РЕАКЦИЯ АЛЮМИНИЯ С ВОДОЙ НАЧИНАЕТСЯ С РАЗРЫВА СВЯЗИ О-Н

РЕАКЦИЯ АЛЮМИНИЯ С ВОДОЙ НАЧИНАЕТСЯ С РАЗРЫВА СВЯЗИ О-Н

Людям, которые не прогуливали химию в школе, известно, что в определенных условиях алюминий может вступать в экзотермическую реакцию с водой, однако механизм этой реакции до недавнего времени оставался загадкой.

В новой работе специалист по химии горения и взрывов Брайс Таппан (Bryce Tappan) определил кинетические параметры, описывающие скорость и интенсивность горения наночастиц алюминия в воде.

Таппан отмечает, что о высокой реакционной способности наноразмерных частиц алюминия диаметром 110 нм и менее известно давно – уже долгое время наночастицы алюминия с такой размерностью применяются в пропеллантах, взрывчатых веществах и пиротехнических составах. Таппан подчеркивает, что понимание механизма горения алюминия поможет найти способ получения молекулярных кластеров алюминия, которые могут оказаться полезными как для установления природы химической связи, так и найти практическое применение в системах для запасания водорода или, если глядеть далеко вперед – стать топливом для космических кораблей, для окисления которого можно будет использовать воду других планет и астероидов.

Таппан с соавторами – Мэтью Дирмаером (Matthew Dirmyer) и Грантом Ришей (Grant Risha) изучил кинетический изотопный эффект (КИЭ) реакции воды с наночастицами алюминия диаметром 110, 80 и 38 нанометров. Изученные наночастицы были организованы по типу «ядро-оболочка» с ядром из элементного алюминия и оксидной оболочкой с толщиной в пять нанометров. Эти частицы смешивали с обычной (H₂O) и тяжелой (D₂O) водой до консистенции теста для кексов.

Кинетический изотoпный эффект представляет собой изменение скорости химической реакции при замене в молекуле реагирующего вещества какого либо атома его изотопом. Мерой кинетического изотопного эффекта является отношение констант скорости реакций, протекающих с участием обычных молекул и изотопно замещенных молекул соответственно. Считается, что значения КИЭ в системе H/D, равные 4 и более (значения КИЭ для H/D максимально могут достигать 7) указывают на перенос атома водорода в лимитирующей стадии сложной реакции.

Для определения величины кинетического изотопного эффекта Таппан с коллегами измеряли скорость горения смесей наноалюминий/вода и наномалюминий/тяжелая вода, помещая смеси в пробирки, которые размещались внутри герметичных камер. Смеси наноалюминий/вода поджигали с помощью лазера и по скорости выделения газообразного водорода определяли скорость реакций. Было обнаружено, что реакция алюминия с водой характеризуется первичным кинетическим эффектом, значение которого позволяет говорить о том, что скоростьопределяющей стадией взаимодействия алюминия с водой является разрыв связи О–Н воды.

Таппан заявляет, что многие годы предлагались другие варианты механизма взаимодействия алюминия с водой – диффузия кислорода сквозь оксидную пленку к ядру наночастицы или другие варианты, однако новые результаты наглядно показывают, что главным игроком в этом взаимодействии является вода. Эта находка позволит пересмотреть существующие модели механизмов реакций металлов с водой и в перспективе найти способ более эффективного управления этими реакциями.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2014, DOI: 10.1002/ange.201404962