezměnila, protože atomové hmotnosti prvků rostou ve stejném pořadí jako náboje jejich atomů, s výjimkou výše uvedených sekvencí argon - draslík, kobalt - nikl a telur - jód.
Důvod nárůstu náboje jádra s rostoucím počtem prvku je jasný: v jádrech atomů při přechodu z prvku na prvek monotónně roste počet protonů. Ale struktura elektronového obalu atomů s postupným zvyšováním hodnot hlavního kvantového čísla periodicky se opakuje obnova podobných elektronických vrstev. V tomto případě se nové elektronové vrstvy nejen opakují, ale také se stávají složitějšími kvůli vzhledu nových orbitalů, proto se počet elektronů na vnějších obalech atomů a počet prvků v periodách zvyšuje.
První úsek: zaplnění první energetické hladiny elektrony, která má pouze jeden orbital (orbital 1s), proto jsou v periodě pouze dva prvky: vodík (1s 1) a helium (1s 2).
Druhá perioda: probíhá plnění druhé elektronové vrstvy (2s2p), ve které se první vrstva (2s) opakuje a probíhá její komplikace (2p) - v tomto období je 8 prvků: od lithia po neon.
Třetí perióda: plní se třetí elektronová vrstva (3s3p), ve které se druhá vrstva opakuje a není to žádná komplikace, protože 3d podúroveň do této vrstvy nepatří; v tomto období je také 8 prvků: od sodíku po argon.
Čtvrté období: náplň čtvrté vrstvy (4s3d4p) elektrony, která je komplikovaná ve srovnání s třetím výskytem pěti d-orbitalů 3d-podúrovně, proto v tomto období existuje 18 prvků: od draslíku po krypton.
Páté období: pátá vrstva (5s4d5p) je vyplněna elektrony, jejichž složitost ve srovnání se čtvrtou nenastává, proto je v páté periodě také 18 prvků: od rubidia po xenon.
Šesté období: plní se šestá vrstva (6s4f5d6p), která je oproti páté komplikovaná vzhledem k výskytu sedmi orbitalů 4f-podúrovně, proto je v šesté periodě 32 prvků: od cesia po radon.
Sedmé období: sedmá vrstva (7s5f6d7p) je vyplněna elektrony, podobně jako šestá, proto je v tomto období také 32 prvků: od francie po prvek s atomovým číslem 118, který byl získán, ale ještě nemá jméno.
Zákony upravující tvorbu elektronových obalů atomů tedy vysvětlují počet prvků v periodách periodické tabulky. Znalost těchto zákonitostí umožňuje formulovat fyzikální význam atomového čísla chemického prvku v periodické tabulce, periodě a grupě.
Protonové číslo prvek z je kladný náboj atomového jádra, rovný počtu protonů v jádře a počtu elektronů v elektronovém obalu atomu.
Doba Je horizontální posloupnost chemických prvků, jejichž atomy mají stejný počet energetických hladin, částečně nebo zcela vyplněné elektrony.
Číslo periody se rovná počtu energetických hladin v atomech, číslu nejvyšší energetické hladiny a hodnotě hlavního kvantového čísla pro nejvyšší energetickou hladinu.
Skupina Je vertikální posloupnost prvků se stejným typem elektronové struktury atomů, stejným počtem vnějších elektronů, stejnou maximální valencí a podobnými chemickými vlastnostmi.
Číslo skupiny se rovná počtu vnějších elektronů v atomech, maximální hodnotě stechiometrické valence a maximální hodnotě kladného oxidačního stavu prvku ve sloučeninách. Podle čísla skupiny můžete také určit maximální hodnotu negativního oxidačního stavu prvku: rovná se rozdílu mezi číslem 8 a číslem skupiny, ve které se tento prvek nachází.
12.3. Základní formy periodického systému
Existuje asi 400 forem periodického systému, ale nejběžnější jsou dva: dlouhý (18článkový) a krátký (8článkový).
PROTI dlouho Systém (18 buněk) (předložený v této publikaci a v příručce) má tři krátká období a čtyři dlouhé. V krátkých periodách (první, druhá a třetí) jsou pouze s- a p-prvky, mají tedy 2 (první perioda) nebo 8 prvků. Ve čtvrté a páté periodě se kromě s- a p-prvků objevuje 10 d-prvků, tyto periody tedy obsahují každá 18 prvků. V šesté a sedmé periodě se objevují f-prvky, takže periody mají každá 32 prvků. Ale f-prvky jsou vyjmuty z tabulky a jsou zobrazeny níže (jako příloha) ve dvou řádcích a jejich místo v systému je označeno hvězdičkami. První řádek obsahuje 14 f-prvků, které následují po lanthanu, takže se souhrnně nazývají „lanthanoidy“, a druhý řádek obsahuje 14 f-prvků, které následují po aktiniu, takže se souhrnně nazývají aktinidy. Tuto formu periodické tabulky doporučuje IUPAC pro použití ve všech zemích.
PROTI krátký(8-článkový) systém (je k dispozici také v tomto publiku a v referenční knize) f-prvky jsou také zahrnuty v příloze a velké tečky (4., 5., 6. a 7.), každá obsahující 18 prvků (bez f -prvky) jsou rozděleny v poměru 10:8 a druhá část je umístěna pod první. Velká období se tedy skládají ze dvou řad (řádků). V tomto provedení je v periodické tabulce osm skupin a každá z nich se skládá z hlavní a vedlejší podskupiny. Hlavní podskupiny první a druhé skupiny obsahují s-prvky a zbytek obsahuje p-prvky. Postranní podskupiny všech skupin obsahují d-prvky. Hlavní podskupiny obsahují 7-8 prvků a vedlejší obsahují 4 prvky, kromě osmé skupiny, ve které se sekundární podskupina (VIII-B) skládá z devíti prvků - tří „triád“.
V tomto systému jsou prvky podskupin kompletní elektronické analogy... Prvky stejné skupiny, ale různé podskupiny jsou také analogy (mají stejný počet vnějších elektronů), ale tato analogie je neúplná, protože vnější elektrony jsou na různých podúrovních. Krátká forma je kompaktní, a proto je pohodlnější používat, ale nemá onu individuální shodu mezi tvarem a elektronovou strukturou atomů, která je vlastní dlouhému systému.
Příklad 9. Vysvětlete, proč jsou chlor a mangan ve stejné skupině, ale v různých podskupinách 8-článkového periodického systému.
Řešení. Elektronický vzorec chloru (atomové číslo 17) je 3s23p5 a manganu (atomové číslo 25) je 4s23d5. Atomy obou prvků mají sedm vnějších (valenčních) elektronů, takže jsou ve stejné skupině (sedmé), ale v různých podskupinách, protože chlor je
p-prvek a mangan je d-prvek.
12.4. Periodické vlastnosti prvků
Periodicita je vyjádřena ve struktuře elektronového obalu atomů, proto vlastnosti závislé na stavu elektronů jsou v dobré shodě s periodickým zákonem: atomové a iontové poloměry, ionizační energie, elektronová afinita, elektronegativita a valence prvků. Ale složení a vlastnosti jednoduchých látek a sloučenin závisí na elektronové struktuře atomů, proto je periodicita pozorována u mnoha vlastností jednoduchých látek a sloučenin: teplota a teplo tání a varu, délka a energie chemická vazba, elektrodové potenciály, standardní entalpie tvorby a entropie látek atd. Periodický zákon pokrývá více než 20 vlastností atomů, prvků, jednoduchých látek a sloučenin.
1) Atomové a iontové poloměry
Podle kvantové mechaniky se elektron může nacházet v jakémkoli bodě kolem jádra atomu, a to jak v jeho blízkosti, tak ve značné vzdálenosti. Proto jsou hranice atomů vágní a neurčité. Kvantová mechanika zároveň počítá pravděpodobnost distribuce elektronů kolem jádra a polohu maxima elektronové hustoty pro každý orbital.
Orbitální poloměr atomu (iontu)Je vzdálenost od jádra k maximální hustotě elektronů nejvzdálenějšího vnějšího orbitalu tohoto atomu (iontu).
Orbitální poloměry (jejich hodnoty jsou uvedeny v příručce) se v periodách snižují, protože nárůst počtu elektronů v atomech (iontech) není doprovázen vznikem nových elektronových vrstev. Elektronový obal atomu nebo iontu každého následujícího prvku v období se ve srovnání s předchozím stává hustším v důsledku zvýšení náboje jádra a zvýšení přitahování elektronů k jádru.
