Hiilen ja vedyn reaktioita (1)

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Hiilen ja vedyn reaktioita (1)"

Ella Seppälä
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Hiilen ja vedyn reaktioita (1) Hiilivetyjen tuotanto alkaa joko säteilevällä yhdistymisellä tai protoninvaihtoreaktiolla C + + H 2 CH hν C + H + 3 CH+ + H 2 Huom. Reaktio C + + H 2 CH + + H on endoterminen, koska H 2 :n dissosiaatioenergia (4.48 ev) on suurempi kuin CH + :n (4.09 ev) Tämän jälkeen on useita vaihtoehtoja, esim. CH H 2 CH H CH e CH + H

2 Hiilen ja vedyn reaktioita (2) Metaani: CH H 2 CH hν CH e CH 4 + H CH:n tuhoutuminen: CH + O CO + H CH + N CN + H Kohti monimutkaisempia hiilivetyjä: C + + CH n+1 C 2 H + n + H C 2 H + n + e C 2 H n 1 + H C 2 H + n + H 2 C 2 H + n+1 + H

3 Hapen ja hiilen reaktioita Hiilimonoksidi on yleisin molekyyli H 2 :n jälkeen. Pääasiallinen syntymekanismi on luultavasti seuraava: C + + OH CO + + H CO + + H 2 HCO + + H HCO + + e CO + H

4 Typen reaktioita (1) Typen kemia alkaa hitailla reaktioilla (potentiaalivalli): N + OH NO + H N + NO N 2 + O N 2 dissosioituu helposti UV-säteilyn vaikutuksesta. Johdannaisia: NH 3 ja N 2 H +.

5 Typen reaktioita (2) N OH H + 2 NO N He + N 2 H + H+ 3 N 2 e He + N + NH + NH + 2 NH + 3 NH + 4 H 2 H 2 H 2 H 2 e NH 3 NH N + :n muodostuminen: N 2 + He + N + + N + He NO + He + N + + O + He

6 Reaktiotyyppeja: ioni-molekyylireaktiot (1) Kosmisten hiukkasten aiheuttama ionisaatio, esim. H 2 + c.r. H e + c.r. -tyypillinen ionisaationopeus ζ s 1, voi vaihdella alueesta toiseen Ioni-molekyylireaktio, esim. O + + H 2 OH + + H Melko nopea jos eksoterminen eikä potentiaalivallia (kuten on laita esimerkkireaktiossa, dissosiaatioenergiat: H 2 (4.48 ev), OH + (5.1 ev))

7 Ioni-molekyylireaktiot (2) ( ) 1 Törmäyskerroin k = 2πq α 2 µ 10 9 cm 3 s 1, riippuu neutraalin partnerin polarisoituvuudesta α ja redusoidusta massasta µ Joidenkin atomien ja molekyylien α-arvoja (eri suuntien keskiarvoja) yksiköissä cm 3 : α α α α H H H 2 O 1.40 C 2 H He 0.20 N CO NH N 1.13 O SO CH O 0.77 CO 1.95 HCN 2.59 C 2 H Na 24.8 CN 2.59 HNC 2.46

8 Ioni-molekyylireaktiot (3) Protoninsiirtoreaktio, esim. H H 2 H H, H O OH+ + H 2 tapahtuu yleensä, jos reaktio on eksoterminen. Tämä voidaan laskea vertaamalla protoniaffiniteetteja, joista muutamia on lueteltu alla: H 2.69 ev H ev CO 6.20 ev He 1.82 NO 4.99 C 6.46 CH 7.59 C N 4.21 NH 6.12 N O 5.03 OH 6.25 O S 6.81 SH 7.16 CS 7.57

9 Ioni-molekyylireaktiot (3) Varauksenvaihtoreaktio, esim. H + + O O + + H, C + + NO NO + + C -tyypillinen reaktionopeusvakio k 10 9 cm 3 s 1, onnistuu helpommin moniatomisille molekyyleille Ionisaatiopotentiaaleja: H 13.6 ev H ev CO 14.0 ev CN 14.5 ev He 24.6 NO 9.3 NH C 11.3 CH 10.6 C CH N 14.6 NH 13.1 N H 2 CO 10.9 O 13.6 OH 13.0 O H 2 O 12.6 S 10.4 SH 10.5 CS 11.8

10 Reaktiotyyppejä: säteilevä yhdistyminen (1) Säteilevä yhdistyminen, esim. C + + H 2 CH hν Reaktio voidaan esittää muodossa A + B k 1 k 1 AB k 2 AB + hν, AB missä AB on kompleksin AB virittynyt tila, k cm 3 s 1 on neutraalien hiukkasten tyypillinen törmäyskerroin, k s 1 vuorovaikutusajan käänteisluku, ja k s 1 säteilysiirtymän todennäköisyys.

