Плазмохимия Наука изучающая закономерности физикохимических процессов и реакций

Плазмохимия Наука, изучающая закономерности физикохимических процессов и реакций в низкотемпературной плазме

Плазма Четвертое агрегатное состояние вещества открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году Плазма — это частично или полностью ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных так и отрицательных зарядов. Квазинейтральность — это практически одинаковая плотность положительнозаряженных ионов и электронов.

Плазма Туманности и межгалактический газ, звезды

Солнце Температура солнечного ядра ≈16 млн. К Температура на поверхности Солнца ≈ 6000 К

Магнитные бури и полярные сияния Потоки плазмы, возникающие в результате мощных солнечных вспышек, изменяют состояние ионосферы. Быстрые электроны и протоны, попадая в атмосферу Земли, вызывают в северных широтах появление полярных сияний.

Полярное сияние

Молния

Пламя Температура горения дерева ≈ 800 – 1000 ºС

Неоновая реклама

Агрегатные состояния вещества Энергия фазового перехода

Плазма Низкотемпературная Т≤ 105 К Высокотемпературная Т>105 К Идеальной называют плазму, если ЕE<< Еk Неидеальная - ЕE≈ Еk ЕE - энергия кулоновского взаимодействия частиц. Еk - кинетическая энергия частиц. Равновесная Т(е)=Т(i)=Т 0 Неравновесная (низкотемпературная) Т(е)>>Т(i), Т 0 Т(е), Т(i), Т 0 – температура электронов, ионов, нейтральных частиц

Плазма Классической плазмой, называют такую, где расстояние между частицами много больше длины де-Бройля. В такой плазме частицы можно рассматривать как точечные заряды. Вырожденная - плазма в которой сравнима длина де-Бройля с расстоянием между частицами. В такой плазме необходимо учитывать квантовые эффекты взаимодействия между частицами λ – длина волны де-Бройля m — масса электрона Т — температура плазмы p- импульс электронов h - постоянная Планка

Параметры плазмы T=1 э. В/k=11606 К (k. T = 1 э. В) УТС — Управляемый термоядерный синтез n — число электронов в единице объема.

Параметры плазмы n – среднее число частиц в единице объема

Свойство Газ Плазма Электрическая проводимость Очень мала Очень высока Число сортов частиц Один Два или три Распределение по Максвелла скоростям Тип взаимодействий Бинарные Может быть немаксвелловское* (неравновесная плазма) Коллективные Т 2 > Т 1 Распределение Максвелла по скоростям * Модель двух жидкостей: плазма представляет собой смесь электронной и ионной жидкостей, в каждой из которой – распределение Максвелла. Т(е)≠Т(и)

Химия плазмы Низкотемпературная плазма: Ø Средняя энергия электронов Е(ср. е) < 10 э. В ( ≈ энергия ионизации атома); Ø Т≤ 105 К; Ø Слабоионизованная Степень ионизации плазмы α = Ni /No ≤ 1% Ø Электоропроводна Ø Из равновесного состояния легко переходит в неравновесное Наличие заряженных частиц определяет свойства плазмы, т. к. кулоновское взаимодействие между заряженными частицами >> взаимодействия между нейтральными частицами, и оно дальнодействующее,

При действии электрических полей в плазме возникают электрические токи. Токи в ней отклоняются под действием магнитных полей. Ускорения, сообщаемые заряженным частицам действием электрических и магнитных полей путем соударения передаются нейтральным частицам газа, и весь объем плазмы получает направленное движение, образуя струю, поток или факел горячего газа.

Параметры равновесной и неравновесной низкотемпературной плазмы; Т - температура газа; Т е- температура электронов.

ØЭлектроны ØФотоны ØИоны ØНейтральные частицы, возбужденные по внутренним степеням свободы (электронным, колебательным, вращательным) ØНевозбужденные атомы и молекулы ØСвободные радикалы ØВысокоэнтальпийные, высокотемпературные газовые потоки – струи.

Кинетика плазмохимических реакций Классическая кинетика Кинетика плазмы Энергия частиц Число молекул в основном (N) и возбужденном состоянии (N*) Реакции с участием заряженных частиц Продукты реакции E<0, 1 э. В N >>N* E>0, 1 э. В N ≈ N* отсутствуют (в газах) не возбуждены существенны Доля неупругих соударений очень мала в значительной части возбуждены сравнима с долей упругих

Кинетика плазмохимических реакций Плазмохимические реакции: ØКвазиравновесные (плазма высокого давления Т(е) ≈ Т(ч), дуговой разряд) ØНеравновесные (газоразрядная плазма низкого давления Т(е) >> Т(ч)) 1. Неприменимость законов равновесной кинетики (для неравновесной плазмы) 2. Зависимость химических реакций от физических процессов (внешних источников энергии, электрических и магнитных полей) 3. Многоканальность химических реакций (идут по различным механизмам) 4. Необходимость учета квантовой энергетической структуры молекул и атомов

Система уравнений Паули

Константа скорости Классическая (равновесная) химическая кинетика: Ea - энергия активации, Т - температура системы k – константа Больцмана Для неравновесной плазмы: K 0 - предэксп. множитель, α - коэфф. использования колебательной энергии. Tg – температура газа Для эндотермических реакций α =0, 9 -1, для экзотермических α =0, 1 -0, 3, для термонейтральных α =0, 3 -0, 5 (для реакций с образованием промежуточного комплекса) и порядка 0, 01 для реакций без образования комплекса. Видно, что для колебательно возбужденных молекул с энергией Ev активационный барьер как бы снижается на величину α Ev.