Orbitální poloměry ve skupinách se zvyšují jako atom (iont) každého prvku se od vyššího liší vzhledem nové elektronické vrstvy.
Změna orbitálních atomových poloměrů za pět period je znázorněna na Obr. 13, ze kterého je vidět, že závislost má "pilovou" charakteristiku periodického zákona.
Rýže. 13. Závislost orbitálního poloměru
Ale v obdobích nedochází k poklesu velikosti atomů a iontů monotónně: u jednotlivých prvků jsou pozorovány malé "výbuchy" a "poklesy". V „mezerach“ jsou zpravidla prvky, ve kterých elektronická konfigurace odpovídá stavu zvýšené stability: například ve třetí periodě je to hořčík (3s 2), ve čtvrtém - mangan (4s 2 3d 5 ) a zinek (4s 2 3d 10) atd.
Poznámka. Výpočty oběžných poloměrů se provádějí od poloviny sedmdesátých let minulého století díky rozvoji elektronické výpočetní techniky. Dříve používané efektivní poloměry atomů a iontů, které jsou určeny z experimentálních dat o mezijaderných vzdálenostech v molekulách a krystalech. V tomto případě se předpokládá, že atomy jsou nestlačitelné kuličky, které se svými povrchy dotýkají v kloubech. Efektivní poloměry stanovené v kovalentních molekulách se nazývají kovalentní poloměry, v kovových krystalech - kov poloměry, ve sloučeninách s iontovou vazbou - iontový poloměry. Efektivní poloměry se liší od orbitálních, ale jejich změna v závislosti na atomovém čísle je také periodická.
2) Energetický a ionizační potenciál atomů
Ionizační energie(E ion) se nazývá energie vynaložená na oddělení elektronu od atomu a přeměnu atomu na kladně nabitý iont.
Experimentálně se ionizace atomů provádí v elektrickém poli, přičemž se měří potenciálový rozdíl, při kterém dochází k ionizaci. Tento potenciální rozdíl se nazývá ionizační potenciál(J). Jednotkou pro měření ionizačního potenciálu je eV / atom a ionizační energie je kJ / mol; přechod z jedné hodnoty na druhou se provádí podle poměru:
E iont = 96,5 J
Oddělení prvního elektronu od atomu je charakterizováno prvním ionizačním potenciálem (J 1), druhým - druhým (J 2) atd. Postupné ionizační potenciály se zvyšují (tabulka 1), protože každý další elektron musí být odtržen od iontu s kladným nábojem zvyšujícím se o jednu. Od stolu. 1, že je pozorován prudký nárůst ionizačního potenciálu lithia pro J 2, pro berylium - pro J 3, pro bor - pro J 4 atd. Prudký nárůst J nastává, když separace vnějších elektronů končí a další elektron je na úrovni před vnější energií.
stůl 1
Ionizační potenciály atomů (eV / atom) prvků druhé periody
| Živel | J 1 | J 2 | J 3 | J 4 | J 5 | J 6 | J 7 | J 8 |
| Lithium | 5,39 | 75,6 | 122,4 | – | – | – | – | – |
| Berylium | 9,32 | 18,2 | 158,3 | 217,7 | – | – | – | – |
| Bor | 8,30 | 25,1 | 37,9 | 259,3 | 340,1 | – | – | – |
| Uhlík | 11,26 | 24,4 | 47,9 | 64,5 | 392,0 | 489,8 | – | – |
| Dusík | 14,53 | 29,6 | 47,5 | 77,4 | 97,9 | 551,9 | 666,8 | – |
| Kyslík | 13,60 | 35,1 | 54,9 | 77,4 | 113,9 | 138,1 | 739,1 | 871,1 |
| Fluor | 17,40 | 35,0 | 62,7 | 87,2 | 114,2 | 157,1 | 185,1 | 953,6 |
| Neon | 21,60 | 41,1 | 63,0 | 97,0 | 126,3 | 157,9 |
Ionizační potenciál je indikátorem "kovovosti" prvku: čím je menší, tím snáze se elektron oddělí od atomu a tím výraznější by měly být kovové vlastnosti prvku. Pro prvky, kterými začínají periody (lithium, sodík, draslík atd.), je první ionizační potenciál 4–5 eV / atom a tyto prvky jsou typické kovy. Pro ostatní kovy jsou hodnoty J1 vyšší, ale ne více než 10 eV / atom, a pro nekovy je to obvykle více než 10 eV / atom: dusík má 14,53 eV / atom, kyslík 13,60 eV / atom , atd.
První ionizační potenciály v periodách rostou a ve skupinách klesají (obr. 14), což ukazuje na nárůst nekovových vlastností v periodách a kovových ve skupinách. Proto jsou nekovy v pravé horní části a kovy v levé dolní části periodické tabulky. Hranice mezi kovy a nekovy je „rozmazaná“, protože většina prvků má amfoterní (duální) vlastnosti. Nicméně takovou podmíněnou hranici lze nakreslit, je zobrazena v dlouhém (18článkovém) tvaru periodického systému, který je k dispozici zde v publikaci a v referenční knize.
Rýže. 14. Závislost ionizačního potenciálu
z atomového počtu prvků první - páté periody.
Praktický význam tohoto poměru spočívá v tom, že při znalosti μ, které je poměrně snadno měřitelné, je možné určit D,
což je poměrně obtížné přímo určit.
Ambipolární difúze
V plazmatu plynového výboje difundují jak elektrony, tak ionty. Proces difúze je následující. Elektrony s vyšší pohyblivostí difundují rychleji než ionty. Díky tomu se mezi elektrony a zpožděnými kladnými ionty vytváří elektrické pole. Toto pole zpomaluje další difúzi elektronů a naopak - urychluje difúzi iontů. Když jsou ionty přitahovány k elektronům, indikované elektrické pole slábne a elektrony se opět oddělují od iontů. Tento proces probíhá. Tato difuze se nazývá ambipolární difuze, jejíž koeficient je
D amb = |
D e μ a + D a μ e |
|||
μ e + μ a |
||||
kde D e, D a |
- difúzní koeficienty elektronů a iontů; μ e, μ a - |
|||
pohyblivost elektronů a iontů. |
||||
Protože D e >> D u a μ e >> μ u, ukazuje se, že |
D a μ е≈ D e μ и, |
|||
proto D amb ≈ 2D u. K takové difúzi dochází například v kladném sloupci doutnavého výboje.
1.6. Excitace a ionizace atomů a molekul
Je známo, že atom se skládá z kladného iontu a elektronů, jejichž počet je určen číslem prvku v periodické tabulce D.I. Mendělejev. Elektrony v atomu jsou na specifických energetických hladinách. Pokud elektron přijme nějakou energii zvenčí, přejde na vyšší úroveň, která se nazývá úroveň excitace.
Obvykle je elektron na úrovni excitace krátkou dobu, řádově 10-8 s. Když elektron přijme významnou energii, vzdálí se od jádra na tak velkou vzdálenost, že s ním může ztratit spojení a uvolní se. Nejméně se k jádru váží valenční elektrony, které jsou na vyšších energetických hladinách, a proto se snáze oddělují od atomu. Proces oddělování elektronu od atomu se nazývá ionizace.
Na Obr. 1.3 ukazuje energetický obraz valenčního elektronu v atomu. Zde W o je základní úroveň elektronu, W mst je metastabilní
úroveň, W 1, W 2 - úrovně buzení (první, druhá atd.).
Část I. Kapitola 1. Elektronické a iontové děje v plynovém výboji
Rýže. 1.3. Energetický obraz elektronu v atomu
W ′ = 0 je stav, kdy elektron ztratí vazbu s atomem. Množství W a = W ′ - W o je
s ionizační energií. Hodnoty uvedených hladin pro některé plyny jsou uvedeny v tabulce. 1.3.
Metastabilní hladina se vyznačuje tím, že přechody elektronů na ni az ní jsou zakázány. Tato hladina je naplněna tzv. výměnnou interakcí, kdy elektron z vnějšku přistane na hladině W mst, a přebytek
elektron opustí atom. Metastabilní hladiny hrají důležitou roli v procesech probíhajících v plazmatu s plynovým výbojem, protože na normální úrovni buzení je elektron po dobu 10-8 s a na metastabilní úrovni - 10-2 ÷ 10-3 s.
