Магнитный и вибрационно-вихревой механизмы активации радикальных реакций в водном растворе Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Магнитный и вибрационно-вихревой механизмы активации радикальных реакций в водном растворе

С.В. Гудков, Г.А. Ляхов, В.И. Пустовой, И.А. Щербаков

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия gen. lyakhov@gmail. ru

Эксперименты [1, 2] в воде с растворенным молекулярным кислородом зафиксировали (с чувствительностью 0.1 нмоль/л) рост содержания пероксида водорода H2O2 под действием как магнитного поля H(с индукцией до 7Тл), так и механических вибраций (10Гц--диапазона). Результаты этих воздействий могут быть объяснены в рамках предполагаемых в [3] цепей химических реакций с участием радикалов 02^" и HO2^ и синглетного кислорода Ю2.

Основы теории магнитоиндуцированного перевода молекул из триплетного состояния в синглетное известны [4]. Создание теории вибрационного механизма, продуцирующего Ш02: составляет пока не решенную задачу. Тем не менее, эффект генерации H2O2 реализуется в водном растворе, который помещен в движущийся с периодическим ускорением замкнутый сосуд [2].

Известные (см. [5]) уравнений движения частиц в неинерциальных системах демонстрируют их аналогию законам движения частиц в электромагнитных полях. Соответствующие вклады в гамильтонианы взаимодействия частиц с внешними силами подобны друг другу: (1) AHni = - mWr — MQ (m и M - масса и момент импульса частицы, Wи Q -линейное ускорение и угловая скорость системы) [4]; (2) Hem = - dE—p.H (d и ¡ü - операторы электрического и магнитного дипольных моментов частицы) [6].

«Электрическая» часть этой аналогии отмечена в [7] при анализе эффекта Толмена (см. также [8]): инерционная сила meW ускоряет электрон так же, как постоянное электрическое поле с напряженностью Е = meW/e в неподвижном проводнике (e и me - заряд и масса электрона). Магнитная аналогия JlH далека от буквальности: (1) - это равенство

классических функций, в то время как (2) - операторное равенство. Прямой замены в (1) классического момента M оператором - ih[rV] здесь, очевидно, недостаточно: в полный магнитный момент частицы входит не имеющий классического аналога спиновый момент fis = ^s/s (s - оператор, действующий на спиновую часть волновой функции, s - величина спина, ц -максимальное для молекулы значение момента). В то же время известно, что «для движущейся частицы спин не является сохраняющейся величиной» [9]. Сохраняется полный момент, равный сумме спинового и орбитального (ßi). Отметим, что в замкнутом объеме раствора практически все течения характеризуются ненулевой угловой скоростью.

Для достоверной оценки реализуемости вибрационного механизма генерации H2O2 требуется, во-первых, постановка экспериментов по обнаружению индуцированных вибрацией расщеплений энергетических уровней двухатомных молекул и эксперимента по одновременному воздействию магнитного поля и вибраций. Особого внимания заслуживает получение сравнительных данных по парамагнитным молекулам кислорода (с нижним триплетным уровнем) и по диамагнитным, более распространенным молекулам. Во-вторых, необходимо проведение квантовых расчетов этих расщеплений и вероятностей межуровневых молекулярных переходов - с детализацией спинового запрета реакций. Обязательное дополнение квантовых расчетов - это разработка усредненной гидродинамической модели вихревых течений при быстрых вибрациях для оценки их энергетики, в том числе с учетом образования и схлопывания газовых полостей в водном растворе.

1. Академик РАН И. А. Щербаков, И. В. Баймлер, С. В. Гудков, Г. А. Ляхов, Г. Н. Михайлова, В. И. Пустовой, Р. М. Саримов, А. В. Симакин, А. В. Троицкий. Влияние постоянного магнитного поля на некоторые физико-химические свойства водных растворов. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 493, 1-4 (2020).

2. S.V. Gudkov, N.V. Penkov , I.V. Baimler, G.A. Lyakhov, V. I. Pustovoy, A.V. Simakin, R.M. Sarimov and I. A. Scherbakov. Effect of Mechanical Shaking on the Physicochemical Properties of Aqueous Solutions, J. Mol. Sci. 21, 8033-8046 (2020).

3.В.И. Брусков, Ж.К. Масалимов, А.В. Черников. Образование активных форм кислорода под действием тепла при восстановлении растворенного кислорода воздуха. Доклады РАН, 381(2), 262-264 (2001).

4. Р. 3. Сагдеев, К. М. Салихов, Ю. Н. Молин. Влияние магнитного поля на процессы с участием радикалов и триплетных молекул в растворах. Успехи химии, 46(4), 569-601 (1977).

5. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Механика (Москва, Наука), гл. VI (1973).

6. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Квантовая механика (Москва, Наука), гл. X, XV (1974).

7. В. Л. Гинзбург, В сб. «Памяти А. А. Андронова» (Москва, изд. АН СССР), стр. 622 (1955).

8. И. М. Цидильковский. Электроны и дырки в поле сил инерции. УФН, 115(2), 321-331 (1975).

9. В.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Квантовая электродинамика (Москва, Наука), гл. IV (1980).