В ПРЕДДВЕРИИ «ЛАЗЕРНОЙ РЕВОЛЮЦИИ» В ХИМИИ

Многие химические реакции нуждаются в инициировании. Обычный способ инициирования реакции-нагревание смеси исходных реагентов; недаром горелка является обязательным атрибутом любой химической лаборатории.

При нагревании происходит возбуждение молекул, колебания атомов в молекулах становятся более интенсивными; в результате химические связи ослабевают, разрываются. При разрыве тех или иных связей образуются химически активные реагенты; иными словами, разрыв связей инициирует химические реакции. Сложные молекулы характеризуются довольно большим числом связей. При нагревании все связи подвергаются испытанию на прочность; разрываются наиболее слабые из них. А нельзя ли разрывать связи по выбору? Нельзя ли воздействовать всякий раз лишь на определенные связи, не затрагивая при этом остальных? Иначе говоря, нельзя ли «нагревать» одни связи, оставляя «холодными» другие? Ясно, что обычным нагреванием смеси реагентов этого сделать нельзя. Но можно инициировать химические реакции иным способом - облучая смесь реагентов интенсивным светом.
Реакции, инициированные светом, называют фотохимическими. Классическая фотохимия существует уже более полувека; еще в 30-х годах наблюдали возбуждение и диссоциацию молекул под воздействием ультрафиолетового излучения ртутной газоразрядной лампы. Однако воздействие света на молекулы в подобных опытах является, можно сказать, очень грубым-происходит либо «разваливание» молекулы на части, либо возбуждение ее электронных состояний. Чтобы по-настоящему управлять химическими реакциями, инициировать именно те реакции, которые желательны, а не те, которые происходят при нагревании, надо возбуждать не электронные, а колебательные уровни молекул и притом вполне определенные колебательные уровни. Ведь разным связям в молекуле соответствуют разные наборы колебательных частот, иначе говоря, разные системы колебательных уровней. Возможность сугубо избирательного воздействия на химические связи молекул появилась лишь с созданием мощных лазеров, генерирующих в
инфракрасном диапазоне частот, т. е. на частотах, соответствующих переходам между колебательными уровнями молекул.
Когда мы говорим о лазерном инициировании химических реакций, то должны иметь в виду, что излучение лазера может осуществлять также обычный нагрев смеси реагентов. Впрочем, этот нагрев не совсем обычный. В отличие от традиционной горелки, лазерный луч может нагревать избирательно лишь какие-то участки объема смеси реагентов, и, кроме того, он нагревает очень быстро. Эти особенности в некоторых случаях могут оказаться важными. Но, конечно, главное не в том, что лазерным лучом можно быстро нагреть смесь реагентов. Главное состоит в том, что лазерный луч избирательно воздействует на определенные химические связи. Ученые осознали это в середине 60-х годов. Обсуждая возможности качественно нового направления в химии, советский ученый А.Н. Ораевский писал в 1965 г.:
«Если использовать свет лазера, лучи которого обладают строго определенной частотой и большой мощностью, то он будет «раскачивать» только определенные атомы или группы атомов, которые колеблются в резонанс с ним. При этом «раскачка» может стать такой интенсивной, что «раскачиваемая» связь порвется-молекула развалится. Разорванные молекулярные связи окажутся вакантными, и к ним можно присоединять другие атомы или активные группы атомов (радикалы), т.е. создавать новые химические соединения... Лазерное излучение разрывает связи только определенного атома (или группы атомов), не нарушая других связей. Именно это очень важное обстоятельство открывает перед химиками совершенно новую перспективу. Появляется возможность избирательно разрывать химические связи, причем, меняя частоту лазерного излучения, можно намечать «жертву» заранее.

Таким способом можно ускорить многие химические процессы и можно заставить идти такие реакции, которые считались невозможными».
Итак, все дело в том, чтобы облучать молекулы интенсивным лазерным излучением строго определен- 184
ной частоты - частоты, равной частоте колебаний, отвечающих той химической связи, которую желательно разорвать. Здесь требуются генерирующие в инфракрасном диапазоне лазеры, излучение которых отличается высокой интенсивностью и монохроматичностью; кроме того, очень важно, чтобы частоту лазерного излучения можно было плавно менять, подстраиваясь всякий раз под ту или иную частоту колебаний молекул.
Одна из первых лазерных химических реакций была осуществлена в 1969 г. советскими учеными А. М. Прохоровым и Н. В. Карловым с сотрудниками. Используя С02-лазер, они вызвали диссоциацию молекулы трихлорида бора (ВС13). Частота лазерного излучения совпадала с одной из колебательных частот данной молекулы. Эта же группа исследователей позднее, в 1971 г., облучала излучением С02-лазера смесь трихлорида бора и молекулярного водорода, не являющуюся в обычных условиях реакционноспособной. В результате диссоциации молекул трихлорида бора под действием лазерного излучения образовывался атомарный хлор-химически активный реагент. Он бурно вступал в реакцию с водородом.
Интересные лазерохимические исследования были выполнены в 1970-1971 гг. группой советских ученых, возглавляемой Н. Г. Басовым и А. Н. Ораевским. Они исследовали реакции в смеси из тетрафторгидразина (N2F4) и окиси азота (NO). При обычном нагревании эти молекулы в реакцию друг с другом не вступают, а просто происходит диссоциация молекулы N2F4 по относительно слабой связи N—N, в результате чего образуются две молекулы NF2. Используя 802-лазер, ученые возбудили колебания, соответствующие довольно сильной связи N—F в молекуле тетрафторгидразина. В результате наблюдалась новая химическая реакция: от молекулы N2F4 отрывался атом F и вступал в реакцию соединения с NO, образуя молекулу FNO.
Мы привели примеры самых первых лазерохимических исследований, выполненных на рубеже 60-70-х годов. С тех пор лазерная химия шагнула далеко вперед. В настоящее время можно говорить о том, что лазерное излучение при применении его в химии может выполнять три функции. Первая функция: подготовка реагентов, перевод их в нужные возбужденные ко

лебательные состояния, после чего реакция идет в заданном направлении и с нужной скоростью. Вторая функция: использование методов лазерной спектроскопии для идентификации продуктов реакции и анализа их состояний. Третья функция: воздействие на сам ход химической реакции в тот очень короткий (обычно измеряемый пикосекундами) промежуток времени, когда совершается акт столкновения реагирующих молекул и когда, собственно говоря, молекул-реагентов уже не существует, а молекулы-продукты еще не образовались. Исследования подобного типа только- только начинаются. В этих исследованиях используются взаимно пересекающиеся молекулярные пучки, облучаемые в месте их пересечения мощными лазерными импульсами. Ожидается, что таким путем можно будет изучать структуру «переходного состояния» и получать прямую информацию о процессах образования и разрыва химических связей в молекулах.
Развитие лазерной химии откроет пути получения новых веществ, позволит осуществить множество реакций, считавшихся ранее невозможными, даст рецепты управления как направлением, так и скоростью химических реакций. В заключение заметим, что методы лазерной химии успешно используются сегодня, в частности, для разделения изотопов и получения особо чистых веществ.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме В ПРЕДДВЕРИИ «ЛАЗЕРНОЙ РЕВОЛЮЦИИ» В ХИМИИ:

- Популярная физика -