Tabulka 1.3
Energie, eV |
CO2 |
||||||||
W mst |
|||||||||
Proces excitace atomových částic také podmiňuje ionizaci prostřednictvím tzv. jevu rezonanční difúze záření. Tento jev spočívá v tom, že excitovaný atom, přecházející do normálního stavu, emituje kvanta světla, které excituje další atom atd. Oblast difúze rezonančního záření je určena střední volnou cestou fotonu λ ν, která závisí
síta na hustotu atomárních částic n. Takže pro n = 1016 cm-3 λ ν = 10-2 ÷ 1
viz Fenomén difúze rezonančního záření je také dán přítomností metastabilních hladin.
Postupná ionizace může probíhat podle různých schémat: a) první elektron nebo foton excituje neutrál
částice a druhý elektron nebo foton předá valenčnímu elektronu další energii, což způsobí ionizaci této neutrální částice;
Část I. Kapitola 1. Elektronické a iontové děje v plynovém výboji
atomu a v tuto chvíli excitovaný atom přechází do normálního stavu a vyzařuje kvantum světla, které zvyšuje energii
c) konečně dva excitované atomy jsou blízko u sebe. V tomto případě jeden z nich přejde do normálního stavu a vyzáří kvanta světla, které ionizuje druhý atom.
Je třeba poznamenat, že postupná ionizace je účinná, když koncentrace rychlých elektronů (s energiemi blízkými
do W a), fotonů a excitovaných atomů je dostatečně velký. Tohle je
Zde je ionizace dostatečně intenzivní. Fotony dopadající na atomy a molekuly mohou také způsobit excitaci a ionizaci (přímou nebo postupnou). Zdrojem fotonů v plynovém výboji je záření elektronové laviny.
1.6.1. Excitace a ionizace molekul
U molekulárních plynů je nutné počítat s možností buzení samotných molekul, které na rozdíl od atomů vykonávají rotační a vibrační pohyby. Tyto pohyby jsou také kvantovány. Energie skoku při rotačním pohybu je 10-3 ÷ 10-1 eV a při vibračním pohybu - 10-2 ÷ 1 eV.
Při elastické srážce elektronu s atomem ztrácí elektron ne
hodně své energie |
W = 2 |
≈ 10 |
- 4 W. V případě a |
|||
rhenium elektronu s molekulou, elektron vybudí rotační a vibrační pohyb molekul. V druhém případě ztrácí elektron zvláště významnou energii až do 10-1 ÷ 1 eV. Proto je excitace vibračních pohybů molekul účinným mechanismem pro výběr energie z elektronu. V přítomnosti takového mechanismu je zrychlení elektronu bráněno a je zapotřebí silnější pole, aby elektron získal dostatečnou energii pro ionizaci. Proto je pro rozpad molekulárního plynu zapotřebí vyšší napětí než pro rozpad atomárního (inertního) plynu při stejné mezielektrodové vzdálenosti a stejném tlaku. To dokazují údaje v tabulce. 1.4, který porovnává hodnoty λ t, S t a U pr atom-
a molekulární plyny při atmosférickém tlaku a d = 1,3 cm.
Část I. Kapitola 1. Elektronické a iontové děje v plynovém výboji
Tabulka 1.4 |
||||||||||
Charakteristický |
Název plynu |
|||||||||
St 10 - 16, cm2 |
||||||||||
U pr, kV |
||||||||||
Od stolu. 1.4 je vidět, že ačkoli transportní průřezy St pro molekulu
plyny a argon jsou srovnatelné, ale průrazné napětí argonu je mnohem nižší.
1.7. Tepelná ionizace
Při vysokých teplotách může dojít k ionizaci plynu v důsledku zvýšení kinetické energie atomových částic, nazývané tepelná ionizace. Takže pro páry Na, K, Cs je významná tepelná ionizace při teplotě několika tisíc stupňů a pro vzduch při teplotě asi 104 stupňů. Pravděpodobnost tepelné ionizace se zvyšuje s rostoucí teplotou a klesajícím ionizačním potenciálem atomů (molekul). Za běžných teplot je tepelná ionizace zanedbatelná a může mít efekt prakticky jen se vznikem obloukového výboje.
Je však třeba poznamenat, že již v roce 1951 Hornbeck a Molnar objevili, že když monoenergetické elektrony procházejí studenými inertními plyny, vznikají ionty s energií elektronů, která je dostatečná pouze pro excitaci, nikoli však pro ionizaci atomů. Tento proces se nazývá asociativní ionizace.
Asociativní ionizace někdy hraje důležitou roli při šíření ionizačních vln a jiskrových výbojů v místech, kde je ještě velmi málo elektronů. Vznikají tam excitované atomy v důsledku absorpce světelných kvant vystupujících z již ionizovaných oblastí. Ve středně ohřátém vzduchu při teplotách 4000 ÷ 8000 K jsou molekuly dostatečně disociovány, ale elektronů je stále příliš málo na vývoj laviny. V tomto případě je hlavním ionizačním mechanismem reakce, na které se podílejí nevybuzené atomy N a O.
Asociativní ionizace probíhá podle následujícího schématu N + O + 2. 8 eV ↔ NO + + q. Chybějící energie 2,8 eV pochází z kinetické energie relativního pohybu atomů.
a jemné nerozpuštěné látky (PM)
Řízené procesy ionizace vzduchu vedou k výraznému snížení počtu mikrobů, neutralizaci pachů a snížení obsahu některých těkavých organických sloučenin (VOC) ve vnitřním vzduchu. Účinnost odstraňování nejmenších nerozpuštěných látek (prachu) pomocí vysoce účinných filtrů je také zlepšena použitím ionizace vzduchu. Proces ionizace zahrnuje tvorbu iontů ve vzduchu, včetně superoxidu O 2 .- (dvouatomový kyslíkový radikálový iont), který rychle reaguje s polétavými VOC a suspendovanými částicemi (PM). Na konkrétních experimentálních příkladech je zvažován význam chemie ionizace vzduchu a její potenciál pro výrazné zlepšení kvality vnitřního ovzduší. .
Ionizační jevy spojené s reaktivními ionty, radikály a molekulami se vyskytují v různých oblastech meteorologie, klimatologie, chemie, fyziky, technologie, fyziologie a ochrany zdraví při práci. Nedávný vývoj v oblasti umělé ionizace vzduchu spolu s rostoucím zájmem o odstraňování VOC a PM podnítil vývoj pokročilých technologií pro zlepšení kvality vzduchu v interiéru. Tento článek poskytuje pohled na fyzikální a chemické vlastnosti iontů ve vzduchu a poté popisuje aplikaci. ionizace k čištění vzduchu a odstranění VOC a PM z něj.
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI VZDUCHOVÝCH IONTŮ.
Většina hmoty ve vesmíru je ionizovaná. V hlubokém vesmírném vakuu jsou atomy a molekuly v excitovaném energetickém stavu a mají elektrický náboj. Zatímco na Zemi a v zemské atmosféře není většina hmoty ionizována. Pro ionizaci a separaci náboje je potřeba dostatečně výkonný zdroj energie. Může být přírodního i umělého (antropogenního) původu, může se uvolňovat v důsledku jaderných, tepelných, elektrických nebo chemických procesů. Některé zdroje energie jsou: kosmické záření, ionizující (jaderné) záření z pozemských zdrojů, ultrafialové záření, náboj z tření větrem, rozpad vodních kapiček (vodopády, deště), elektrický výboj (blesky), hoření (požáry, hořící proudy plynu , motory) a silná elektrická pole (korónový výboj).
Vliv člověka na množství iontů v životním prostředí:
● Během spalování se současně tvoří ionty i suspendované částice. Ten zpravidla absorbuje ionty, například při kouření, hoření svíček.
● Uvnitř, syntetický nábytek a umělé větrání mohou snížit množství nabitých částic ve vzduchu.
● Elektrické vedení produkuje celé proudy iontů; zobrazení videa vede ke snížení jejich počtu.
● Speciální zařízení produkují ionty k čištění vzduchu nebo k neutralizaci jeho náboje.
