Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 19 июля, печатный экземпляр отправим 23 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Резонансный волновой вклад в химическую кинетику

Химия
01.03.2020
453
Поделиться
Библиографическое описание
Лякишев, В. К. Резонансный волновой вклад в химическую кинетику / В. К. Лякишев, М. С. Перфильев, А. Р. Харлан. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2020. — № 3 (33). — С. 57-60. — URL: https://moluch.ru/young/archive/33/1952/.


В данной работе рассмотрена гипотеза о вкладе явления волнового резонанса в химическую кинетику и его возможное влияние на скорость химической реакции. Главной идеей предложенной гипотезы является явление резонанса между молекулами-реагентами, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма проявляющими так же волновые свойства. В качестве математического аппарата для описания этого физического явления использованы формулы де Бройля. Также в работе приведены конкретные примеры возможного вклада волнового резонанса в химическую кинетику.

Ключевые слова: химическая реакция, волновой резонанс, длина волны, химическая кинетика, скорость.

Введение

Согласно принципу корпусклярно-волнового дуализма, предложенному в 1924 году французским физиком Луи де Бройлем, любая материальная частица обладает как свойствами волны, так и свойствами частицы. У каждого физического тела или системы тел (планета, человек, молекула, атом, электрон и т. п.) более ярко выражено одно из этих свойств (либо волновое, либо корпускулярное), но и противоположное свойство тоже присутствует, хотя менее выражено.

Рассмотрим формулу де Бройля для длины волны:

, (1)

где h — постоянная Планка.

Согласно данной формуле, любой частице, обладающей импульсом, соответствует длина волны, связанная с импульсом частицы тем же соотношением, что и для фотона. С одной стороны, длина волны вычисляется по формуле (1) ; с другой стороны, длина волны равна произведению скорости волны на период её колебаний . Период является величиной, обратно пропорциональной частоте: , откуда .

Тогда , (2)

где h — постоянная Планка. [1]

Покажем, что у любого физического тела более ярко выражено только одно из свойств — волновое либо корпускулярное. Вычислим частоту электрона, движущегося со скоростью (масса электрона равна . Подставим в формулу (2) массу электрона и скорость его движения:

.

Тогда длина волны , что несоизмеримо больше размеров самого электрона (принято считать, что электрон имеет размер порядка

Вычислим «частоту» и «длину волны» человека c массой , идущего со скоростью . Согласно формуле (2) частота равна .

При этом длина волны равна , что несоизмеримо меньше размеров человека.

Таким образом, у электрона более ярко выражены волновые свойства, а у человека корпускулярные. Гипотеза де Бройля объяснила некоторые эксперименты, не имеющие объяснения в рамках классической физики, такие как дифракцию нейтронов на кристаллах, опыт Томсона по дифракции электронов на фольге, дифракцию электронов на кристаллах никеля (опыт Дэвиссона — Джермера), аномальное уменьшение сечения рассеяния электронов атомами аргона (Эффект Рамзауэра) и др. [2]

Гипотеза влияния волнового резонанса на скорость химических реакций

Существуют факторы, влияющие на скорость химической реакции: концентрация реагентов и продуктов, природа реагентов и продуктов реакции, давление (для случая газов), площадь поверхности соприкосновения (для случая твёрдых веществ и жидкостей), температура, при которой происходит реакция, наличие веществ, влияющих на ход реакции (катализаторы, ингибиторы, промоторы, каталитические яды). Некоторые из этих факторов были известны ещё в 19 веке. Например, закон действующих масс, описанный в 1867 году норвежскими учёными Ове Гульдбергом и Петером Вааге, гласит, что скорость химической реакции прямо пропорциональна действующим массам, т. е. концентрациям реагирующих веществ. Правило Вант-Гоффа, сформулированное в 1884 году нидерландским химиком Якобом Хенри Вант-Гоффом, утверждает, что при повышении температуры на каждые 10 градусов в ходе химической реакции её скорость увеличивается в 2–4 раза. [3] Предположим, что волновой резонанс наряду с другими факторами также влияет на скорость химической реакции. Рассмотрим технологию синтеза аммиака в колонне синтеза [4]. Известно, что тепловая скорость молекул газа является усреднённой величиной. Молекула газа имеют различные скорости, сильно варьирующие по значению. В газе найдутся молекулы-реагенты, имеющие одинаковые импульсы , то есть , где и — массы первой и второй молекул соответственно, и — скорости первой и второй молекул соответственно. Тогда в соответствии с формулой (1) длины волн, соответствующих данным молекулам, будут одинаковыми:

, так как .

При совпадении частот колебаний волн молекул-реагентов произойдёт явление резонанса, заключающееся в усилении колебаний волн [5], что может привести к увеличению скорости взаимодействия реагентов, то есть повлияет на кинетику химической реакции.

Также можно привести аналогию с химическими реакциями между энзимами. Возможно, именно за счёт волнового резонанса скорость реакций между некоторыми энзимами по не известным на настоящее время причинам выше скорости диффузии [6].

Заключение

Таким образом, в данной работе предложена гипотеза влияния явления волнового резонанса на скорость химических реакций, обоснованием которой является концепция корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, интерференция волн де Бройля, отражающих волновую природу частиц, может влиять на кинетику химической реакции.

Литература:

  1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. — Москва: Мир, 1976.- 496 с.
  2. Мартинсон Л. К., Смирнов Е. В. Квантовая физика. — Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004.- 496 с.
  3. Романовский Б. В. Основы химической кинетики. — Москва: Экзамен, 2006.- 415 с.
  4. Широносов В. Г. Резонанс в физике, химии и биологии.- Ижевск: Издательский дом “Удмуртский университет”, 2000.- 92 с.
  5. Кузнецов Л. Д., Дмитренко Л. М., Рабина П. Д., Соколинский Ю. А. Синтез аммиака. — Москва: Химия, 1982.- 296 с.
  6. Hsieh M., Brenowitz M. Comparison of the DNA association kinetics of the Lac repressor tetramer, its dimeric mutant LacIadi, and the native dimeric Gal repressor. J. Biol. Chem.: journal. — 1997. — August (vol. 272, no. 35).
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
химическая реакция
волновой резонанс
длина волны
химическая кинетика
скорость

Молодой учёный