Spárované elektróny
Ak je v orbitáli jeden elektrón, nazýva sa to nespárované, a ak su dvaja, tak toto spárované elektróny.
Štyri kvantové čísla n, l, m, m s úplne charakterizujú energetický stav elektrónu v atóme.
Pri zvažovaní štruktúry elektrónového obalu multielektrónových atómov rôznych prvkov je potrebné vziať do úvahy tri hlavné ustanovenia:
· Pauliho princíp,
· princíp najmenšej energie,
Hundovo pravidlo.
Podľa Pauliho princíp Atóm nemôže mať dva elektróny s rovnakými hodnotami všetkých štyroch kvantových čísel.
Pauliho princíp určuje maximálny počet elektrónov v jednom orbitále, úrovni a podúrovni. Keďže AO je charakterizovaná tromi kvantovými číslami n, l, m, potom sa elektróny daného orbitálu môžu líšiť iba spinovým kvantovým číslom pani. Ale spinové kvantové číslo pani môže mať iba dve hodnoty + 1/2 a – 1/2. V dôsledku toho môže jeden orbitál obsahovať najviac dva elektróny s rôznymi hodnotami spinových kvantových čísel.
Ryža. 4.6. Maximálna kapacita jedného orbitálu sú 2 elektróny.
Maximálny počet elektrónov na energetickej úrovni je definovaný ako 2 n 2 a na podúrovni – ako 2(2 l+ 1). Maximálny počet elektrónov umiestnených na rôznych úrovniach a podúrovniach je uvedený v tabuľke. 4.1.
Tabuľka 4.1.
Maximálny počet elektrónov na kvantových úrovniach a podúrovniach
| Energetická úroveň | Energetická podúroveň | Možné hodnoty magnetického kvantového čísla m | Počet orbitálov na | Maximálny počet elektrónov na | ||
| podúrovni | úrovni | podúrovni | úrovni | |||
| K (n=1) | s (l=0) | |||||
| L (n=2) | s (l=0) p (l=1) | –1, 0, 1 | ||||
| M (n=3) | s (l=0) p (l=1) d (l=2) | –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 | ||||
| N (n=4) | s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3) | –1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3 |
Postupnosť plnenia orbitálov elektrónmi sa uskutočňuje v súlade s princíp najmenšej energie .
Podľa princípu najmenšej energie vypĺňajú elektróny orbitály v poradí so zvyšujúcou sa energiou.
Je určené poradie plnenia orbitálov Klechkovského pravidlo: k nárastu energie, a teda k naplneniu orbitálov, dochádza v rastúcom poradí súčtu hlavných a orbitálnych kvantových čísel (n + l), a ak je súčet rovný (n + l) - v rastúcom poradí hlavného kvantové číslo n.
Napríklad energia elektrónu na podúrovni 4 s je menšia ako na podúrovni 3 d, keďže v prvom prípade suma n+ l = 4 + 0 = 4 (pripomeňme si, že napr s-podúrovňová hodnota orbitálneho kvantového čísla l= = 0) a v druhom n+ l = 3 + 2 = 5 ( d- podúroveň, l= 2). Preto sa najskôr vyplní podúroveň 4 s a potom 3 d(pozri obr. 4.8).
Na 3 podúrovniach d (n = 3, l = 2) , 4R (n = 4, l= 1) a 5 s (n = 5, l= 0) súčet hodnôt P A l sú rovnaké a rovné 5. V prípade rovnakých hodnôt súč n A l najprv sa vyplní podúroveň s minimálnou hodnotou n, t.j. podúroveň 3 d.
V súlade s pravidlom Klechkovského sa energia atómových orbitálov zvyšuje v sérii:
1s < 2s < 2R < 3s < 3R < 4s < 3d < 4R < 5s < 4d < 5p < 6s < 5d »
"4 f < 6p < 7s….
V závislosti od toho, ktorá podúroveň v atóme je naplnená ako posledná, sa všetky chemické prvky delia na 4 elektronická rodina : s-, p-, d-, f-prvky.
4f
4 4d
3 4s
3p
3s
1 2s
Úrovne Podúrovne
Ryža. 4.8. Energia atómových orbitálov.
Prvky, ktorých atómy ako posledné vyplnia s-podúroveň vonkajšej úrovne, sa nazývajú s-prvky . U s-valenčné prvky sú s-elektróny vonkajšej energetickej hladiny.
U p-prvky P-podvrstva vonkajšej vrstvy sa vyplní ako posledná. Ich valenčné elektróny sa nachádzajú na p- A s-podúrovne vonkajšej úrovne. U d-prvky sa vyplnia ako posledné d-podúroveň preexternej úrovne a valencie sú s-elektróny vonkajších a d-elektróny pre-vonkajších energetických úrovní.
U f-prvky ako posledný sa naplní f-podúroveň tretej vonkajšej energetickej úrovne.
Určuje sa poradie umiestnenia elektrónov v rámci jednej podúrovne Hundovo pravidlo:
v rámci podúrovne sú elektróny umiestnené tak, že súčet ich spinových kvantových čísel má maximálnu absolútnu hodnotu.
Inými slovami, orbitály danej podúrovne vypĺňa najskôr jeden elektrón s rovnakou hodnotou spinového kvantového čísla a potom druhý elektrón s opačnou hodnotou.
Napríklad, ak je potrebné rozložiť 3 elektróny v troch kvantových článkoch, tak každý z nich bude umiestnený v samostatnej bunke, t.j. zaberajú samostatný orbitál:
∑pani= ½ – ½ + ½ = ½.
Poradie distribúcie elektrónov medzi energetickými úrovňami a podúrovňami v obale atómu sa nazýva jeho elektrónová konfigurácia alebo elektronický vzorec. Skladanie elektronická konfiguráciačíslo energetická úroveň (hlavné kvantové číslo) je označené číslami 1, 2, 3, 4..., podúroveň (orbitálne kvantové číslo) – písmenami s, p, d, f. Počet elektrónov v podúrovni je označený číslom, ktoré je napísané v hornej časti symbolu podúrovne.
Elektrónovú konfiguráciu atómu možno znázorniť ako tzv elektrónový grafický vzorec. Toto je schéma umiestnenia elektrónov v kvantových bunkách, ktoré sú grafickým znázornením atómového orbitálu. Každá kvantová bunka môže obsahovať najviac dva elektróny s rôznymi spinovými kvantovými číslami.
Ak chcete vytvoriť elektronický alebo elektronický grafický vzorec pre akýkoľvek prvok, mali by ste vedieť:
1. Poradové číslo prvku, t.j. náboj jeho jadra a zodpovedajúci počet elektrónov v atóme.
2. Číslo periódy, ktoré určuje počet energetických hladín atómu.
3. Kvantové čísla a súvislosť medzi nimi.
Napríklad atóm vodíka s atómovým číslom 1 má 1 elektrón. Vodík je prvkom prvej periódy, takže jediný elektrón zaberá ten, ktorý sa nachádza v prvej energetickej hladine s-orbitál s najnižšou energiou. Elektrónový vzorec atómu vodíka bude:
1 N 1 s 1 .
Elektronický grafický vzorec vodíka bude vyzerať takto:
Elektronické a elektrónové vzorce atómu hélia:
2 Nie 1 s 2
2 Nie 1 s
odráža úplnosť elektronického obalu, ktorý určuje jeho stabilitu. Hélium je vzácny plyn, ktorý sa vyznačuje vysokou chemickou stabilitou (inertnosťou).
