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钻木取火-多能场辅助机械力化学反应

已有 1228 次阅读 2021-12-17 11:30 |个人分类:机械化学|系统分类:科研笔记

“机械化学反应”也称“机械力化学反应”,机械化学的发展历史起源于原始的石器时代。例如把小麦磨成粉、制陶技术、钻木取火。贯穿人类历史,能够体现古代炼金术和现代机械化学技术的始终是研钵和研杵。随着工业文明的发展,在古代使用研杵和研钵的基础上,开始使用各种类型的球磨机,其原理是利用滚筒驱动磨球的运动对试剂施加界面机械力,用于金属的机械合金化、纳米粉体的合成或机械化学反应。

任何化学反应都是有条件进行的,在化学反应过程中,反应物分子需要克服能量障碍才能转化为产物。该过程所需的能量通常由热、光、压力或电势提供,它们通过改变反应物在其基态势能面上的分布或通过将它们移动到激发态势能面上来起作用,并且跨越能量屏障而引发或加速化学反应的进行。例如:在醋存在的情况下,朱砂用铜研钵和研杵研磨会置换出金属汞;卤族元素单质与氢气反应的条件随单质的不同而各不相同;碳酸钙加热分解为氧化钙和二氧化碳;电解水可以得到氢气和氧气;合成氨需要压力、温度和催化剂;复分解反应需要有溶剂存在。机械化学反应是反应物直接吸收机械能引起的化学反应。从某种意义上,机械化学反应是反应物在固体表面或边界上通过机械力将能量传递激发活化分子而发生的非平衡反应,与传统的化学反应的分子或原子需要火焰和高温的热激发、等离子体中的电子碰撞激发、光子与分子相互作用的光激发、放热化学反应中的化学能激发和加速器中离子束激发条件相比,通过机械能激发化学反应是上述化学反应条件的扩充。目前,科学界对机械化学反应的机械能转化和激发分子或原子机理研究仍然知之甚少、远远不够。

自从德国莱比锡大学的化学家奥斯特瓦尔德(WOstwald1909年诺贝尔化学奖获得者),在1919年出版的德文著作《普通化学手册第一卷:化学文献与科学组织》(Handbuchder allgemeinen Chemie Band 1Die chemische Literatur und die Organisation der Wissenschaft)中将机械化学与热化学、电化学相并列,首次提出机械化学这个术语并添加到由机械能引发的反应类型中以来,直到20世纪中期之前,机械化学的发展一直徘徊不前,世界上只有零星的几个研究小组从事相关工作。这在很大程度上是由于当时化学学科分支-有机化学、物理化学、高分子化学正处于极为迅速的发展和膨胀期,化学家们对机械化学这不甚显眼的领域无暇顾及。20世纪中期之后,情况有了明显改善。1984年,国际机械化学协会(International Mechanochemistry AssociationIMA)成立;1993年,第一届机械化学与机械合金化国际会议(International Conference on Mechanochemistry and Mechanical AlloyingINCOME)在斯洛伐克召开。

机械化学是一门交叉学科,它涉及无机化学、有机化学、固体化学、机械力学、结构化学、物理化学、量子力学等多门学科,主要研究固体因机械力作用而引起的化学反应,这些固体根据其化学组成可具体分为无机化合物、有机小分子、金属、高分子和非金属单质;机械化学与常规化学学科相比,具有不同的特征。

(1)机械力作用可以诱发产生一些利用热能难于或无法进行的化学反应;

(2)有些物质的机械化学反应与热化学反应有不同的反应机理和速度;

(3)与热化学相比,机械化学受周围环境的影响要小得多,是非平衡反应;

(4)因机械活化改变了某些反应物的热力学性质,使得某些机械化学反应可沿常规条件下热力学不可能发生的方向进行。

机械化学颠覆了科学界关于化学反应的传统观念,也为探索新的化学反应提供了机会。

本课题组在无机合成、有机合成以及纳米材料制备等方面取得了较好的进展,克服了传统的高能球磨单一的机械能作用,可以附加多种能场,反应装置系统已经搭建完毕,希望有此兴趣的同行,联系我们,合作探索更多的未知空间!




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