Mekanokemi

Mekanokemi (eller mekanisk kemi ) är initieringen av kemiska reaktioner av mekaniska fenomen. Mekanokemi representerar alltså ett fjärde sätt att orsaka kemiska reaktioner, som kompletterar termiska reaktioner i vätskor, fotokemi och elektrokemi . Konventionellt fokuserar mekanokemi på omvandlingar av kovalenta bindningar genom mekanisk kraft. Inte täckt av ämnet är många fenomen: fasövergångar, dynamik hos biomolekyler (dockning, vikning) och sonokemi .

Mekanokemi är inte detsamma som mekanosyntes , som specifikt hänvisar till den maskinstyrda konstruktionen av komplexa molekylära produkter.

I naturliga miljöer induceras mekanokemiska reaktioner ofta av fysiska processer som jordbävningar, glaciärrörelser eller hydraulisk påverkan av floder eller vågor. I extrema miljöer som subglaciala sjöar kan väte som genereras av meknokemiska reaktioner som involverar krossade silikatstenar och vatten stödja metanogena mikrobiella samhällen. Och mekanokemi kan ha genererat syre i den antika jorden genom att vatten splittras på spruckna mineralytor vid höga temperaturer, vilket potentiellt kan påverka livets ursprung eller tidiga evolution.

Historia

Det primära mekanokemiska projektet var att göra upp eld genom att gnugga träbitar mot varandra, skapa friktion och därmed värme, vilket utlöste förbränning vid förhöjd temperatur. En annan metod involverar användningen av flinta och stål , under vilken en gnista (en liten partikel av pyrofor metall) spontant förbränns i luften och startar eld omedelbart.

Industriell mekanokemi började med malning av två fasta reaktanter. Kvicksilversulfid (mineralet cinnober ) och kopparmetall reagerar därigenom för att producera kvicksilver och kopparsulfid:

HgS + 2Cu → Hg + _Cu2S

Ett specialnummer av Chemical Society Review ägnades åt mekanokemi.

Forskare insåg att mekanokemiska reaktioner inträffar naturligt i miljöer på grund av olika processer, och reaktionsprodukterna har potential att påverka mikrobiella samhällen i tektoniskt aktiva regioner. Fältet har fått ökad uppmärksamhet nyligen eftersom mekanokemi har potential att generera olika molekyler som kan stödja extremofila mikrober, påverka livets tidiga utveckling, utveckla de system som är nödvändiga för livets ursprung eller stödja främmande livsformer. Fältet har nu inspirerat till initieringen av ett särskilt forskningsämne i tidskriften Frontiers in Geochemistry.

Mekaniska processer

Naturlig

Jordbävningar krossar stenar över jordens underyta och på andra tektoniskt aktiva planeter. Floder sliter också ofta på stenar och avslöjar färska mineralytor och vågor vid en strand eroderar klippor spricker stenar och sliter sediment.

På samma sätt som floder och hav, bevisas den mekaniska kraften hos glaciärer av deras inverkan på landskap. När glaciärer rör sig nedåt, sliter de på stenar, vilket skapar spruckna mineralytor som kan delta i mekanokemiska reaktioner.

Onaturlig

I laboratorier används vanligtvis planetkulkvarnar för att framkalla krossning för att undersöka naturliga processer.

Mekanokemiska transformationer är ofta komplexa och skiljer sig från termiska eller fotokemiska mekanismer. Kulfräsning är en mycket använd process där mekanisk kraft används för att åstadkomma kemiska omvandlingar.

Det eliminerar behovet av många lösningsmedel, vilket ger möjligheten att mekanokemi kan bidra till att göra många industrier mer miljövänliga. Till exempel har den mekanokemiska processen använts för att syntetisera farmaceutiskt attraktiva fenolhydrazoner .

Kemiska reaktioner

Mekanokemiska reaktioner omfattar reaktioner mellan mekaniskt spruckna fasta material och andra reaktanter som finns i miljön. Naturliga mekanokemiska reaktioner involverar emellertid ofta reaktionen mellan vatten och krossat berg, så kallade vatten-bergreaktioner. Mekanokemi initieras vanligtvis av brytningen av bindningar mellan atomer inom många olika mineraltyper.

Silikater

Silikater är de vanligaste mineralerna i jordskorpan och utgör därför den mineraltyp som oftast är involverad i naturliga mekanokemiska reaktioner. Silikater består av kisel- och syreatomer, vanligtvis arrangerade i kiseltetraedrar. Mekaniska processer bryter bindningarna mellan kisel- och syreatomerna. Om bindningarna bryts av en homolytisk klyvning genereras oparade elektroner:

≡Si–O–Si≡ → ​​≡Si–O• + ≡Si•

≡Si–O–O–Si≡ → ​​≡Si–O• + ≡Si–O•

≡Si–O–O–Si≡ → ​​≡Si–O–O• + ≡Si•

Vätgasgenerering

Reaktionen av vatten med kiselradikaler kan generera väteradikaler:

2≡Si• + 2H2O _→ 2≡Si–O–H + 2H•

2H• → H ₂

Denna mekanism kan generera H2 för att stödja metanogener i miljöer med få andra energikällor. Men vid högre temperaturer (~>80 °C) reagerar väteradikaler med siloxylradikaler, vilket förhindrar genereringen av H2 genom denna mekanism:

≡Si–O• + H• → ≡Si–O–H

2H• → H ₂

Generering av oxidanter

När syre reagerar med kisel eller syreradikaler på ytan av krossade stenar, kan det kemiskt adsorbera till ytan:

≡Si• + O ₂ → ≡Si–O–O•

≡Si–O• + O ₂ → ≡Si–O–O–O•

Dessa syreradikaler kan sedan generera oxidanter som hydroxylradikaler och väteperoxid:

≡Si–O–O• + H ₂ O → ≡Si–O–O–H + •OH

2• OH _{→ H2O2}

Dessutom kan oxidanter genereras i frånvaro av syre vid höga temperaturer:

≡Si–O• + H2O _→ ≡Si–O–H + •OH

2• OH _{→ H2O2}

H2O2 bryts ner naturligt i miljöer för att bilda vatten och syregas:

2H2O2 → _2H2O + _{O2 _} _ _{_}

Industriapplikationer

Grunder och tillämpningar från nanomaterial till teknik har granskats. Metoden har använts för att syntetisera metalliska nanopartiklar , katalysatorer , magneter , γ-grafyn , metalljodater , nickel-vanadinkarbid och molybden-vanadinkarbid nanokompositpulver.

Kulmalning har använts för att separera kolvätegaser från råolja. Processen använde 1-10 % av energin från konventionell kryogenik. Differentialabsorptionen påverkas av fräsintensitet, tryck och varaktighet. Gaserna återvinns genom uppvärmning, vid en specifik temperatur för varje gastyp. Processen har framgångsrikt bearbetat alkyn- , olefin- och paraffingaser med bornitridpulver .

Lagring

Mekanokemi har potential för energieffektiv lagring av väte, ammoniak och andra bränslegaser i fast tillstånd. Det resulterande pulvret är säkrare än konventionella metoder för komprimering och kondensering.

Se även

• Embryonala differentieringsvågor
• Mekanoluminescens
• Tribologi

Vidare läsning

•   Boulatov, Roman, red. (2015). Polymermekanokemi . Springer. ISBN 978-3-319-22824-2 .
• Lenhardt, JM; Ong, MT; Choe, R.; Evenhuis, CR; Martinez, TJ; Craig, SL, fånga ett diradikalt övergångstillstånd genom mekanisk polymerförlängning. Science 2010, 329 (5995), 1057-1060