Speciálně navržená zařízení pro umělou ionizaci vzduchu jsou lépe ovladatelná než přirozené procesy. Nedávný vývoj ve velkých iontových generátorech vedl ke komerční dostupnosti energeticky účinných modulů schopných produkovat požadované ionty kontrolovaným způsobem s minimem vedlejších produktů, jako je ozón. Iontové generátory se používají k řízení povrchových statických nábojů. Ionizátory vzduchu (iontové generátory) se stále častěji používají k čištění vnitřního vzduchu.
Ionizace je proces nebo výsledek procesu, při kterém elektricky neutrální atom nebo molekula získává kladný nebo záporný náboj. Když atom absorbuje přebytečnou energii, dochází k ionizaci, jejímž výsledkem je volný elektron a kladně nabitý atom. Pojem „vzdušné ionty“ v širokém slova smyslu označuje všechny částice vzduchu, které mají elektrický náboj, jejichž pohyb závisí na elektrických polích.
Chemické přeměny vzdušných iontů, jak přírodního původu, tak uměle vytvořené, závisí na složení média, zejména na druhu a koncentraci plynných nečistot. Průběh konkrétních reakcí závisí na fyzikálních vlastnostech jednotlivých atomů a molekul, např. na ionizačním potenciálu, elektronové afinitě, protonové afinitě, dipólovém momentu, polarizovatelnosti a chemické aktivitě. Hlavní kladné ionty N 2 +, O 2 +, N + a O + se velmi rychle (v miliontině sekundy) přemění na protonované hydráty, zatímco volné elektrony jsou připojeny ke kyslíku a tvoří iont superoxidového radikálu 3 O 2 . -, které také mohou tvořit hydráty. Tyto meziprodukty (intermediární částice) se souhrnně nazývají „klastrové ionty“.
Shlukové ionty pak mohou reagovat s těkavými nečistotami nebo suspendovanými částicemi. Během svého krátkého života (asi minutu) se může klastrový iont srazit s molekulami vzduchu v základním stavu až 1 000 000 000 000krát (10 12). K separaci a identifikaci chemických spekter se používají chemické, jaderné, foto- a elektroionizační procesy. Disociace molekul a reakce v plynné fázi a na povrchu pevných částic výrazně komplikují obecná reakční schémata v reálných médiích. Vlastnosti iontů se neustále mění v důsledku probíhajících chemických reakcí, molekulárních přeskupení, tvorby molekulárních iontových shluků a nabitých částic. Protonované hydráty mohou mít průměr až 1 nm (0,001 µm) a pohyblivost 1–2 cm 2 / V · s. Velikosti iontových shluků jsou asi 0,01-0,1 nm a jejich pohyblivost je 0,3-1 · 10 -6 m 2 / V · s. Posledně jmenované částice jsou větší velikosti, ale řádově méně pohyblivé. Pro srovnání, průměrná velikost kapiček mlhy nebo prachových částic je až 20 mikronů.
Společná přítomnost iontů a elektronů vede ke vzniku vesmírného náboje, to znamená k existenci volného nekompenzovaného náboje v atmosféře. Lze měřit prostorovou hustotu kladných i záporných nábojů. Za jasného počasí na hladině moře je koncentrace iontů obou polarit asi 200-3000 iontů / cm3. Jejich počet se výrazně zvyšuje během deště a bouřek v důsledku přirozené aktivace: koncentrace záporných iontů se zvyšuje na 14 000 iontů / cm 3 a pozitivních - až 7 000 iontů / cm 3. Poměr počtu kladných a záporných iontů je obvykle 1,1-1,3, za určitých povětrnostních podmínek klesá na 0,9. Vykouřením jedné cigarety se sníží množství iontů ve vzduchu v místnosti na 10-100 iontů / cm3.
Ionty a iontové shluky mají mnoho možností pro srážky a reakce s jakýmikoli nečistotami vzduchu, tedy v podstatě se všemi složkami atmosféry. Z atmosféry mizí v důsledku reakcí s jinými těkavými složkami nebo navázáním na větší částice prostřednictvím difúzního náboje a náboje pole. Životnost iontů je tím kratší, čím vyšší je jejich koncentrace (a naopak, při nižší koncentraci je životnost delší, protože je menší pravděpodobnost kolize). Životnost vzdušných iontů přímo souvisí s vlhkostí, teplotou a relativní koncentrací stop těkavých a suspendovaných částic. Typická životnost přirozeně se vyskytujících iontů v čistém vzduchu je 100-1000 s.
CHEMIE VZDUCHOVÝCH IONTŮ
Kyslík je nezbytný pro všechny formy života. Existuje však dynamická rovnováha mezi tvorbou kyslíku, nezbytného pro život, na jedné straně a ochranou před jeho toxickým působením na straně druhé. Existují 4 známé oxidační stavy molekulárního kyslíku [O 2] n, kde n = 0, +1, -1, -2, v tomto pořadí, pro molekulu kyslíku, kation, superoxidový iont a peroxidový anion (psáno jako 3 O 2, 302.+, 302.- a 302-2). Navíc „běžný“ kyslík ve vzduchu 3 O 2 je v „zemním“ (energeticky nevybuzeném) stavu. Je to volný „biradikál“ se dvěma nepárovými elektrony. V kyslíku mají dva páry elektronů na vnější vrstvě paralelní spiny, což naznačuje tripletový stav (horní index 3, ale pro jednoduchost se obvykle vynechává). Samotný kyslík je obvykle konečným akceptorem elektronů biochemické procesy... Není příliš chemicky aktivní a sám o sobě neničí biosystémy oxidací. Je však prekurzorem jiných forem kyslíku, které mohou být toxické, zejména iontu superoxidového radikálu, hydroxylového radikálu, peroxidového radikálu, alkoxy radikálu a peroxidu vodíku. Mezi další chemicky aktivní molekuly patří singletový kyslík 1 O 2 a ozon O 3.
Kyslík normálně reaguje špatně s většinou molekul, ale může být „aktivován“ dodáním dodatečné energie (přírodní nebo umělé, elektrické, tepelné, fotochemické nebo jaderné) a přeměnou na reaktivní formy kyslíku (ROS). Přeměna kyslíku do reaktivního stavu při připojení jednoho elektronu se nazývá redukce (rovnice 1). Molekula donoru elektronů je oxidována. Výsledkem této částečné redukce tripletového kyslíku je superoxid O 2 · -. Je to jak radikál (označený tečkou), tak iont (náboj -1).
O 2 + e - → O 2 .- (1)
Iont superoxidového radikálu je nejdůležitější radikál vznikající v lidském těle: dospělý 70 kg vážící ho syntetizuje minimálně 10 kg (!) za rok. Přibližně 98 % kyslíku spotřebovaného dýcháním mitochondrií se přemění na vodu a zbývající 2 % se přemění na superoxid, vznikající v důsledku nežádoucích reakcí v dýchacím systému. Lidské buňky neustále produkují superoxid (a chemicky aktivní molekuly z něj odvozené) jako „antibiotikum“ proti cizím mikroorganismům. Biologii vzdušných iontů a kyslíkových radikálů zhodnotili Krueger a Reed, 1976. Superoxid také působí jako signální molekula regulující mnoho buněčných procesů spolu s NO. ... Za biologických podmínek reaguje sám se sebou za vzniku peroxidu vodíku a kyslíku v reakci 2, známé jako dismutační reakce. Může být spontánní nebo katalyzovaný enzymem superoxiddismutázou (SOD).
2 O 2 .- + 2 H + → H 2 O 2 + O 2 (2)
Superoxid může být jak oxidační činidlo (akceptor elektronu), tak i redukční činidlo (donor elektronu). Je velmi důležitý pro tvorbu aktivního hydroxylového radikálu (HO), katalyzovaného kovovými ionty a/nebo slunečním zářením. Superoxid reaguje s oxidem dusnatým (NO.) za vzniku radikálů in vivo další aktivní molekulou je peroxynitrát (OONO.). Superoxid pak může být redukován na peroxid (O 2 -2) - aktivovanou formu kyslíku, který existuje ve vodním prostředí ve formě peroxidu vodíku (H 2 O 2) a je nezbytný pro zdraví.
Superoxid je produktem disociace slabé kyseliny - hydroperoxidového radikálu HO 2 ·. Ve vodných systémech je poměr množství těchto dvou částic určen kyselostí prostředí a odpovídající rovnovážnou konstantou. Superoxid může vznikat také v důsledku negativní ionizace vzduchu. Studiemi potvrdily i jeho malé koncentrace ve vlhkém vzduchu.