Atóm lítia 3 Li má 3 elektróny, je to prvok z obdobia II, čo znamená, že elektróny sa nachádzajú na 2 energetických hladinách. Naplnia sa dva elektróny s- podúroveň prvej energetickej hladiny a 3. elektrónu sa nachádza na s- podúroveň druhej energetickej úrovne:
3 Li 1 s 2 2s 1
Valence I
Atóm lítia má elektrón umiestnený na 2 s-podúroveň, je menej pevne viazaná na jadro ako elektróny prvej energetickej úrovne, preto sa pri chemických reakciách môže atóm lítia ľahko vzdať tohto elektrónu a zmeniť sa na ión Li + ( a on -elektricky nabitá častica ). V tomto prípade lítiový ión získa stabilný kompletný obal hélia vzácneho plynu:
3 Li + 1 s 2 .
Treba poznamenať, že určuje počet nepárových (jednotlivých) elektrónov valencia prvku , t.j. jeho schopnosť vytvárať chemické väzby s inými prvkami.
Atóm lítia má teda jeden nepárový elektrón, ktorý určuje jeho valenciu rovnú jednej.
Elektrónový vzorec atómu berýlia:
4 Buď 1s 2 2 2 .
Elektrónový grafický vzorec atómu berýlia:
2 Hlavne Valence
Stav je 0
Berýlium má elektróny podúrovne 2, ktoré odchádzajú ľahšie ako ostatné. s 2, tvoriaci ión Be +2:
Možno poznamenať, že atóm hélia a ióny lítia 3 Li + a berýlia 4 Be +2 majú rovnakú elektrónovú štruktúru, t.j. sú charakterizované izoelektronická štruktúra.
Štruktúra atómu určuje jeho polomer, ionizačnú energiu, elektrónovú afinitu, elektronegativitu a ďalšie parametre atómu. Elektronické obaly atómov určujú optické, elektrické, magnetické a hlavne chemické vlastnosti atómov a molekúl, ako aj väčšinu vlastností pevných látok.
Magnetické vlastnosti atómu
Elektrón má svoj vlastný magnetický moment, ktorý je kvantovaný v smere rovnobežnom alebo opačnom k aplikovanému magnetickému poľu. Ak dva elektróny okupujúce rovnaký orbitál majú opačné spiny (podľa Pauliho princípu), potom sa navzájom rušia. V tomto prípade hovoríme, že elektróny spárované. Atómy s iba spárovanými elektrónmi sú vytlačené z magnetického poľa. Takéto atómy sa nazývajú diamagnetické. Atómy, ktoré majú jeden alebo viac nepárových elektrónov, sú vťahované do magnetického poľa. Nazývajú sa diamagnetické.
Magnetický moment atómu, ktorý charakterizuje intenzitu interakcie atómu s magnetickým poľom, je prakticky úmerný počtu nespárovaných elektrónov.
Vlastnosti elektronickej štruktúry atómov rôznych prvkov sa odrážajú v takých energetických charakteristikách, ako je ionizačná energia a elektrónová afinita.
Ionizačná energia
Energia (potenciál) ionizácie atómu E i je minimálna energia potrebná na odstránenie elektrónu z atómu do nekonečna podľa rovnice
X = X++ e −
Jeho hodnoty sú známe pre atómy všetkých prvkov periodickej tabuľky. Napríklad ionizačná energia atómu vodíka zodpovedá prechodu elektrónu z 1 s-energetická podhladina (−1312,1 kJ/mol) do podhladiny s nulovou energiou a rovná sa +1312,1 kJ/mol.
Pri zmene prvých ionizačných potenciálov zodpovedajúcich odstráneniu jedného elektrónu atómov je periodicita jasne vyjadrená so zvyšujúcim sa atómovým číslom:
Pri pohybe zľava doprava v priebehu periódy sa ionizačná energia vo všeobecnosti postupne zvyšuje, so zvyšujúcim sa atómovým číslom v skupine sa znižuje. Alkalické kovy majú minimálny prvý ionizačný potenciál a vzácne plyny maximum.
Pre ten istý atóm sa druhá, tretia a nasledujúca ionizačná energia vždy zvyšuje, pretože z kladne nabitého iónu musí byť odstránený elektrón. Napríklad pre atóm lítia je prvá, druhá a tretia ionizačná energia 520,3, 7298,1 a 11814,9 kJ/mol.
Postupnosť abstrakcie elektrónov je zvyčajne obrátená postupnosť plnenia orbitálov elektrónmi v súlade s princípom minimálnej energie. Avšak prvky, ktoré sú osídlené d-orbitaly su vynimky - v prvom rade nestrataju d-, A s-elektróny.
Elektrónová afinita
Atómová elektrónová afinita A e je schopnosť atómov pripojiť ďalší elektrón a zmeniť sa na záporný ión. Meradlom elektrónovej afinity je uvoľnená alebo absorbovaná energia. Elektrónová afinita sa rovná ionizačnej energii záporného iónu X −:
X - = X + e −
Atómy halogénu majú najväčšiu elektrónovú afinitu. Napríklad pre atóm fluóru je pridanie elektrónu sprevádzané uvoľnením 327,9 kJ/mol energie. Pre množstvo prvkov je elektrónová afinita blízka nule alebo záporná, čo znamená absenciu stabilného aniónu pre tento prvok.
Typicky sa elektrónová afinita atómov rôznych prvkov znižuje paralelne so zvýšením ich ionizačnej energie. Pre niektoré dvojice prvkov však existujú výnimky:
| Element | Ei kJ/mol | A e kJ/mol |
| F | 1681 | −238 |
| Cl | 1251 | −349 |
| N | 1402 | 7 |
| P | 1012 | −71 |
| O | 1314 | −141 |
| S | 1000 | −200 |
Vysvetlenie je možné na základe menších veľkostí prvých atómov a väčšieho odpudzovania elektrónov a elektrónov v nich.
Elektronegativita
Elektronegativita charakterizuje schopnosť atómu chemického prvku posunúť elektrónový oblak v jeho smere pri vytváraní chemickej väzby (smerom k prvku s vyššou elektronegativitou). Americký fyzik Mulliken navrhol definovať elektronegativitu ako aritmetický priemer medzi ionizačným potenciálom a elektrónovou afinitou:
χ = 1/2 ( Ei + A e)
Problém pri použití tejto metódy spočíva v tom, že elektrónové afinity nie sú známe pre všetky prvky.
