کشف نوع جدیدی از واکنش‌های شیمیایی

[_Lσѕт_]

بیگ بنگ: دو محقق از دانشگاه کلمبیا و آزمایشگاه ملی آرگون موفق به کشف دسته ­ای کاملا جدید از واکنش ­های شیمیایی با نام واکنش­ های سه ­مولکولی شیمیایی شدند که در آن، سه مولکول مختلف در فرایندهای تشکیل و یا شکست پیوند مشارکت دارند.

به گزارش بیگ بنگ، فرضیه واکنش­ های سه­ مولکولی شیمیایی نخستین بار در دهه ۱۹۲۰ میلادی توسط سر سایریل نورمن هینشلوود و نیکلای نیکلایویچ سمیونوف در خلال مطالعات بر روی واکنش­ های زنجیره­ای ارائه شد.(آنها جایزه نوبل شیمی را در سال ۱۹۵۶ بدست آوردند) شیمیدان­ ها مدت­ زیادی این واکنش ­ها را بی­ اهمیت می­ دانستند(به فرض اینکه این واکنش­ ها اتفاق می­ افتادند) و تا به امروز در این زمینه تحقیقاتی انجام گرفته نشده بود.

تصمیم محقق دانشگاه کلمبیا، دکتر مایکل برک مبنی بر انجام تحقیقات بر روی این مسئله زمانی از سوی او گرفته شد که او متوجه شد در احتراق­ های معمولی مثل احتراق در بسیاری از موتورها، مقادیر زیادی از مولکول­ های بسیار انفعالی(دارای تمایل زیاد برای واکنش) به نام رادیکال­ های آزاد وجود دارد که این واکنش ­ها را ممکن می­ سازند. دکتر برک در این باره گفت: «فرایند احتراق از ابتدا، نقطه آغازی برای درک دیگر مکانیزم ­های شیمیایی بود»

او اضافه کرد: «بصورت بالقوه امکان وجود واکنش­های شیمیایی بی­شماری در این نوع جدید از واکنش ­ها وجود دارد که می ­تواند زمینه ­های مدل­سازی حالت شیمیایی گاز، طراحی موتورهای جدید گرفته تا واکنش­ های شیمیایی تشکیل ابر در سیاره زمین، تغییرات اقلیمی، سیر تکامل مواد آلوده ­کننده و حتی توالی واکنش­ هایی که ممکن است در ایجاد شرایط حیات فرازمینی دخیل باشند را با تغییرات عظیمی مواجه سازد. کشف ما دنیای جدیدی از احتمالات را بر روی بشر باز می ­کند. برای مثال، وسایل نقلیه فضایی در زمان بازگشت به زمین با دمای بسیار بالا و مواد رادیکال مواجه هستند. این دسته چهارم از واکنش ­ها می­ تواند در جریان گرمای برخوردی با فضاپیما تغییر ایجاد کند و در زمینه ساخت سیستم ­های محافظت گرمایی برای فضانوردان و/یا محموله­ های باری در زمان فرودشان به زمین، کمک شایانی کند.»

دکتر برک با همکاری شیمیدان نظری آزمایشگاه ملی آرگون، دکتر استفان کلیپنشتاین از روش­ های محاسباتی استفاده کرد و محاسبات شیمیایی کوانتومی شبیه ­ساز شکست و تشکیل پیوندهای شیمیایی میان مولکول­ های واکنش­ دهنده را با محاسبات انتقال جنبشی شبیه ­ساز واکنش ­ها و حرکات گازهای  بالک(bulk) که در عملکرد وسایل مهندسی نقش بسزایی دارد، ادغام کرد.

دکتر برک اظهار داشت: «محاسبات ما بر اساس داده­ های محاسباتی تولید شده از قوانین اولیه­ ای مانند معادله شرودینگر می­باشند که یک معادلۀ پایۀ مکانیک کوانتوم است. ادغام این داده­ ها با مدل­ های بر پایه علم فیزیک ما را قادر می­ سازد که مستقیما اثر تنها یک واکنش­ را بیابیم. انجام این کار در آزمایشگاه بسیار دشوار می­ باشد. تیم تحقیقاتی ثابت کرد که این واکنش ­های سه ­مولکولی شیمیایی نه تنها گذرگاه ­­های شیمیایی مهمی هستند بلکه می ­توانند بر روی میزان سرعت گسترش آتش، که مقیاسی برای اندازه ­گیری میزان انفعال سوخت(این عامل نقش مهمی در عملکرد، پایداری و کارآمد بودن بسیاری از موتورهای مدرن دارد) تاثیر بگذارند.

تا به امروز، سه نوع واکنش مورد مطالعه قرار گرفته شده است:

۱-واکنش ­های تک مولکولی، که در آن یک واکنش­گر شکست یا تشکیل پیوند را به منظور تولید ماده جدید انجام می­ دهد.

۲-واکنش­ های دو مولکولی، که در آن دو واکنش­گر با یکدیگر برخورد کرده و عمل شکست یا تشکیل پیوند را به منظور تولد ماده جدید انجام می­ دهند.

۳-واکنش­ های شبه سه مولکولی، که در آن دو واکنش­گر با مولکول سومی به منظور تشکیل یک مجموعۀ مولکولی با ایجاد یک پیوند شیمیایی جدید میان دو واکنش­گر و یک مولکول سوم، برخورد می­ کنند که در این واکنش مقداری از انرژی جنبشی داخلی مولکول سوم کاسته می­ شود تا این مولکول ثابت بماند. (این مولکول bath gas نامیده می­ شود)

نویسندگان مقاله در این باره اظهار داشتند: «مولکول سوم معمولا منفعل و یا غیرفعال است و در هیچ واکنش شکست و تشکیل پیوندی شرکت نمی ­کند اما در عوض مقداری از انرژی مجموعۀ مولکولی را کاهش می­ دهد. اگر مجموعه مولکولی با یک مولکول غیرمنفعل(واکنشی) برخورد کند که قابلیت شرکت در فرایند شکست/تشکیل پیوند را داشته باشد، واکنش مورد نظر همان “واکنش سه مولکولی شیمیایی” می­ باشد.»

دکتر برک در این باره اضافه کرد: «ما اهمیت واکنش­ مولکول­های H و O[sub]2[/sub] با دیگر گونه­ های رادیکال مانند واکنش H + O[sub]2[/sub] + HH،در فرایند احتراق را نشان دادیم. گرچه با توجه به این مسئله که مولکول­ های انفعالی  مانند رادیکال ­های آزاد و مولکول اکسیژن، عوامل مهم فرایند احتراق هستند، احتمال زیادی دارد که دیگر واکنش­ های سه مولکولی شیمیایی اتفاق افتاده و نقش مهمی را در دیگر فرایندها و محیط ­ها اجرا کنند.» مطالعات فوق در مجله دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.
Nature Chemistry  منتشر شده است.