Superoxidové iontové klastry rychle reagují s částicemi ve vzduchu a těkavými organickými sloučeninami. Zatímco peroxid vodíku je oxidační činidlo, kombinace peroxidu vodíku a superoxidu (úroveň 3) vytváří mnohem aktivnější látku - hydroxylový radikál - nejsilnější známé oxidační činidlo.
2 O 2. - + H 2 O 2 → O 2 + OH. + OH - (3)
Identifikace jednotlivých částic účastnících se chemických reakcí není triviální úkol. Modelování reakčního schématu může zahrnovat desítky homogenních a heterogenní reakce mezi částicemi uvedenými výše.
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU
Kyslík, superoxid, peroxid a hydroxyl se nazývají reaktivní formy kyslíku (ROS); mohou se účastnit různých redoxních reakcí, a to jak v plynu, tak ve vodném prostředí. Tyto aktivní částice jsou velmi důležité pro rozklad organických látek přítomných v atmosféře, smogových částic a pro degradaci ozonu (O 3). Hydroxylový radikál je klíčovým faktorem při rozkladu těkavých organických sloučenin v troposféře prostřednictvím řady složitých chemických reakcí, včetně oxidace (odstranění elektronů z organických sloučenin), které pak mohou reagovat s jinými organickými molekulami v řetězové reakci.
Reaktivní formy kyslíku byly nalezeny jak v pozemském prostoru, tak ve vesmíru. Senzory v pevné fázi SnO 2, běžně používané k detekci nečistot v plynech, jsou ovlivněny chemisorpcí kyslíku a vodní páry. Při dostatečně vysoké provozní teplotě je kyslík ze vzduchu adsorbován na površích krystalů se záporným nábojem. V tomto případě jsou elektrony krystalů přeneseny na adsorbovaný O 2 za vzniku superoxidových radikálů, které následně reagují s CO, uhlovodíky a dalšími nečistotami plynů nebo par. V důsledku uvolňování elektronů se povrchový náboj snižuje, což způsobuje zvýšení vodivosti, která je fixní. Podobné chemické procesy se nacházejí ve fotokatalytické oxidaci, palivových článcích s pevným oxidem a v různých netepelných plazmových procesech.
Vesmírní vědci naznačují, že za neobvyklou aktivitou marťanské půdy a nedostatkem organických sloučenin může ultrafialové záření, které způsobuje ionizaci atomů kovů a tvorbu reaktivních kyslíkových částic na půdních granulích. Tři radikály O · -, O 2 · - a O 3 · -, obvykle tvořené UV zářením v přítomnosti kyslíku, se někdy souhrnně označují jako reaktivní formy kyslíku (ROS). O 2 · je nejméně aktivní, nejstabilnější a s největší pravděpodobností kyslíkový radikál vznikající při běžných teplotách na Zemi. Mezi jeho chemické vlastnosti patří reakce s vodou za vzniku hydratovaných klastrových iontů. Dvě propojené částice – hydroxid a hydroperoxid – jsou schopny oxidovat organické molekuly. Superoxid reaguje s vodou (úroveň 4) za vzniku kyslíku, perhydroxylových a hydroxylových radikálů, které mohou snadno oxidovat organické molekuly.
2 O 2 .- + H 2 O → O 2 + HO 2 .- + OH .- (4)
Superoxid může také reagovat přímo s ozonem za vzniku hydroxylových radikálů (rov. 5).
2 O 2 .- + O 3 + H 2 O → 2 O 2 + OH - + OH. (5)
Můžeme předpokládat následující souhrnné schéma (rov. 6), které zahrnuje několik reakcí popsaných výše. V něm superoxid vznikající během ionizace vzduchu způsobuje oxidaci těkavých organických sloučenin spojených s částicemi suspendovanými ve vzduchu s kovovými inkluzemi:
C x H y + (x + y / 4) O 2 → x CO 2 + (y / 2) H20 (6)
Toto je zjednodušený pohled. Pro každou z reaktivních forem kyslíku (ROS) existuje několik hypotetických nebo potvrzených schémat reakcí jejich vzájemné přeměny.
Ve vědeckých pracích byla předpokládána a simulována transformace jednotlivých VOC, tedy mizení původních částic a vznik vedlejších produktů, spíše než oxidu uhličitého a vody, a to jak před ionizací vzduchu, tak po ní. Je známou skutečností, že netepelné plazma v plynné fázi, které je generováno elektronicky při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku, může zničit nízké koncentrace VOC (koncentrace 10-100 cm 3 / m 3) v pulzním koronovém reaktoru. Účinnost destrukce nebo eradikace (EUL) byla zhruba odhadnuta na základě chemického ionizačního potenciálu. Ionizace a další procesy korónového výboje byly použity zejména pro úpravu vzduchu obsahujícího relativně nízké počáteční koncentrace VOC (100-0,01 cm 3 / m 3). Řada soukromých i veřejných výzkumníků referovala o chemických sloučeninách, které lze zpracovat (tabulka 1), to znamená, že tyto látky lze chemicky změnit nebo zničit během ionizace vzduchu a souvisejících procesů.
Tabulka 1. Chemické sloučeniny, které lze ze vzduchu odstranit ionizací (*).
|
název |
název |
||||
|
Kysličník uhelnatý |
naftalen |
||||
|
Oxidy dusíku |
|||||
|
formaldehyd |
|||||
|
acetaldehyd |
|||||
|
methylalkohol |
|||||
|
Methylethylketon |
|||||
|
Methylenchlorid |
|||||
|
cyklohexan |
1,1,1-trichlorethan |
||||
|
1,1,2-trichlorethan |
|||||
|
Tetrachlormethan |
|||||
|
Xylen (o-, m-, p-) |
tetrachlorethylen |
||||
|
1,2,4-trimethylobenzen |
Hexafluorethan |
||||
|
Ethylbenzen |
|||||
* Účinnost závisí na výchozí koncentraci, relativní vlhkosti a obsahu kyslíku.
Když je vzduch ionizován, nastanou podobné procesy, včetně oxidace organických sloučenin bipolárními ionty a volnými radikály na meziprodukty a nakonec na oxid uhličitý a vodu. Existují čtyři možné reakční procesy zahrnující vzdušné ionty: (I) rekombinace s jinými ionty, (II) reakce s molekulami plynu, (III) připojení k větším částicím a (IV) kontakt s povrchem. První dva procesy mohou pomoci odstranit těkavé organické sloučeniny; poslední dva mohou pomoci odstranit pevné částice.
PRINCIP FUNKCE IONIZÁTORŮ VZDUCHU
Bipolární ionizátory vzduchu vytvářejí nabité molekuly. Přijetím nebo darováním elektronu získává molekula záporný nebo kladný náboj. V současnosti se používají tři typy ionizačních systémů: fotonické, jaderné a elektronické. Fotonová ionizace využívá měkké zdroje rentgenového záření k vyražení elektronů z molekul plynu. V jaderných ionizátorech se používá polonium-210, slouží jako zdroj α-částic, které při srážce s molekulami plynu vyřazují elektrony. Molekuly, které ztratily elektrony, se stávají kladnými ionty. Neutrální molekuly plynu rychle zachycují elektrony a stávají se zápornými ionty. Tyto typy generátorů neobsahují jehly emitoru, takže usazeniny nejsou problémem. Rentgenové a jaderné zdroje je však třeba pečlivě a nepřetržitě monitorovat, aby se předešlo bezpečnostním rizikům.
Elektronické nebo koronové ionizátory využívají vysoké napětí na hrotu emitoru nebo mřížce k vytvoření silného elektrického pole. Toto pole interaguje s elektrony z blízkých molekul a vytváří ionty stejné polarity jako aplikované napětí. Tyto ionizátory jsou klasifikovány podle typu použitého proudu: pulzní, stejnosměrný a střídavý proud. Ionizátory střídavého proudu jsou bipolární, při každém cyklu střídavě generují záporné a kladné ionty. Vznik dalších chemikálií závisí na typu proudu, režimu, koncentraci unipolárních iontů, poměru kladných a záporných iontů a relativní vlhkosti. Střídavé ionizátory, úplně první typ elektronického ionizátoru, mají kolísání napětí a elektrická pole, která vytvářejí, procházejí kladnými a zápornými vrcholy.
