Плазмохимические реакции.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ - химические реакции, протекающие с большой скоростью в низкотемпературной (10³-10⁵K) плазме. В промышленности реализуют равновесные плазмохимические реакции, когда с увеличением температуры возрастает равновесная концентрация целевого продукта. При давлении, близком к атмосферному, и температуре 2000—5000K реакции протекают в квазиравновесных условиях. При этом образуются соединения, не существующие при обычных температурах, такие как Al₂O или AlO.

Условно плазмохимические реакции можно разделить на неравновесные и квазиравновесные. Примером первых являются реакции в газоразрядной плазме низкого давления. Они характеризуются сильным отклонением системы от равновесия. При малом давлении эффективность передачи энергии от электронов к тяжелым частицам низка, но так как энергию от внешнего электрического поля получают практически только самые легкие заряженные частицы — электроны, их средняя энергия оказывается намного выше средней энергии тяжелых частиц. Эффективная температура электронного газа достигает десятков тысяч градусов, в то время как температура газа тяжелых частиц может быть близка к комнатной. Следствием отрыва электронной температуры от темпера-туры газа тяжелых частиц является определяющая роль электронных соударений в образовании химически активных частиц и по-следующем протекании химических реакций.

Иная ситуация наблюдается при атмосферном и более высоком давлении, используемом, например, в дуговых разрядах. Большая частота соударений электронов с тяжелыми частицами приводит к сильному разогреванию газа — тяжелых частиц. Его температура достигает нескольких тысяч градусов и сравнительно немного отличается от температуры электронов. Состояние такой системы близко к равновесному. Протекающие в ней химические реакции относятся к квазиравновесным. Для их описания во многих случаях применима классическая химическая кинетика.

Рассмотрим некоторые особенности плазмохимических реакций.

Любые химическиепревращения происходят в результате соударений взаимодействующих частиц. Закономерности соударений реагирующих частиц, а также поля, в области действия которых эти частицы находятся, определяют динамику химических реакций.

Динамика соударений в классической химической кинетике характеризуетсяследующими условиями:

1) средняя энергия относительного движения взаимодействующих частиц не более 0, 1 эВ

2) заселенность первого колебательного уровня основного электронного состояния значительно превышает заселенности более высоко лежащих уровней;

3) практически отсутствуют (в газовой фазе) реакции с участием заряженных частиц;

4) продукты реакции, как правило, не возбуждены;

5) упругие соударения значительно преобладают над неупругими.

Поэтому в большинстве случаев для описания равновесного химического превращения может быть использована модель упругих шаров.

Для плазмохимических реакций ситуация иная:

1) средняя энергия взаимодействующих частиц чаше всего превышает 0, 1 эВ;

2) заселенности возбужденных состояний молекул соизмеримы с заселенностью их основного состояния;

3) весьма существенны (а иногда определяющи) взаимодей-ствия молекул с электронами и ионами, а также взаимодействия последних между собой;

4) значительная доля продуктов реакции образуется в возбуж-денных состояниях;

5) нет решительного преобладания упругих соударений над неупругими.

В результате модель упругих шаров оказывается непригодной для описания плазмохимических превращений.

Кинетика химических реакций описывает поведение ансамбля молекул, характер этого описания статистический. Для кинетического описания поведения ансамбля необходимо знать не только динамику соударений, но и заселенности квантовых уровней молекул и функции распределения частиц по энергиям поступательного движения, а также учитывать вклады в суммарный процесс частиц в каждом квантовом состоянии.

В плазмохимических системах начальное распределение скоростей частиц может быть не максвелловским, а заселенность квантовых состояний не больцмановской; начальное распределение нарушается химической реакцией, причем вновь возникшее распределение в свою очередь влияет на скорость реакции; различные взаимодействующие частицы могут иметь разные по форме и средней энергии функции распределения; при описании химических реакций нельзя пренебрегать физическими (излучательными и другими, не сопровождающимися химическими превращениями) переходами между квантовыми состояниями молекул, поскольку характерные времена химических и физических превращений близки.

Таким образом, на основании изложенного можно выделить следующие важнейшие особенности плазмохимической кинетики.

Нельзя отделить химическую кинетику от «физической». Если убыль активных частиц в результате химического взаимодействия велика, обмен энергией при соударении частиц не успевает ее компенсировать и происходит отклонение от равновесных условий.

Результирующую химическую реакцию нужно рассматривать как многоканальный (идущий по разным путям) процесс с участием различных возбужденных состояний частиц.

Из-за многоканальности процесса и наличия своей энергии активации для каждого канала может не иметь места типичный для аррениусовой кинетики характер суммарного процесса, сводящийся к существованию одной и только одной энергии активации.