Процессы в низкотемпературной плазме Колебательное возбуждение молекул: ē + A 2= A 2©+ ē (электронный удар) A 2+ A 2= A 2+ A 2© (соударение тяжелых частиц) ē + A 2= A 2– (прилипание)= A 2©+ ē Электронное возбуждение атомов и молекул при взаимодействии с электронами, фотонами, тяжелыми частицами: энергия движения: АВ + М = АВ*+ М переходы внутренних состояний: АВ + М *= АВ*+ М ( для частиц близких по массе)

Процессы в низкотемпературной плазме Диссоциация в неравновесной плазме Прямая диссоциация под ударом электронов ( Р<100 Па): ē + A 2= А + ē Диссоциативный захват электронов (для галогенов): ē + Cl 2= Cl– + Cl Ступенчатая диссоциация: ē + A 2= A 2©+ ē A 2© = А + А ē + A 2= A 2©+ ē A 2©+ В = А+А+В

Процессы в низкотемпературной плазме Ионизация в неравновесной плазме: Прямая ионизация ( Р<100 Па и малая степень ионизации): ē + A 2= A 2++ 2ē Ступенчатая ионизация: ē + A 2= A 2©+ ē = A 2++ 2ē Ассоциативная (Пеннинговая ионизация) (если энергия возбуждения частицы > энергии ионизации партнера) A 2©+ В =A 2 B++ ē Например:

Процессы в низкотемпературной плазме ē + A 2= A 2–

Элементарные процессы в низкотемпературной плазме на примере воздуха

Термодинамика низкотемпературной плазмы - изучает общие свойства макроскопических плазменных систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Классическая термодинамика: U=3/2 n k. T – внутренняя энергия одноатомного идеального газа n –концентрация частиц в единице объема Модель: Однокомпонентная плазма. точечных ионов с зарядом Zе, помещённых в равномерно распределённую среду электронов γ= (Zе)2/rik. T, параметр неидеальности где ri= [3/(4πni)]1/3 - среднее расстояние между ионами. плазма недр звёзд белых карликов и планет-гигантов Солнечной системы, γ= 100 или 10, а электронный газ у них вырожден и идеален.

Плазма недр звёзд белых карликов и планет -гигантов Солнечной системы, γ= 100 или 10, а электронный газ у них вырожден и идеален. Модель белого карлика.

Термодинамика низкотемпературной плазмы γ= (Zе)2/rik. T, Плазма неидеальна, если γ>1. Плазма –идеальный газ γ << 1: q экстремально высокие плотности (вырожденная) q высокие температуры (классическая) Области слабой неидеальности: поправка на неидеальность. Области сильной неидеальности: U/п ik. Т= -0, 9 γ Примеси многозарядных (Z >> 1) ионов в недрах тяжёлых планет и двумерная однокомпонентная плазма электронов на поверхности жидкого гелия.

Плазма а лаборатории

ØВ качестве теплоносителя ØДля обработки поверхностей и нанесения покрытий ØПлазмохимический синтез водорода ØДля плазмохимического синтеза нанопорошков и т. п. Дуговой разряд

Плазмотрон Дуговой плазмотрон: 1 - электрод, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - водоохлаждаемый корпус, 4 - источник постоянного напряжения, 5 - дуговой разряд, 6 - плазменная струя Индукционный высокочастотный плазмотрон: 1 - индуктор, 2 - водоохлаждаемый корпус, 3 - плазменная струя, 4 - разрядная камера, 5 - обрабатываемая деталь

Действие плазмы на поверхгость полимеров

Схема напыления: 1 - плазмотрон, 2 - подложки, 3 - тигель с напыляемым материалом, 4 - потоки атомов Плазменное плавление и кристаллизация металлов: 1 - плазмотрон, 2 - корпус установки, 3 - плазменная струя, 4 - кристаллизатор, 5 - заготовка расплавляемого материала

Схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧразряда Схема процесса получения порошков: 1 - плазмотрон, 2 - камера, 3 - вращающийся кристаллизатор, 4 - частицы порошка, 5 - заготовка Через дозирующее устройство (1) распыляется водный раствор нитрата циркония, под действием высокой температуры (4000 К) протекает реакция Zr(NO 3)4 -> Zr. O 2+4 NO 2+O 2. Твердый продукт реакции в виде Zr. O 2 собирается на дне реактора.

Получение фуллеренов Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т. е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи. , в нем содержится до 10% фуллеренов С 60 (90%) и С 70 (10%). Схема установки для получения фуллеренов. 1 – графитовые электроды; 2 – охлаждаемая медная шина; 3 – медный кож 4 – пружины.

Схема установки Кречмера для получения нанотрубок и фуллеренов При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25_35 В температура образующейся между электродами плазмы достигает 4000 К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада температур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную область плазмы и конденсируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода.

Фуллерены, нанотрубки графен

Механизм образования Одна из моделей предлагает последовательное присоединение к кольцу С 10 устойчивых объединений С 2, что косвенно подтверждается чётностью номеров образовавшихся устойчивых фуллеренов. На рисунке представлена модель образования С 60 и С 70 из колец.

Видео Лекция 10. В. А. Курнаев «Природа и свойства плазмы» - You. Tube Плазма в магнитном поле - You. Tube Рабочие профессии плазмы - You. Tube ПЛАЗМА www. physicum. narod. ru/vol_3/618. pdf НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА прочее http: //download. nehudlit. ru/area 001/self 0665/panchenkov. rar ВВЕДЕНИЕ В ПЛАЗМОХИМИЮ Плазмотрон. Технология плазменной плавки, плавления, напыления. Плазменное получение порошков. Презентация на тему: "Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 1 Лекция 7 Плазмохимические методы получения водорода Принцип работы ПХР Разложение. ". Скачать бесплатно и без регистрации.