Množství generovaných vzduchových iontů se měří pomocí nabitých deskových záznamníků. Nebo lze použít elektrostatický měřič k zachycení statického útlumu na skleněných substrátech. Monitorování iontů umožňuje generování předem stanoveného množství iontů pro optimální výkon.
Je důležité rozlišovat mezi různými typy elektronických čističek vzduchu. Ionizátory vzduchu, elektrostatické filtry a generátory ozonu se často kombinují, nicméně mají jasné rozdíly v provozu.
Systém ionizace vzduchu má několik součástí: senzory pro monitorování kvality vzduchu (VOC a PM), elektronické monitorování iontů a ionizační moduly pro generování požadovaného množství iontů. Průmyslové systémy ionizace vzduchu automaticky řídí proces ionizace, aby zajistily příjemné klima, snížily mikrobiální kontaminaci a neutralizovaly pachy ničením a/nebo eliminací těkavých a suspendovaných složek ve vnitřním vzduchu. Ionizační systémy úpravy vzduchu jsou určeny k instalaci přímo do uzavřeného prostoru nebo do systému centrálního přívodu ventilačního vzduchu. Vzduch pak může být vypouštěn přímo do atmosféry místnosti nebo po smíchání s venkovním vzduchem vrácen zpět.
V závislosti na zdrojích VOC a PM a jejich intenzitě mohou být ionizační moduly umístěny na konkrétním místě. Ionizační zařízení lze umístit přímo do centrální jednotky klimatizační jednotky pro ošetření celého proudu. Mohou být také instalovány do stávajících vzduchových kanálů v centrálním systému HVAC (topení, ventilace a klimatizace). Je také možné umístit samostatně stojící ionizační zařízení v oddělených místnostech pro uspokojení okamžitých potřeb. Správný provoz ionizačního systému ke zlepšení kvality vnitřního vzduchu vyžaduje optimalizaci sedmi faktorů, které popisují konkrétní situaci a požadavky. Při provozu průmyslového ionizátoru vzduchu jsou sledovány následující parametry: požadovaná úroveň intenzity iontů, průtok a pokrytí vzduchu, vlhkost, kvalita vzduchu a detekce ozónu.
Obrázek 1. Schéma procesu ionizace vzduchu.
Snímač průtoku měří objemový průtok vzduchu (v cfm). Čidlo vlhkosti měří množství vodní páry ve vzduchu. Snímač (snímače) kvality vzduchu určí relativní potřebu ionizace. Tato čidla mohou být umístěna jak ve zpětném potrubí vzduchu, tak v externím sání vzduchu. Další senzor kvality vzduchu (volitelný) může být instalován pro udržení úrovně ozónu, který může být generován v malých množstvích jako vedlejší produkt, pod stanovenými limity. Jiný typ senzoru (také volitelný) lze použít k měření relativní úrovně určitých frakcí pevných částic (PM), které lze ze vzduchu odstranit ionizací. Signály ze senzorů jsou zaznamenávány pomocí PC. Odezva ionizačního systému je vizuálně zobrazena ve formě několika grafů v reálném čase a je také uložena pro budoucí použití. Veškeré informace jsou klientovi dostupné přes síť prostřednictvím běžného prohlížeče.
Praktické experimenty a objektový výzkum.
Ionizační technologie se v různých oblastech používají již dlouhou dobu. Řízení elektrostatických výbojů (neutralizace náboje ionty vzduchu) je velmi důležité v citlivých výrobních operacích, jako je výroba polovodičů nebo nanomateriálů. Ionizace se používá k čištění vzduchu, což je v dnešní době obzvlášť důležité. Nestálý organické sloučeniny(VOC), pachy, oxidované reaktivními formami kyslíku. Částice jako tabákový kouř, pyl a prach se shlukují pod vlivem vzdušných iontů. Bakterie a plísně přenášené vzduchem jsou neutralizovány. Mezi další výhody patří úspora energie, protože se pro klimatizaci spotřebuje méně venkovního vzduchu, a celkové zvýšení vnitřního komfortu. Ionizační systémy byly instalovány pro zlepšení kvality vzduchu v domácím a kancelářském prostředí. Byly také instalovány pro monitorování těkavých látek a částic v kancelářích, maloobchodech a průmyslových prostředích. Krátký seznam experimentů provedených na skutečných objektech ilustruje rozmanitost možných aplikací (tabulka II).
Tabulka II. Objekty experimentů s ionizací vzduchu
|
Objekt |
Umístění |
aplikace |
|
Inženýrské centrum |
Velkoměsto |
Odstraňování specifických VOC |
|
Platební centrum |
mezinárodní letiště |
Demontáž výfuku letadla |
|
Starý hotel |
Centrum města |
Úspora energie, zlepšení kvality vzduchu |
|
Moderní hotel |
mezinárodní letiště |
Demontáž výfuku letadla |
|
Nákupní centrum |
Centrum hlavního města |
Regulace VOC, úspora energie |
|
Parlament |
Neutralizace pachů, VOC, mikrobů |
|
|
Restaurační komplex |
centrální náměstí |
Neutralizace kuchyňských pachů |
|
Samostatná restaurace |
Centrum města |
Neutralizace kuchyňských pachů, tabákového kouře |
|
Závod na zpracování masa |
Velkoměsto |
Neutralizace mikrobů ve vzduchu, zápach z odpadu |
|
Skladování masa / potravin |
Supermarket |
Neutralizace kuchyňských pachů, mikrobů |
|
Anatomická laboratoř |
Lékařská fakulta |
Odstranění formaldehydu |
|
Patologická laboratoř |
Nemocnice |
Odstranění myrobů |
|
Fotbalový stadion |
Velkoměsto |
Neutralizace zápachu |
|
Továrna na nábytek |
Plesová zóna |
Odstranění tabákového kouře |
|
Tiskárna |
Městečko |
Odstraňování výparů z čističů |
|
Salon |
Velkoměsto |
Odstranění VOC (zápach laku na nehty). |
|
Místo zpracování zvířat |
Výzkumná laboratoř |
Odstraňování pachů, mikrobů ve vzduchu |
Systém ionizace vzduchu byl instalován ve velkém inženýrském centru (Siemens AG, Berlín) s několika stovkami zaměstnanců ve vícepodlažní budově. Kvantitativně byl měřen pokles hladiny 59 specifických VOC, které patří do devíti různých tříd látek (tabulka III). Obsah VOC byl stanoven plynovou chromatografií a hmotnostní spektroskopií (GC/MS) ve vzorcích odebraných do sorbentových zkumavek během experimentu, s ionizací a bez ionizace. Přestože byly VOC 31 a 59 již pod detekovatelným limitem, nezvýšily se nad něj. Celkové množství VOC se snížilo o 50 %. To jsou vynikající výsledky s ohledem na počáteční hladinu 112 µg/m 3 a cílovou výkonnostní úroveň 300 µg / m 3 . Hladina látek 20 a 59 se snížila, hladiny ostatních látek se nezvýšily. Nebyly detekovány žádné nové VOC jako produkty neúplné ionizace.
Během experimentu byla navíc neustále měřena hladina ozonu v místnosti, a to jak s ionizací, tak bez ní. Průměrná hladina během měsíce experimentu byla 0,7 ppbv bez použití ionizace a maximální hodnota byla 5,8 ppbv. To je srovnatelné s regulačním standardem 100 ppbv. Průměrná úroveň ionizace byla 6,6 ppbv, maximální hodnota byla 14,4 ppbv. Hladina ozonu ve venkovním vzduchu nebyla měřena přímo, ale byl vypočten možný rozsah, který byl 10-20 ppbv.
Tabulka III. Zařízení A: Inženýrské centrum (a).
|
Komponent (#) |
Bez ionizace, μg/m3 |
S ionizací, μg / m 3 |
|
Vonné sloučeniny (20) |
||
|
Alkany (13) |
4-1 nebo méně |
|
|
izoalkany (9) |
4-1 nebo méně |
|
|
cykloalkany (3) |
||
|
Alkoholy (8) |
||
|
Ketony (7) |
||
|
Estery (3) |
||
|
Chlorované uhlovodíky (9) |
2-1 nebo méně |
2-1 nebo méně |
|
terpeny (5) |
3-1 nebo méně |
|
|
Celkem VOC (59) |
Další experiment byl proveden v platebním centru poblíž velkého mezinárodního letiště (Visa, Curych), kde jsou úředníci vystaveni výfukovým plynům letadel a pozemních vozidel. Hladiny tří VOC byly měřeny kvantitativně s ionizací a bez ionizace (tabulka IV). Byl zaznamenán významný pokles škodlivých pachů způsobených nedokonalým spalováním paliva.