Objav rádioaktivity potvrdil zložitosť štruktúry nielen atómov, ale aj ich jadier. V roku 1903 E. Rutherford a F. Soddy navrhli teóriu rádioaktívneho rozpadu, ktorá radikálne zmenila staré názory na štruktúru atómov. Podľa tejto teórie sa rádioaktívne prvky spontánne rozpadajú, uvoľňujú α- alebo β-častice a tvoria atómy nových prvkov, ktoré sú chemicky odlišné od pôvodných. Zároveň je zachovaná stabilita hmoty pôvodných atómov aj tých, ktoré vznikli v dôsledku procesu rozpadu. E. Rutherford v roku 1919 ako prvý študoval umelú premenu jadier. Pri bombardovaní atómov dusíka časticami α izoloval jadrá atómov vodíka (protóny) a atómy nuklidu kyslíka. Takéto premeny sa nazývajú jadrové reakcie, pretože z jadier atómov jedného prvku sa získajú jadrá atómov iných prvkov. Jadrové reakcie sú zapísané pomocou rovníc. Vyššie diskutovaná jadrová reakcia môže byť teda napísaná takto:
Fenomén rádioaktivity možno definovať pomocou pojmu izotopy: rádioaktivita je premena nestabilných jadier atómov jedného chemického prvku na jadrá atómov iného prvku, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním elementárnych častíc. Rádioaktivita, ktorú vykazujú izotopy prvkov, ktoré existujú v prírode, sa nazýva prirodzená rádioaktivita. Rýchlosť rádioaktívnych premien je pre rôzne izotopy rôzna. Vyznačuje sa konštantou rádioaktívneho rozpadu, ktorá ukazuje, koľko atómov rádioaktívneho nuklidu sa rozpadne za 1 s. Zistilo sa, že počet atómov rádioaktívneho nuklidu, ktorý sa rozpadne za jednotku času, je úmerný celkovému počtu atómov tohto nuklidu a závisí od hodnoty konštanty rádioaktívneho rozpadu. Napríklad, ak sa za určité obdobie rozpadla polovica z celkového počtu atómov rádioaktívneho nuklidu, potom sa v ďalšom takom období rozpadne polovica zvyšku, teda o polovicu menej ako v predchádzajúcom období atď.
Životnosť rádioaktívneho nuklidu je charakterizovaná jeho polčasom rozpadu, teda časovým úsekom, počas ktorého sa rozpadne polovica pôvodného množstva tohto nuklidu. Napríklad polčas rozpadu radónu je 3,85 dňa, rádia - 1620 rokov, uránu - 4,5 miliardy rokov. Sú známe tieto typy rádioaktívnych premien: α-rozpad, β-rozpad, spontánne (neúmyselné) jadrové štiepenie. Tieto typy rádioaktívnych premien sú sprevádzané uvoľňovaním α-častíc, elektrónov, pozitrónov a γ-lúčov. V procese α-rozpadu jadro atómu rádioaktívneho prvku uvoľní jadro atómu hélia, v dôsledku čoho sa náboj jadra atómu pôvodného rádioaktívneho prvku zníži o dve jednotky a hromadné číslo o štyri. Napríklad transformáciu atómu rádia na atóm radónu možno zapísať rovnicou
Jadrovú reakciu β-rozpadu, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním elektrónov, pozitrónov alebo strhávaním orbitálnych elektrónov, možno zapísať aj rovnicou
kde e je elektrón; hν - kvantum γ-žiarenia; ν o - antineutríno (elementárna častica, ktorej pokojová hmotnosť a náboj sú rovné nule).
Možnosť β-rozpadu je daná tým, že v súlade s modernými koncepciami sa neutrón môže za určitých podmienok premeniť na protón, pričom sa uvoľní elektrón a antineutríno. Protón a neutrón sú dva stavy tej istej jadrovej častice – nukleónu. Tento proces môže byť znázornený diagramom
Neutrón -> Protón + elektrón + antineutríno
Počas β-rozpadu atómov rádioaktívneho prvku jeden z neutrónov, ktorý je súčasťou jadra atómu, uvoľňuje elektrón a antineutríno, ktoré sa menia na protón. V tomto prípade sa kladný náboj jadra zvýši o jeden. Tento typ rádioaktívneho rozpadu sa nazýva rozpad elektrónov (β - rozpad). Ak teda jadro atómu rádioaktívneho prvku uvoľní jednu α-časticu, výsledkom je jadro atómu nového prvku s protónovým číslom o dve jednotky menej, a keď sa uvoľní β-častica, jadro atómu získa sa nový atóm s protónovým číslom o jeden väčším, ako má pôvodný. Toto je podstata Soddyho-Fajansovho zákona o vysídlení. Atómové jadrá niektorých nestabilných izotopov môžu uvoľňovať častice, ktoré majú kladný náboj +1 a hmotnosť blízku hmotnosti elektrónu. Táto častica sa nazýva pozitrón. Takže možná konverzia protónu na neutrón je podľa schémy:
Protón → Neutrón + Pozitrón + Neutrino
Transformácia protónu na neutrón sa pozoruje iba v prípade, keď je nestabilita jadra spôsobená nadmerným obsahom protónov v ňom. Potom sa jeden z protónov zmení na neutrón a pozitrón a neutríno, ktoré v tomto prípade vznikajú, vyletia za hranice jadra; jadrový náboj sa zníži o jeden. Tento typ rádioaktívneho rozpadu sa nazýva pozitrónový rozpad (β+-rozpad). Takže v dôsledku β-rozpadu jadra atómu rádioaktívneho prvku sa získa atóm prvku, ktorý je posunutý o jedno miesto doprava (β-rozpad) alebo doľava (β+-rozpad) od pôvodný rádioaktívny prvok. Zníženie jadrového náboja rádioaktívneho atómu o jeden môže byť spôsobené nielen rozpadom β+, ale aj elektrónovým ťahom, v dôsledku čoho je jeden z elektrónov elektrónovej gule najbližšie k jadru zachytený jadrom. . Tento elektrón s jedným z protónov jadra tvorí neutrón: e - + p → n
Teória štruktúry atómového jadra bola vyvinutá v 30-tych rokoch XX storočia. Ukrajinskí vedci D.D. Ivanenko a E.M. Gapon, ako aj nemecký vedec W. Heisenberg. Podľa tejto teórie sa jadrá atómov skladajú z kladne nabitých protónov a elektricky neutrálnych neutrónov. Relatívne hmotnosti týchto elementárnych častíc sú takmer rovnaké (hmotnosť protónov 1,00728, hmotnosť neutrónov 1,00866). Protóny a neutróny (nukleóny) sú obsiahnuté v jadre veľmi silnými jadrovými silami. Jadrové sily pôsobia len na veľmi malé vzdialenosti - rádovo 10 -15 m.
Energia, ktorá sa uvoľňuje pri tvorbe jadra z protónov a neutrónov, sa nazýva väzbová energia jadra a charakterizuje jeho stabilitu.
a jemné suspendované častice (PM)
Riadené procesy ionizácie vzduchu vedú k výraznému zníženiu počtu mikróbov, neutralizácii pachov a zníženiu obsahu niektorých prchavých organických zlúčenín (VOC) vo vnútornom ovzduší. Účinnosť odstraňovania drobných nerozpustených látok (prach) pomocou vysokoúčinných filtrov sa tiež zlepšuje použitím ionizácie vzduchu. Ionizačný proces zahŕňa tvorbu vzdušných iónov, vrátane superoxidu O2.- (dvojatómový radikálový ión kyslíka), ktorý rýchlo reaguje so vzduchom prenášanými VOC a suspendovanými časticami (PM). Význam chémie ionizácie vzduchu a jej potenciál pre výrazné zlepšenie kvality vzduchu v interiéri je diskutovaný na konkrétnych experimentálnych príkladoch. .
