Un nuevo estudio dirigido por Michael P. Burke, profesor asistente de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, ha identificado la importancia de una nueva clase de reacciones químicas que involucran tres moléculas que participan cada una en la ruptura y formación de enlaces químicos. La reacción deun "complejo de colisión efímero", formado a partir de la colisión de dos moléculas, que permite la colisión con una tercera molécula, permite tres moléculas diferentes.
Esta cuarta clase, que los investigadores han denominado "reacciones termoleculares químicamente", fue hipotetizada por primera vez por Cyril Hinshelwood y Nikolay Semenov en sus estudios de reacciones en cadena en las décadas de 1920 y 1930 ganaron el Premio Nobel de Química de 1956 por este trabajoDurante décadas, los investigadores han considerado estas reacciones sin importancia, si es que ocurrieron, y hasta ahora, nadie las ha estudiado. Burke, que explora una variedad de problemas en la interfaz entre la química física fundamental y los dispositivos de ingeniería práctica,decidió investigar estas reacciones después de darse cuenta de que las situaciones de combustión comunes, como las que se encuentran en muchos motores, tienen fracciones suficientemente altas de moléculas altamente reactivas conocidas como radicales libres para hacer posibles estas reacciones. El nuevo estudio se publica hoy en Química de la naturaleza .
"La combustión siempre ha sido un punto de partida para comprender todo tipo de otros mecanismos químicos", dice Burke, quien también es miembro del Data Science Institute. "Potencialmente podría haber innumerables reacciones de esta nueva clase que impactan en cómo modelamosquímica de fase gaseosa, desde el diseño de nuevos tipos de motores hasta la comprensión de la química planetaria responsable de las formaciones de nubes, el cambio climático, la evolución de los contaminantes, incluso quizás la secuencia de reacciones que podrían afectar las condiciones para la vida extraterrestre. Nuestro descubrimiento abre un mundo completamente nuevode posibilidades "
Por ejemplo, los vehículos espaciales experimentan temperaturas muy altas y fracciones radicales en su descenso de regreso a la Tierra. Burke especula que esta cuarta clase de reacciones podría afectar el flujo de calor al vehículo, con implicaciones significativas para el diseño de sistemas de protección térmica para mantenerastronautas y / o cargas útiles seguras cuando bajen a la Tierra.
Trabajando con Stephen J. Klippenstein, División de Ciencias e Ingeniería Química, Laboratorio Nacional de Argonne, Burke utilizó métodos computacionales de vanguardia, combinando cálculos químicos cuánticos que simulan la ruptura y formación de enlaces químicos entre las moléculas que reaccionan conCálculos de transporte cinético que simulan las reacciones y movimientos de gases a granel que rigen el rendimiento de los dispositivos de ingeniería.
"El poder de estos métodos computacionales de vanguardia", dice Burke, "es que pueden proporcionar una lente única en entornos químicos hostiles inadecuados para técnicas experimentales para estudiar dinámicas de reacción individuales. Nuestros cálculos se basansobre datos computacionales producidos a partir de los primeros principios: la ecuación de Schrödinger, la ecuación fundamental de la mecánica cuántica. La combinación de estos datos con otros modelos basados en la física nos permite identificar directamente el impacto de una sola reacción de muchas, de una manera que es muydifícil de hacer en el laboratorio "
Utilizando métodos teóricos, incluidos los que desarrollaron para este estudio, los investigadores demostraron que estas reacciones químicamente termoleculares es decir, de tres moléculas no solo son vías químicas importantes, sino que también afectan las velocidades de propagación de la llama, una medida de la reactividad general del combustible que gobiernarendimiento, estabilidad y eficiencia de muchos motores modernos.
La química de muchos sistemas, incluidas las atmósferas de combustión y planetarias, se rige por mecanismos químicos complejos, donde la conversión general de un conjunto de reactivos iniciales a un conjunto de productos finales pasa por muchas moléculas químicas intermedias con muchas reacciones químicas individuales que ocurren enel nivel molecular. Nuestra comprensión actual de los complejos mecanismos de combustión y atmósferas planetarias se ha basado en las clases de reacciones que se sabe que tienen lugar. Hasta ahora, solo se han considerado tres clases de reacciones :
El gas del baño generalmente se considera una molécula inerte, o no reactiva, que no participa en ninguna ruptura o formación de enlaces, sino que en cambio elimina algo de energía del otro complejo molecular que tendría suficiente energía cinética interna para descomponerse espontáneamentesi no se quitara energía.
Si, en cambio, el complejo molecular choca con una molécula reactiva, entonces la tercera molécula puede participar en el proceso de ruptura / formación de enlaces, produciendo lo que Burke y Klippenstein llaman un producto de "reacción químicamente termolecular". En nuestro artículo, mostramos el"señala" la importancia de las reacciones que involucran complejos de H + O2 con otras especies radicales, por ejemplo, H + O2 + H, en entornos de combustión ", señala. Sin embargo, dado el hecho de que las moléculas reactivas, como los radicales libres y el oxígeno molecular, son componentes principales en la combustióny ciertos ambientes planetarios, existe un potencial significativo para que ocurran otras reacciones químicamente termoleculares y desempeñen un papel significativo en otros ambientes ".
William H. Green, profesor de ingeniería química en el MIT, dice del estudio: "Hace mucho que se sabe que muchas reacciones de asociación de fase gaseosa tienen tasas efectivas muy bajas, porque el aducto energizado inicial no vive lo suficiente como para estabilizarsepor transferencia de energía por colisión, y simplemente se desmorona de nuevo a los reactivos. Esto ha llevado al campo a pensar que estos aductos transitorios pueden ignorarse por completo. Este artículo revela que incluso si las reacciones unimoleculares de los aductos energizados son insignificantes, aún pueden participar enreacciones bimoleculares, con consecuencias sorprendentemente importantes "
Burke planea luego generalizar estas teorías y métodos para calcular las tasas de reacción químicamente termoleculares para permitir cálculos similares en entornos de mayor presión, donde las colisiones entre moléculas son aún más frecuentes, importantes para los diseños de motores de vanguardia. También explorará las implicaciones deel hallazgo de otras reacciones y entornos químicos, como los involucrados en la formación y reducción de contaminantes o la química de las atmósferas planetarias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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