Tabulka IV. Objekt B. Turistické centrum.
V současné době probíhají další studie zaměřené na získání kvantitativních výsledků o eliminaci specifických kontaminantů v různých oblastech použití. Nesystematické informace jsou také shromažďovány od pracovníků a manažerů podniků, kteří zaznamenávají výrazné snížení množství kouře a nepříjemných pachů a celkové zlepšení kvality vnitřního ovzduší.
Ionizace vzduchu: kam jdeme...
Vliv fyzikálních sil, stavu agregace a hmotnosti nejen na výsledek, ale i na způsob přeměny jednoho druhu hmoty na jiný - podmínky chemické přeměny jsou v kostce pro chemika naléhavým problémem, který se teprve nedávno začal experimentálně zkoumat. Existuje mnoho obtíží, které sledují tuto linii výzkumu, ale nejdůležitější z nich je, že je obtížné najít reakci, která je svou povahou jednoduchá, vyskytující se mezi látkami, které by mohly být přijímány v čisté formě, a poskytující produkty, které by mohly být přesně definovat.
Technologie čištění vzduchu zahrnují: (I) fyzikální, (II) fyzikálně-chemické a/nebo (III) elektronické procesy nebo jejich kombinace (tabulka IV). Filtrace PM zahrnuje fyzikální nebo mechanické shromažďování částic na porézním nebo vláknitém materiálu. Mechanismy odstraňování jsou kolize, usazování (usazování) a difúze. Filtrace plynné fáze zahrnuje sorpci VOC na pevném povrchu s možnými chemickými reakcemi. Chemisorbenty jsou impregnovány reaktivními složkami, jako jsou kyseliny, zásady nebo redukční činidla, nebo katalyzátory nebo fotokatalyticky aktivní materiály.
Elektronické čističky vzduchu lze dále klasifikovat podle typu ionizace a způsobu provozu. Bipolární zařízení pro ionizaci vzduchu jsou nejjednodušší, zatímco jiná používají různé plazmové a korónové výboje. Tato zařízení generují shluky záporných a/nebo kladných iontů. Tyto ionty nabíjejí PM, což usnadňuje filtraci. Klastrové ionty také chemicky reagují a ničí VOC. Ačkoli je tento proces podobný mnoha známým oxidačním procesům, je nicméně jemnější a složitější. Může se provádět při teplotě místnosti bez přítomnosti pevných katalyzátorů. Ionizátory vzduchu se liší od elektrostatických filtrů v tom, že PM jsou elektricky nabité přímým kontaktem se vzduchovými ionty spíše než kontaktem s elektricky nabitým povrchem. Ionizátory vzduchu se od generátorů ozonu liší také tím, že aktivní částice jsou spíše shluky záporných nebo kladných iontů než ozón, který je regulován ve vnitřním vzduchu ze zdravotních důvodů.
Technologie ionizace vzduchu, i když je dobře vyvinuta, teprve nyní nachází uplatnění při čištění vzduchu od VOC a PM, od kontroly elektrostatických výbojů v citlivých procesních operacích až po ničení nebezpečných látek znečišťujících ovzduší. Související technologie zahrnují oxidaci v pulzních korónových reaktorech a dalších netepelných plazmových zařízeních. Ionizační čištění vzduchu má mnoho výhod: zničení, přeměna a odstranění potenciálně nebezpečných VOC a PM; rozšířený a zlepšený výkon konvekčních technologií (filtrace a adsorpce); nízká spotřeba energie; minimální depozice PM na vnitřních površích; méně nebezpečná činidla a vedlejší produkty; a potenciál pro lepší zdraví.
Tabulka V. Porovnání systémů čištění vzduchu
|
Bipolární ionizace vzduchu |
Generování ozonu |
Elektrostatický sběr prachu |
Filtrace v plynné fázi |
Filtrace |
|
|
Funkční |
Elektronický |
Elektronický |
Elektronický |
Fyzikálně-chemické |
Fyzický |
|
Tichý výboj |
Bariérový výboj |
Vysokonapěťová síť a deska |
Selektivní sorpce a reakce |
Ploché, skládané filtry, VEVF |
|
|
Generování (+) a (-) iontů |
Generování ozonu |
Náboj suspendovaných částic |
Sorpce a reakce |
Usazování částic na porézním povrchu |
|
|
Aktivní částice |
Bipolární ionty a radikály (О 2 .-) |
Nabité částice |
Místa sorpce a reakcí |
Velká plocha |
|
|
produkty |
CO 2, H 2 O, zvětšené částice |
CO2, H20, O3 |
Zvětšené částice |
Snížení množství VOC |
Snížení PM |
|
Vedlejší produkty |
Minimální množství, asi 3, pokud není kontrolováno |
Významné množství O 3, |
Asi 3, pokud se nečistí pravidelně |
Použitý plnič s nečistotou |
Použité filtry s nečistotami |
|
Zdravotní péče |
Omezení O 3 |
Expozice ozónu |
Vystavení vysokému napětí a ozónu |
Akumulace, skladování, eliminace |
Vyjmutí špinavých filtrů |
|
Chemická oxidace |
Chemická oxidace |
Sorpce VOC na PM |
Adsorpce / absorpce |
||
|
Přilnavost |
Akumulace na waferech |
Akumulace v plnivu |
Konsolidace, sedimentace, difúze |
||
|
Oxidace |
Oxidace |
Adsorpce / absorpce |
|||
|
Deaktivace |
Deaktivace |
Sotva kdy |
Sotva kdy |
||
|
Řízení |
Ionty na vyžádání |
Konstantní generace |
Návrh procesu |
Návrh procesu |
Návrh procesu |
|
Cena |
Mírný |
Mm Hg. Umění. Kg. Kg. W = kg/h Výkon zvlhčovače |
Na struktuře atomu závisí jeho poloměr, ionizační energie, elektronová afinita, elektronegativita a další parametry atomu. Elektronické obaly atomů určují optické, elektrické, magnetické a hlavně - chemické vlastnosti atomů a molekul, stejně jako většinu vlastností pevných látek.
Magnetické vlastnosti atomu
Elektron má svůj vlastní magnetický moment, který je kvantován ve směru rovnoběžném nebo opačném k aplikovanému magnetickému poli. Pokud dva elektrony okupující jeden orbital mají opačné spiny (podle Pauliho principu), pak se navzájem ruší. V tomto případě se říká, že elektrony spárované... Atomy s pouze párovými elektrony jsou vytlačeny z magnetického pole. Takové atomy se nazývají diamagnetické... Atomy, které mají jeden nebo více nepárových elektronů, jsou vtahovány do magnetického pole. Říká se jim diamagnetické.
Magnetický moment atomu, který charakterizuje intenzitu interakce atomu s magnetickým polem, je prakticky úměrný počtu nepárových elektronů.
Vlastnosti elektronové struktury atomů různých prvků se odrážejí v takových energetických charakteristikách, jako je ionizační energie a elektronová afinita.
Ionizační energie
Energie (potenciál) ionizace atomu E i je minimální energie potřebná k odstranění elektronu z atomu do nekonečna v souladu s rovnicí
X = X + + E −
Jeho hodnoty jsou známé pro atomy všech prvků periodické tabulky. Například ionizační energie atomu vodíku odpovídá přechodu elektronu z 1 s- energetická podhladina (−1312,1 kJ / mol) do podhladiny s nulovou energií a rovná se +1312,1 kJ / mol.
Při změně prvních ionizačních potenciálů odpovídajících odstranění jednoho elektronu z atomů je periodicita jasně vyjádřena zvýšením atomového čísla:
Při pohybu zleva doprava po periodě se obecně ionizační energie postupně zvyšuje, zatímco se zvyšujícím se pořadovým číslem ve skupině klesá. Alkalické kovy mají minimální první ionizační potenciál a vzácné plyny maximální.
U stejného atomu se vždy zvyšuje druhá, třetí a následující ionizační energie, protože elektron musí být odtržen od kladně nabitého iontu. Například pro atom lithia je první, druhá a třetí ionizační energie 520,3, 7298,1 a 11814,9 kJ/mol, v tomto pořadí.