Ionizačné javy spojené s chemicky aktívnymi iónmi, radikálmi a molekulami sa vyskytujú v rôznych oblastiach meteorológie, klimatológie, chémie, fyziky, techniky, fyziológie a hygieny práce. Nedávny vývoj v umelej ionizácii vzduchu spolu s rastúcim záujmom o odstraňovanie VOC a PM zo vzduchu viedli k vývoju pokročilých technológií na zlepšenie kvality vzduchu v interiéri. Tento článok poskytuje pochopenie fyzikálnych a chemických vlastností iónov vzduchu a následne opisuje použitie ionizácie na čistenie vzduchu a odstraňovanie VOC a PM z neho.
FYZIKÁLNE VLASTNOSTI IÓNOV VZDUCHU.
Väčšina hmoty vo vesmíre je ionizovaná. V hlbokom vesmírnom vákuu sú atómy a molekuly v excitovanom energetickom stave a majú elektrický náboj. Zatiaľ čo na Zemi a v zemskej atmosfére väčšina hmoty nie je ionizovaná. Na ionizáciu a oddelenie náboja je potrebný dostatočne výkonný zdroj energie. Môže byť prírodného alebo umelého (antropogénneho) pôvodu a môže sa uvoľňovať v dôsledku jadrových, tepelných, elektrických alebo chemických procesov. Niektoré zdroje energie sú: kozmické žiarenie, ionizujúce (jadrové) žiarenie z pozemských zdrojov, ultrafialové žiarenie, náboj z trenia vetra, rozpad vodných kvapiek (vodopády, dážď), elektrický výboj (blesky), spaľovanie (požiare, horiace prúdy plynu, motory) a silné elektrické polia (korónový výboj).
Vplyv človeka na množstvo iónov v životnom prostredí:
● Počas spaľovacieho procesu sa súčasne tvoria ióny a suspendované častice. Ten spravidla absorbuje ióny, napríklad počas fajčenia alebo horenia sviečok.
● Vnútorné priestory, syntetický nábytok a umelé vetranie môžu znížiť počet nabitých častíc vo vzduchu.
● Elektrické vedenia produkujú prúdy iónov; zobrazenia videa vedú k zníženiu ich počtu.
● Špeciálne zariadenia produkujú ióny na čistenie vzduchu alebo na neutralizáciu jeho náboja.
Špeciálne navrhnuté zariadenia na umelú ionizáciu vzduchu sú lepšie ovládateľné ako prirodzené procesy. Nedávny vývoj veľkých iónových generátorov viedol ku komerčnej dostupnosti energeticky účinných modulov schopných produkovať požadované ióny kontrolovaným spôsobom s minimálnymi množstvami vedľajších produktov, ako je ozón. Iónové generátory našli uplatnenie pri kontrole statického povrchového náboja. Ionizátory vzduchu (generátory iónov) sa čoraz častejšie používajú na čistenie vnútorného vzduchu.
Ionizácia je proces alebo výsledok procesu, pri ktorom elektricky neutrálny atóm alebo molekula získava kladný alebo záporný náboj. Keď atóm absorbuje prebytočnú energiu, dochádza k ionizácii, výsledkom čoho je voľný elektrón a kladne nabitý atóm. Pojem „vzduchové ióny“ vo všeobecnosti označuje všetky častice vzduchu, ktoré majú elektrický náboj a ktorých pohyb je závislý od elektrických polí.
Chemické premeny vzdušných iónov, prirodzených aj umelo vytvorených, závisia od zloženia prostredia, najmä od druhu a koncentrácie plynných nečistôt. Výskyt špecifických reakcií závisí od fyzikálnych vlastností jednotlivých atómov a molekúl, ako je ionizačný potenciál, elektrónová afinita, protónová afinita, dipólový moment, polarizovateľnosť a reaktivita. Hlavné kladné ióny N 2 +, O 2 +, N + a O + sa veľmi rýchlo (v milióntininách sekundy) menia na protónované hydráty, zatiaľ čo voľné elektróny sa viažu na kyslík a vytvárajú superoxidový radikálový ión 3 O 2 .-, ktorý môžu tiež tvoriť hydráty. Tieto medziprodukty (medzičastice) sa súhrnne nazývajú „klastrové ióny“.
Klastrové ióny potom môžu reagovať s prchavými nečistotami alebo suspendovanými časticami. Počas svojho krátkeho života (asi minútu) sa klastrový ión môže zraziť s molekulami vzduchu v základnom stave až 1 000 000 000 000 krát (10 12). Na oddelenie a identifikáciu chemických spektier sa používajú chemické, jadrové, foto- a elektroionizačné procesy. Disociácia molekúl a reakcie v plynnej fáze a na povrchu pevných častíc výrazne komplikujú všeobecné reakčné schémy v reálnych médiách. Vlastnosti iónov sa neustále menia v dôsledku prebiehajúcich chemických reakcií, molekulárnych preskupení, tvorby molekulárnych zhlukov iónov a nabitých častíc. Protónované hydráty môžu mať priemer až 1 nm (0,001 µm) a pohyblivosť 1-2 cm2/Vs. Veľkosti iónových zhlukov sú asi 0,01-0,1 nm a ich pohyblivosť je 0,3-1·10-6 m2/V s. Posledné častice majú väčšiu veľkosť, ale sú rádovo menej mobilné. Pre porovnanie, priemerná veľkosť kvapiek hmly alebo prachových častíc je až 20 mikrónov.
Kombinovaná prítomnosť iónov a elektrónov vedie k vzniku vesmírneho náboja, to znamená k existencii voľného nekompenzovaného náboja v atmosfére. Je možné merať priestorovú hustotu kladného aj záporného náboja. Pri jasnom počasí na hladine mora je koncentrácia iónov oboch polarít asi 200-3 000 iónov/cm 3 . Ich počet sa výrazne zvyšuje počas dažďa a búrky v dôsledku prirodzenej aktivácie: koncentrácia záporných iónov sa zvyšuje na 14 000 iónov/cm 3 a pozitívnych iónov na 7 000 iónov/cm 3 . Pomer kladných a záporných iónov je zvyčajne 1,1 až 1,3, za určitých poveternostných podmienok klesá na 0,9. Fajčenie jednej cigarety znižuje počet iónov vo vzduchu v miestnosti na 10-100 iónov/cm 3 .
Ióny a iónové zhluky majú veľa príležitostí na zrážky a reakcie s akýmikoľvek nečistotami vzduchu, teda v podstate so všetkými zložkami atmosféry. Z atmosféry miznú v dôsledku reakcií s inými prchavými zložkami alebo naviazaním sa na väčšie častice prostredníctvom difúzneho náboja a náboja poľa. Čím vyššia je ich koncentrácia, tým kratšia je životnosť iónov (a naopak, životnosť je dlhšia pri nižších koncentráciách, pretože je menšia pravdepodobnosť kolízie). Životnosť vzdušných iónov priamo závisí od vlhkosti, teploty a relatívnej koncentrácie stôp prchavých látok a suspendovaných častíc. Typická životnosť prirodzene sa vyskytujúcich iónov v čistom vzduchu je 100 – 1 000 s.