11 Reaktiotyyppejä: säteilevä yhdistyminen (2) Molekyylin AB muodostumisnopeus on k 1 k 2 k 2 + k 1 n(a)n(b). Kaksiatomisille molekyyleille AB kokonaisreaktion kerroin on hyvin pieni k AB cm 3 s 1, koska energia ei ehdi poistua systeemistä ennen hajoamista. Moniatomisille molekyleille vuorovaikusaika on useita kertalukuja pidempi, jolloin k 1 on vastaavasti pienempi. Näiden osallistuessa reaktioon säteilevän yhdistymisen reaktionopeusvakio on samaa luokkaa kuin ioni-molekyylireaktioille, k AB 10 9 cm 3 s 1

12 Reaktiotyyppejä: neutraalit vaihtoreaktiot (1) Neutraalit vaihtorektiot, esim. O + OH O 2 + H Yleensä mahdollisia, jos eksotermisiä. Karkean arvion reaktion toteutumisesta saa tarkastelemalla perustilan dissosiaatioenergioja. H ev H ev CH 3.47 CH CO 11.1 ev C ev C ev NH < 3.47 NH NO 6.50 N N OH 4.39 OH SO 5.36 O O SH 3.6 SH NS 4.8 S S

13 Reaktiotyyppejä: neutraalit vaihtoreaktiot (2) ( Hiukkasten törmäyskerroin k T µ missä µ on redusoitu massa ) 1 2 (hiukkasen vauhti Maxwellin nopeusjakaumassa v = cm 3 s 1, 8kT πm ) Jos reaktion täytyy ylittää potentiaalivalli E a (aktivaatioenergia) reaktionopeuskerroin on muotoa k = AT 1 2 e E a/kt

14 Reaktiotyyppejä: hajottava rekombinoituminen (1) Hajottava rekombinoituminen, esim. HCO + + e CO + H -nopea, k cm 3 s 1 -kontrolloi ionisaatioastetta tähtienvälisessä aineessa ja sitä kautta ioni-molekyylikemian edistymistä Tässäkin syntyy aluksi virittynyt tila: AB + + e AB, kun törmäävä elektroni virittää ionin AB + elektronin ja täyttää vapaan orbitaalin. Jos tila on repulsiivinen, molekyylin ytimet lähtevät erilleen. Myös käänteinen reaktio, autoionisaatio, AB AB + + e on mahdollinen, mutta epätodennäköinen.

15 Reaktiotyyppejä: hajottava rekombinoituminen (2) Dissosiaation edellytyksenä on että neutraalilla molekyylilla AB on monia repulsiivisia tiloja lähellä alkuperäistä AB + -ionin tilaa. Dissosiaation reaktionopeusvakio, k DR T p, missä p 0.5, eli reaktionopeus kasvaa kun lämpötila laskee. Käyttäytyminen on tässä suhteessa päinvastainen kuin neutraaleille reaktioille.

16 Reaktiotyyppejä: anionireaktiot (1) Anionireaktiot, esim. H + e H + hν H + H H 2 + e Tämä on nopein H 2 :n muodostumistapa kaasufaasissa. Ensimmäinen reaktio on hidas, jälkimmäisen nopeusvakio luokkaa k 10 9 cm 3 s 1. Wiio & Somerikko: Nuorten Radiokirja (mutta rouva Vety Ydin ei aina ole uskollinen)

17 Reaktiotyyppejä: anionireaktiot (2) Ylläkuvatussa reaktiossa tapahtuu ensin elektronin säteilevä kiinnittyminen (radiative attachment) ja sen jälkeen elektroni irtoaa anionin ja neutraalin yhdistyessä, H + H, (associative detachment). Säteilevä kiinnittyminen on hidas, k cm 3 s 1, koska törmäysaika on lyhyt verrattuna säteilysiirtymän todennäköisyyteen (vrt. säteilevä yhdistyminen). Muita anioinireaktioita ovat fotoni-irrotus: X + hν X + e (photodetachment) sekä anionin ja kationin neutraloituminen X + Z + XZ (mutual neutralization).

Samankaltaiset tiedostot

Vetymolekyylin energiatilat

Vetymolekyylin energiatilat Vetymolekyyli H 2 Maailmankaikkeuden ensimmäinen ja yleisin neutraali molekyyli Tiheiden tähtienvälisen pilvien pääasiallinen komponentti Luja rakenne, esiintyy hyvin erilaisissa ympäristöissä: -Jupiterin