Sekvence odlučování elektronů je obvykle opakem sekvence osídlování orbitalů elektrony v souladu s principem minimální energie. Nicméně prvky, které jsou obsazeny d-orbitaly jsou vyjimkou - zaprve neztrácejí d-, a s-elektrony.
Elektronová afinita
Afinita atomu k elektronu A e - schopnost atomů připojit další elektron a přeměnit se v negativní iont. Měřítkem afinity elektronů je v tomto případě energie, která se uvolní nebo absorbuje. Elektronová afinita je rovna ionizační energii negativního iontu X -:
X- = X+ E −
Atomy halogenu mají největší afinitu k elektronu. Například u atomu fluoru je přidání elektronu doprovázeno uvolněním 327,9 kJ / mol energie. U řady prvků je elektronová afinita blízká nule nebo záporná, což znamená nepřítomnost stabilního aniontu pro tento prvek.
Obvykle se elektronová afinita k atomům různých prvků snižuje paralelně s nárůstem jejich ionizační energie. Existují však výjimky pro některé dvojice prvků:
| Živel | Ei, kJ / mol | A E, kJ / mol |
| F | 1681 | −238 |
| Cl | 1251 | −349 |
| N | 1402 | 7 |
| P | 1012 | −71 |
| Ó | 1314 | −141 |
| S | 1000 | −200 |
Vysvětlení pro to lze poskytnout na základě menších rozměrů prvních atomů a většího odpuzování elektronů v nich.
Elektronegativita
Elektronegativita charakterizuje schopnost atomu chemického prvku vytlačit elektronový mrak v jeho směru při vzniku chemické vazby (směrem k prvku s vyšší elektronegativitou). Americký fyzik Mulliken navrhl definovat elektronegativitu jako aritmetický průměr mezi ionizačním potenciálem a elektronovou afinitou:
χ = 1/2 ( Ei + A E)
Obtížnost použití této metody spočívá v tom, že hodnoty elektronové afinity nejsou známy pro všechny prvky.
Objevy radioaktivity potvrdily složitost struktury nejen atomů, ale i jejich jader. V roce 1903 E. Rutherford a F. Soddy navrhli teorii radioaktivního rozpadu, která radikálně změnila staré názory na strukturu atomů. V souladu s touto teorií dochází k samovolnému rozpadu radioaktivních prvků za uvolňování α- nebo β-částic a vzniku atomů nových prvků, které jsou chemicky odlišné od původních. V tomto případě je zachována stabilita hmoty jak výchozích atomů, tak atomů vzniklých v důsledku průběhu procesu rozpadu. E. Rutherford v roce 1919 poprvé zkoumal umělou přeměnu jader. Při bombardování atomů dusíku α-částicemi uvolnil jádra atomů vodíku (protony) a atomy nuklidu kyslíku. Takové přeměny se nazývají jaderné reakce, protože jádra atomů jiných prvků se získávají z jader atomů jednoho prvku. Jaderné reakce se zapisují pomocí rovnic. Takže jaderná reakce diskutovaná výše může být zapsána takto:
Definici jevu radioaktivity lze uvést pomocí pojmu izotopy: radioaktivita je přeměna nestabilních jader atomů jednoho chemického prvku na jádra atomů jiného prvku, která je doprovázena uvolňováním elementárních částic. Radioaktivita, kterou vykazují izotopy prvků, které existují v přírodě, se nazývá přirozená radioaktivita. Rychlost radioaktivních přeměn je pro různé izotopy různá. Je charakterizována konstantou radioaktivního rozpadu, která ukazuje, kolik atomů radioaktivního nuklidu se rozpadne za 1 s. Bylo zjištěno, že počet atomů radioaktivního nuklidu, který se rozpadne za jednotku času, je úměrný celkovému počtu atomů tohoto nuklidu a závisí na hodnotě konstanty radioaktivního rozpadu. Pokud se například během určitého období rozpadla polovina z celkového počtu atomů radioaktivního nuklidu, pak se v dalším takovém období rozpadne polovina zbytku, tedy o polovinu méně než v předchozím období atd.
Životnost radioaktivního nuklidu je charakterizována poločasem rozpadu, tedy takovou dobou, za kterou se rozpadne polovina původního množství tohoto nuklidu. Například poločas rozpadu radonu je 3,85 dne, radia je 1620 let a Uranu je 4,5 miliardy let. Jsou známy takové typy radioaktivních přeměn: α-rozpad, β-rozpad, spontánní (sebeiniciované) štěpení jader. Tyto typy radioaktivních přeměn jsou doprovázeny uvolňováním α-částic, elektronů, pozitronů, γ záření. V procesu α-rozpadu jádro atomu radioaktivního prvku uvolní jádro atomu helia, v důsledku čehož se náboj jádra atomu původního radioaktivního prvku sníží o dvě jednotky a hmotnostní číslo čtyři. Například přeměny atomu radia na atom radonu lze zapsat rovnicí
Jadernou reakci β-rozpadu, která je doprovázena uvolňováním elektronů, pozitronů nebo strháváním orbitálních elektronů, lze také zapsat rovnicí
kde e je elektron; hν je kvantum γ záření; ν o je antineutrino (elementární částice, jejíž klidová hmotnost a náboj jsou rovny nule).
Možnost β-rozpadu je spojena s tím, že v souladu s moderními koncepcemi se neutron může za určitých podmínek přeměnit na proton, přičemž se uvolní elektron a antineutrino. Proton a neutron jsou dva stavy téže jaderné částice – nukleonu. Tento proces lze znázornit diagramem
Neutron -> Proton + Elektron + Antineutrino
V procesu β-rozpadu atomů radioaktivního prvku jeden z neutronů, který je součástí atomového jádra, uvolňuje elektron a antineutrino a mění se na proton. V tomto případě se kladný náboj jádra zvýší o jednu. Tento typ radioaktivního rozpadu se nazývá elektronický - rozpad (β - rozpad). Pokud tedy jádro atomu radioaktivního prvku uvolní jednu α-částici, pak se získá jádro atomu nového prvku s protonovým číslem o dvě jednotky méně, a když se uvolní β-částice, vznikne jádro o nový atom s protonovým číslem jedna větším, než má původní. To je podstata Soddy-Faience zákona vymístění. Atomová jádra některých nestabilních izotopů mohou uvolňovat částice, které mají kladný náboj +1 a hmotnost blízkou elektronu. Tato částice se nazývá pozitron. Takže možná přeměna protonu na neutron podle schématu:
Proton → Neutron + Pozitron + Neutrino
Přeměna protonu na neutron je pozorována pouze tehdy, když je nestabilita jádra způsobena nadbytečným obsahem protonů v něm. Poté se jeden z protonů změní v neutron a pozitron a neutrina, které při tomto procesu vznikají, vyletí z jádra; jaderný náboj se sníží o jednu. Tento typ radioaktivního rozpadu se nazývá pozitronový rozpad (β + -rozpad). Takže v důsledku β-rozpadu jádra atomu radioaktivního prvku se získá atom prvku, který je posunut o jedno místo doprava (β-rozpad) nebo doleva (β+-rozpad) od původní radioaktivní prvek. Snížení náboje jádra radioaktivního atomu o jednu může být způsobeno nejen rozpadem β +, ale také elektronovým odporem, v důsledku čehož je jeden z elektronů elektronové koule nejblíže jádru zachycen tzv. jádro. Tento elektron s jedním z protonů jádra tvoří neutron: e - + p → n
Teorie struktury atomového jádra byla vyvinuta ve 30. letech XX. Ukrajinští vědci D.D. Ivaněnko a E.M. Gapon, stejně jako německý vědec W. Heisenberg. Podle této teorie jsou jádra atomů složena z kladně nabitých protonů a elektricky neutrálních neutronů. Relativní hmotnosti těchto elementárních částic jsou téměř stejné (hmotnost protonu je 1,00728, hmotnost neutronu je 1,00866). Protony a neutrony (nukleony) jsou v jádře obsaženy velmi silnými jadernými silami. Jaderné síly působí pouze na velmi malé vzdálenosti - řádově 10 -15 m.
Energie, která se uvolňuje při vzniku jádra z protonů a neutronů, se nazývá vazebná energie jádra a charakterizuje jeho stabilitu.