CHÉMIA VZDUŠNÝCH IÓNOV
Kyslík je potrebný pre všetky formy života. Existuje však dynamická rovnováha medzi tvorbou kyslíka potrebného pre život na jednej strane a ochranou pred jeho toxickými účinkami na strane druhej. Existujú 4 známe oxidačné stavy molekulárneho kyslíka [O 2 ] n, kde n = 0, +1, -1, -2 pre molekulu kyslíka, katión, superoxidový ión a peroxidový anión (zapísané ako 3 O 2, 302.+, 302.- a 302-2). Navyše „obyčajný“ kyslík vo vzduchu 3 O 2 je v „zemnom“ (energeticky nevzbudzovanom) stave. Je to voľný „biradikál“ s dvoma nepárovými elektrónmi. V kyslíku majú dva páry elektrónov vo vonkajšej vrstve paralelné spiny, čo naznačuje tripletový stav (horný index 3, ale pre jednoduchosť sa to zvyčajne vynecháva). Samotný kyslík je zvyčajne konečným akceptorom elektrónov v biochemických procesoch. Nie je príliš chemicky aktívny a sám neničí biosystémy oxidáciou. Je však prekurzorom iných foriem kyslíka, ktoré môžu byť toxické, ako je ión superoxidového radikálu, hydroxylový radikál, peroxidový radikál, alkoxy radikál a peroxid vodíka. Ďalšie chemicky aktívne molekuly zahŕňajú singletový kyslík 1 O 2 a ozón O 3 .
Kyslík vo svojom normálnom stave zle reaguje s väčšinou molekúl, ale môže byť „aktivovaný“ poskytnutím dodatočnej energie (prírodnej alebo umelej, elektrickej, tepelnej, fotochemickej alebo jadrovej) a jej premenou na reaktívne formy kyslíka (ROS). Premena kyslíka na reaktívny stav pridaním jedného elektrónu sa nazýva redukcia (Rovnica 1). Donorová molekula, ktorá daruje elektrón, je oxidovaná. Výsledkom tejto čiastočnej redukcie tripletového kyslíka je superoxid O 2 ·-. Je to radikál (označený bodkou) aj ión (náboj -1).
O 2 + e - → O 2 .- (1)
Ión superoxidového radikálu je najdôležitejším radikálom produkovaným v ľudskom tele: dospelý človek s hmotnosťou 70 kg ho syntetizuje najmenej 10 kg (!) ročne. Približne 98 % kyslíka spotrebovaného mitochondriálnym dýchaním sa premení na vodu a zvyšné 2 % sa premenia na superoxid, ktorý vzniká v dôsledku nežiaducich reakcií v dýchacom systéme. Ľudské bunky neustále produkujú superoxid (a z neho vznikajúce chemicky aktívne molekuly) ako „antibiotikum“ proti cudzím mikroorganizmom. Biológiu vzdušných iónov a kyslíkových radikálov zhodnotili Krueger a Reed, 1976. Superoxid tiež pôsobí ako signálna molekula na reguláciu mnohých bunkových procesov spolu s NO. . V biologických podmienkach reaguje so sebou za vzniku peroxidu vodíka a kyslíka v reakcii 2, známej ako dismutačná reakcia. Môže byť spontánny alebo katalyzovaný enzýmom superoxiddismutáza (SOD).
202.- + 2 H + → H202 + O2 (2)
Superoxid môže byť oxidačným činidlom (akceptor elektrónov) aj redukčným činidlom (donor elektrónu). Je veľmi dôležitý pre tvorbu aktívneho hydroxylového radikálu (HO), katalyzovaného iónmi kovov a/alebo slnečným žiarením. Superoxid reaguje s radikálom oxidu dusnatého (NO.), pričom vzniká in vivoďalšou aktívnou molekulou je peroxynitrát (OONO.). Superoxid sa potom môže redukovať na peroxid (O 2 -2) - aktivovanú formu kyslíka, ktorý sa vo vodnom prostredí vyskytuje vo forme peroxidu vodíka (H 2 O 2) a je potrebný pre zdravie.
Superoxid je produktom disociácie slabej kyseliny - hydroperoxidového radikálu HO 2 ·. Vo vodných systémoch je pomer množstiev týchto dvoch častíc určený kyslosťou média a zodpovedajúcou rovnovážnou konštantou. Superoxid môže vznikať aj v dôsledku negatívnej ionizácie vzduchu. Vznik malých koncentrácií vo vlhkom vzduchu potvrdil aj výskum.
Zhluky superoxidových iónov rýchlo reagujú s časticami vo vzduchu a prchavými organickými zlúčeninami. Zatiaľ čo peroxid vodíka je oxidačné činidlo, kombináciou peroxidu vodíka a superoxidu (rov. 3) vzniká oveľa reaktívnejší druh, hydroxylový radikál, najsilnejšie známe oxidačné činidlo.
202.- + H202 → O2 + OH. +OH - (3)
Identifikácia jednotlivých častíc zúčastňujúcich sa chemických reakcií je netriviálna úloha. Simulácia reakčnej schémy môže zahŕňať desiatky homogénnych a heterogénnych reakcií medzi časticami uvedenými vyššie.
AKTÍVNE DRUHY KYSLÍKA
Kyslík, superoxid, peroxid a hydroxyl sa nazývajú reaktívne formy kyslíka (ROS) a môžu sa podieľať na rôznych redoxných reakciách v plynnom aj vodnom prostredí. Tieto aktívne častice sú veľmi dôležité pre rozklad organických látok prítomných v atmosfére, smogových častíc a pre rozklad ozónu (O 3). Hydroxylový radikál je kľúčovým faktorom pri rozklade prchavých organických zlúčenín v troposfére prostredníctvom série zložitých chemických reakcií vrátane oxidácie (odstraňovanie elektrónov z organických zlúčenín), ktoré môžu následne reagovať s inými organickými molekulami v reťazovej reakcii.
Reaktívne formy kyslíka boli nájdené v pozemskom aj vo vesmíre. Senzory v tuhom stave na báze SnO 2, bežne používané na detekciu stopových plynov, sú ovplyvnené chemisorpciou kyslíka a vodnej pary. Pri dostatočne vysokej prevádzkovej teplote sa kyslík zo vzduchu adsorbuje na kryštalických povrchoch, ktoré majú záporný náboj. V tomto prípade sa elektróny kryštálov presúvajú na adsorbovaný O 2 za vzniku superoxidových radikálov, ktoré potom reagujú s CO, uhľovodíkmi a inými nečistotami plynov alebo pár. V dôsledku uvoľnenia elektrónov sa povrchový náboj znižuje, čo spôsobuje zvýšenie vodivosti, ktorá je fixná. Podobné chemické procesy sa vyskytujú pri fotokatalytickej oxidácii, palivových článkoch s pevným oxidom a rôznych netepelných plazmových procesoch.
Vesmírni vedci naznačujú, že nezvyčajnú aktivitu marťanskej pôdy a nedostatok organických zlúčenín má na svedomí ultrafialové žiarenie, ktoré spôsobuje ionizáciu atómov kovov a tvorbu reaktívnych foriem kyslíka na pôdnych granulách. Tri radikály O·-, O2·- a O3·-, ktoré sa zvyčajne tvoria vplyvom UV žiarenia v prítomnosti kyslíka, sa niekedy súhrnne nazývajú reaktívne formy kyslíka (ROS). O 2 · je najmenej aktívny, najstabilnejší a najpravdepodobnejšie kyslíkový radikál, ktorý vzniká pri normálnych teplotách na Zemi. Jeho chemické vlastnosti zahŕňajú reakciu s vodou za vzniku hydratovaných klastrových iónov. Dve vzájomne prepojené častice - hydroxid a hydroperoxid - sú schopné oxidovať organické molekuly. Superoxid reaguje s vodou (rov. 4) za vzniku kyslíka, perhydroxylových a hydroxylových radikálov, ktoré sú ľahko schopné oxidovať organické molekuly.
2 O 2 .- + H 2 O → O 2 + HO 2 .- + OH .- (4)
Superoxid môže tiež priamo reagovať s ozónom za vzniku hydroxylových radikálov (Rov. 5).
202.- + O3 + H20 → 202 + OH- + OH. (5)
Môžeme predpokladať nasledujúcu súhrnnú schému (rov. 6), vrátane niekoľkých reakcií opísaných vyššie. V ňom superoxid vznikajúci počas ionizácie vzduchu spôsobuje oxidáciu prchavých organických zlúčenín spojených s časticami suspendovanými vo vzduchu s kovovými inklúziami:
C x H y + (x + y/4) O2 → x CO2 + (y/2) H20 (6)
Toto je zjednodušená reprezentácia. Pre každú z reaktívnych foriem kyslíka (ROS) existuje niekoľko predpokladaných alebo potvrdených reakčných schém na ich vzájomnú konverziu.
Premena jednotlivých VOC, teda zánik pôvodných častíc a tvorba vedľajších produktov namiesto oxidu uhličitého a vody, pred aj po ionizácii vzduchu, bola predpokladaná a modelovaná vo vedeckých prácach. Je dobre známou skutočnosťou, že netepelné plazmy v plynnej fáze, ktoré sa generujú elektronicky pri izbovej teplote a atmosférickom tlaku, môžu zničiť nízke koncentrácie VOC (koncentrácia 10-100 cm 3 /m 3 ) v pulznom korónovom reaktore. . Účinnosť zničenia alebo eliminácie (EDE) bola približne odhadnutá na základe chemického ionizačného potenciálu. Ionizácia a iné procesy korónového výboja sa používajú najmä na úpravu vzduchu obsahujúceho relatívne nízke počiatočné koncentrácie VOC (100-0,01 cm3/m3). Množstvo súkromných a vládnych výskumníkov uviedlo chemické zlúčeniny, ktoré sú spracovateľné (tabuľka 1), to znamená, že tieto látky môžu byť chemicky zmenené alebo zničené ionizáciou vzduchu a súvisiacimi procesmi.
Tabuľka 1. Chemické zlúčeniny, ktoré možno odstrániť zo vzduchu ionizáciou (*).
|
názov |
názov |
||||
|
Oxid uhoľnatý |
naftalén |
||||
|
Oxidy dusíka |
|||||
|
formaldehyd |
|||||
|
Acetaldehyd |
|||||
|
Metylalkohol |
|||||
|
Metyletylketón |
|||||
|
Metylénchlorid |
|||||
|
cyklohexán |
1,1,1-trichlóretán |
||||
|
1,1,2-trichlóretán |
|||||
|
Tetrachlorid uhličitý |
|||||
|
Xylén (o-, m-, p-) |
tetrachlóretylén |
||||
|
1,2,4-trimetylobenzén |
Hexafluóretán |
||||
|
Etylbenzén |
|||||
*Účinnosť závisí od počiatočných koncentrácií, relatívnej vlhkosti a obsahu kyslíka.
Keď je vzduch ionizovaný, nastanú podobné procesy, vrátane oxidácie organických zlúčenín bipolárnymi iónmi a voľnými radikálmi na medziprodukty a nakoniec na oxid uhličitý a vodu. Sú možné štyri reakčné procesy zahŕňajúce vzdušné ióny: (i) rekombinácia s inými iónmi, (ii) reakcia s molekulami plynu, (iii) pripojenie k väčším časticiam a (iv) kontakt s povrchom. Prvé dva procesy môžu pomôcť odstrániť VOC; posledné dva môžu pomôcť odstrániť častice.
PRINCÍP FUNGOVANIA IONIZÁTOROV VZDUCHU
Bipolárne ionizátory vzduchu vytvárajú nabité molekuly. Získaním alebo darovaním elektrónu získava molekula záporný alebo kladný náboj. V súčasnosti sa používajú tri typy ionizačných systémov: fotónové, jadrové a elektronické. Fotónová ionizácia využíva mäkké röntgenové zdroje na vyradenie elektrónov z molekúl plynu. Polónium-210 sa používa v jadrových ionizátoroch, slúži ako zdroj α-častíc, ktoré pri zrážke s molekulami plynu vyraďujú elektróny. Molekuly, ktoré stratili elektróny, sa stávajú kladnými iónmi. Neutrálne molekuly plynu rýchlo zachytávajú elektróny a stávajú sa zápornými iónmi. Tieto typy generátorov neobsahujú ihly emitora, takže usadeniny nie sú problémom. Röntgenové a jadrové zdroje však musia byť inštalované starostlivo a neustále monitorované, aby sa predišlo bezpečnostným rizikám.
Elektrónové ionizátory alebo ionizátory korónového výboja využívajú vysoké napätie aplikované na hrot žiariča alebo mriežku na vytvorenie silného elektrického poľa. Toto pole interaguje s elektrónmi blízkych molekúl a vytvára ióny rovnakej polarity ako aplikované napätie. Tieto ionizátory sú klasifikované podľa typu použitého prúdu: impulzný, jednosmerný a striedavý prúd. Ionizátory striedavého prúdu sú bipolárne, pri každom cykle striedavo produkujú záporné a kladné ióny. Tvorba iných chemikálií závisí od typu prúdu, režimu, koncentrácie unipolárnych iónov, pomeru kladných a záporných iónov a relatívnej vlhkosti. Ionizátory striedavého prúdu, úplne prvý typ elektronického ionizátora, majú vlastné kolísanie napätia a elektrické polia, ktoré vytvárajú, prechádzajú cez kladné a záporné vrcholy.
Množstvo vytvorených vzduchových iónov sa meria pomocou nabitých platňových zapisovačov. Alebo je možné použiť merač elektrostatického poľa na zaznamenávanie statického útlmu na sklenených substrátoch. Monitorovanie iónov vám umožňuje generovať stanovený počet iónov pre optimálny výkon.
Je dôležité rozlišovať medzi rôznymi typmi elektronických čističiek vzduchu. Ionizátory vzduchu, elektrostatické filtre a generátory ozónu sú často kombinované, ale majú jasné rozdiely v prevádzkových režimoch.
Systém ionizácie vzduchu má niekoľko komponentov: senzory na monitorovanie kvality vzduchu (VOC a PM), elektronické monitorovanie iónov a ionizačné moduly na generovanie požadovaného počtu iónov. Priemyselné systémy ionizácie vzduchu automaticky riadia proces ionizácie, aby zabezpečili príjemnú klímu, znížili mikrobiálnu kontamináciu a neutralizovali pachy rozkladom a/alebo odstránením prchavých a suspendovaných zložiek vo vnútornom vzduchu. Ionizačné systémy úpravy vzduchu sú určené na inštaláciu priamo do uzavretého priestoru alebo do systému centrálneho prívodu vetracieho vzduchu. Vzduch potom môže byť vypustený priamo do vnútornej atmosféry alebo vrátený po zmiešaní s vonkajším vzduchom.
Umiestnenie ionizačných modulov na konkrétne miesto môže byť založené na zdrojoch VOC a PM a ich intenzite. Ionizačné zariadenia je možné umiestniť priamo do centrálnej jednotky klimatizačnej jednotky na úpravu celého prúdu. Môžu byť tiež inštalované v existujúcom potrubí za centrálnym systémom HVAC (kúrenie, ventilácia a klimatizácia). Je tiež možné umiestniť samostatné ionizačné zariadenia v oddelených miestnostiach, aby vyhovovali okamžitým potrebám. Správna prevádzka ionizačného systému na zlepšenie kvality vnútorného vzduchu si vyžaduje optimalizáciu siedmich faktorov, ktoré popisujú konkrétnu situáciu a požiadavky. Pri prevádzke priemyselného ionizátora vzduchu sa riadia tieto parametre: požadovaná úroveň intenzity iónov, výkon a pokrytie prúdenia vzduchu, vlhkosť, kvalita vzduchu a detekcia ozónu.
Obrázok 1. Schéma procesu ionizácie vzduchu.
Prietokový snímač meria objemový prietok vzduchu (v cfm). Senzor vlhkosti meria množstvo vodnej pary vo vzduchu. Senzor(y) kvality vzduchu určí relatívnu potrebu ionizácie. Tieto snímače môžu byť umiestnené buď v potrubí spätného vzduchu alebo v externom prívode vzduchu. Je možné nainštalovať ďalší snímač kvality vzduchu (voliteľný), aby sa zabezpečilo, že úrovne ozónu, ktorý môže byť produkovaný v malých množstvách ako vedľajší produkt, budú pod stanovenými limitmi. Iný typ snímača (tiež voliteľný) možno použiť na meranie relatívnych hladín určitých frakcií pevných častíc (PM), ktoré je možné odstrániť zo vzduchu ionizáciou. Signály zo snímačov sa zaznamenávajú pomocou PC. Odozva ionizačného systému je vizuálne zobrazená vo forme niekoľkých grafov v reálnom čase a je tiež uložená pre neskoršie použitie. Všetky informácie sú klientovi dostupné cez sieť cez bežný prehliadač.
Praktické experimenty a objektové štúdie.
Ionizačné technológie sa v rôznych oblastiach používajú už dlhú dobu. Kontrola elektrostatického výboja (neutralizácia náboja vzdušnými iónmi) je veľmi dôležitá pri citlivých procesných operáciách, ako je výroba polovodičov alebo nanomateriálov. Ionizácia sa používa na čistenie vzduchu, čo je v dnešnej dobe obzvlášť dôležité. Prchavé organické zlúčeniny (VOC), pachy, sú oxidované reaktívnymi formami kyslíka. Častice, ako je tabakový dym, peľ a prach, sa pri vystavení vzdušným iónom zhlukujú. Baktérie a plesne prenášané vzduchom sú neutralizované. Medzi ďalšie výhody patrí úspora energie, keďže sa na klimatizáciu používa menej vonkajšieho vzduchu, ako aj celkové zvýšenie vnútorného komfortu. Ionizačné systémy boli inštalované na zlepšenie kvality vzduchu v domácich a kancelárskych priestoroch. Boli tiež nainštalované na kontrolu prchavých zlúčenín a suspendovaných častíc v inštitúciách, obchodných a priemyselných priestoroch. Krátky zoznam experimentov vykonaných na skutočných objektoch ilustruje rozmanitosť možných aplikácií (tabuľka II).
Tabuľka II. Objekty experimentov s ionizáciou vzduchu
|
Objekt |
Poloha |
Aplikácia |
|
Inžinierske centrum |
Veľké mesto |
Odstránenie špecifických VOC |
|
Platobné centrum |
medzinárodné letisko |
Odstránenie výfuku lietadla |
|
Vintage hotel |
Centrum mesta |
Úspora energie, zlepšenie kvality vzduchu |
|
Moderný hotel |
medzinárodné letisko |
Odstránenie výfuku lietadla |
|
Nákupné centrum |
Centrum hlavného mesta |
Kontrola VOC, úspora energie |
|
Snemovne parlamentu |
Neutralizácia pachov, VOC, choroboplodných zárodkov |
|
|
Reštauračný komplex |
centrálne námestie |
Neutralizácia kuchynských pachov |
|
Samostatná reštaurácia |
Centrum mesta |
Neutralizácia kuchynských pachov a tabakového dymu |
|
Závod na spracovanie mäsa |
Veľké mesto |
Neutralizácia mikróbov vo vzduchu, zápach z odpadu |
|
Skladovanie mäsa/produktov |
Supermarket |
Neutralizácia kuchynských pachov a mikróbov |
|
Anatomické laboratórium |
Zdravotnícka škola |
Odstránenie formaldehydu |
|
Patologické laboratórium |
NEMOCNICA |
Odstránenie svetoobčanov |
|
Futbalový štadión |
Veľké mesto |
Neutralizácia pachov |
|
Továreň na nábytok |
Priemyselná zóna |
Odstránenie tabakového dymu |
|
Tlačiareň |
Mestečko |
Odstraňovanie výparov čističa |
|
Salón |
Veľké mesto |
Odstránenie VOC (zápach laku na nechty) |
|
Miesto spracovania zvierat |
Výskumné laboratórium |
Odstránenie pachov a baktérií vo vzduchu |
Systém ionizácie vzduchu bol inštalovaný vo veľkom inžinierskom centre (Siemens AG, Berlín) s niekoľkými stovkami zamestnancov vo viacposchodovej budove. Kvantifikovali sa zníženia hladín 59 špecifických VOC patriacich do deviatich rôznych tried látok (tabuľka III). Obsah VOC bol stanovený plynovou chromatografiou-hmotnostnou spektroskopiou (GC/MS) vo vzorkách odobratých do sorbentových skúmaviek počas experimentálneho obdobia, s ionizáciou a bez nej. Hoci VOC 31 a 59 už boli pod zistiteľnou hranicou, ich množstvá sa nad ňu nezvýšili. Celkové množstvo VOC sa znížilo o 50 %. Toto sú vynikajúce výsledky, ak vezmeme do úvahy počiatočnú hladinu 112 µg/m 3 a cieľovú úroveň účinnosti 300 µg/m 3 . Hladiny látok 20 a 59 klesli, hladiny ostatných látok sa nezvýšili. Neboli zistené žiadne nové VOC ako produkty neúplnej ionizácie.
Okrem toho sa počas experimentu neustále merala hladina ozónu v miestnosti, s ionizáciou aj bez nej. Priemerná hladina počas mesiaca experimentu bola 0,7 ppbv bez použitia ionizácie a maximálna hodnota bola 5,8 ppbv. To je porovnateľné s regulačným limitom 100 ppbv. Priemerná hladina počas ionizácie bola 6,6 ppbv, maximálna hodnota bola 14,4 ppbv. Hladiny vonkajšieho ozónu neboli merané priamo, ale možný rozsah bol vypočítaný na 10-20 ppbv.
Tabuľka III. Miesto A: Inžinierske centrum (a).
|
Komponent (#) |
Bez ionizácie, μg/m3 |
S ionizáciou μg/m3 |
|
Aromatické zlúčeniny (20) |
||
|
Alkány (13) |
4-1 alebo menej |
|
|
izoalkány (9) |
4-1 alebo menej |
|
|
cykloalkány (3) |
||
|
Alkoholy (8) |
||
|
Ketóny (7) |
||
|
Estery (3) |
||
|
chlórované uhľovodíky (9) |
2-1 alebo menej |
2-1 alebo menej |
|
terpény (5) |
3-1 alebo menej |
|
|
Celkové VOC (59) |
Ďalší experiment sa uskutočnil v platobnom centre pri veľkom medzinárodnom letisku (Visa, Zurich), kde sú pracovníci kancelárie vystavení výfukovým plynom z lietadiel a pozemnej dopravy. Hladiny troch VOC boli kvantifikované s ionizáciou a bez nej (tabuľka IV). Došlo k výraznému zníženiu škodlivých pachov spôsobených nedokonalým spaľovaním paliva.
Tabuľka IV. Objekt B. Turistické centrum.
V súčasnosti prebiehajú ďalšie štúdie s cieľom poskytnúť kvantitatívne výsledky o eliminácii špecifických kontaminantov v rôznych aplikáciách. Zhromažďujú sa aj neoficiálne dôkazy od pracovníkov a manažérov závodov, ktorí hlásia výrazné zníženie dymu a zápachu a celkové zlepšenie kvality vnútorného ovzdušia.
Ionizácia vzduchu: kam smerujeme...
Vplyv fyzikálnych síl, stavu agregácie a hmotnosti nielen na výsledok, ale aj na spôsob premeny jedného druhu hmoty na iný - v skratke podmienky chemickej premeny - je pre chemika naliehavým problémom, ktorý sa len nedávno začal experimentálne skúmať. Existuje mnoho ťažkostí, ktoré sužujú túto líniu výskumu, ale najdôležitejšou z nich je, že je ťažké nájsť reakciu, ktorá je svojou povahou jednoduchá, vyskytujúca sa medzi látkami, ktoré by sa dali prijať v čistej forme, a poskytujúce produkty, ktoré by sa dali presne definovať. .
Technológie čistenia vzduchu zahŕňajú: (I) fyzikálne, (II) fyzikálno-chemické a/alebo (III) elektronické procesy alebo ich kombináciu (tabuľka IV). Filtrácia PM zahŕňa fyzické alebo mechanické zhromažďovanie častíc na poréznom alebo vláknitom materiáli. Mechanizmy odstraňovania sú kolízia, sedimentácia a difúzia. Filtrácia v plynnej fáze zahŕňa sorpciu VOC na pevný povrch s možným výskytom chemických reakcií. Chemisorbenty sú impregnované chemicky aktívnymi zložkami, ako sú kyseliny, zásady alebo redukčné činidlá, prípadne katalyzátormi alebo fotokatalyticky aktívnymi materiálmi.
Elektronické čističky vzduchu možno ďalej klasifikovať podľa typu ionizácie a prevádzkového režimu. Najjednoduchšie sú bipolárne prístroje na ionizáciu vzduchu, iné využívajú rôzne varianty plazmových a koronárnych výbojov. Tieto zariadenia produkujú zhluky záporných a/alebo kladných iónov. Tieto ióny nabíjajú PM, čo uľahčuje filtrovanie. Klastrové ióny tiež chemicky reagujú a ničia VOC. Hoci je tento proces podobný mnohým známym oxidačným procesom, je predsa len jemnejší a komplexnejší. Môže sa uskutočňovať pri teplote miestnosti bez prítomnosti pevných katalyzátorov. Ionizátory vzduchu sa líšia od elektrostatických odlučovačov tým, že PM získavajú elektrický náboj priamym kontaktom so vzduchovými iónmi a nie kontaktom s elektricky nabitým povrchom. Ionizátory vzduchu sa od generátorov ozónu líšia aj tým, že aktívne častice sú zhluky negatívnych alebo pozitívnych iónov, a nie ozón, ktorého hladina je zo zdravotných dôvodov regulovaná vo vzduchu v interiéri.
Technológia ionizácie vzduchu, aj keď je dobre vyvinutá, len teraz nachádza uplatnenie pri čistení vzduchu pre VOC a PM, od riadenia ESD v citlivých procesných operáciách až po ničenie nebezpečných látok znečisťujúcich ovzdušie. Súvisiace technológie zahŕňajú oxidáciu v pulzných korónových reaktoroch a iných netepelných plazmových zariadeniach. Ionizačné čistenie vzduchu má mnoho výhod: ničenie, konverzia a eliminácia potenciálne nebezpečných VOC a PM; rozšírený a zlepšený výkon konvekčných technológií (filtrácia a adsorpcia); nízka spotreba energie; minimálne usadeniny PM na vnútorných povrchoch; menej nebezpečných činidiel a vedľajších produktov; a potenciál pre zlepšenie zdravia.
Tabuľka V. Porovnanie systémov čistenia vzduchu
|
Bipolárna ionizácia vzduchu |
Generovanie ozónu |
Elektrostatický zber prachu |
Filtrácia v plynnej fáze |
Filtrácia |
|
|
Prevádzka |
Elektronické |
Elektronické |
Elektronické |
Fyzikálne chemické |
Fyzické |
|
Tichý výboj |
Bariérový výboj |
Vysokonapäťová sieť a platňa |
Selektívna sorpcia a reakcie |
Ploché skladané filtre, VEVF |
|
|
Generovanie (+) a (-) iónov |
Generovanie ozónu |
Náplň suspendovaných častíc |
Sorpcia a reakcia |
Ukladanie častíc na porézny povrch |
|
|
Aktívne častice |
Bipolárne ióny a radikály (O 2 .-) |
Nabité častice |
Miesta sorpcie a reakcií |
Veľká plocha |
|
|
Produkty |
CO 2, H 2 O, zväčšené častice |
CO2, H2O, O3 |
Zväčšené častice |
Zníženie množstva VOC |
Zníženie množstva PM |
|
Vedľajšie produkty |
Minimálne množstvo, O 3, ak nie je kontrolované |
Významné množstvá O 3, |
O 3, ak sa pravidelne nečistí |
Použitá podstielka s kontaminantom |
Použité filtre s nečistotami |
|
Starostlivosť o svoje zdravie |
Limit O3 |
Vystavenie ozónu |
Vystavenie vysokému napätiu a ozónu |
Akumulácia, skladovanie, likvidácia |
Odstránenie špinavých filtrov |
|
Chemická oxidácia |
Chemická oxidácia |
Sorpcia VOC na PM |
Adsorpcia/absorpcia |
||
|
Priľnavosť |
Hromadenie na tanieroch |
Hromadenie v podstielke |
Zhutňovanie, sedimentácia, difúzia |
||
|
Oxidácia |
Oxidácia |
Adsorpcia/absorpcia |
|||
|
Deaktivácia |
Deaktivácia |
Zriedkavo |
Zriedkavo |
||
|
Kontrola |
Ióny na požiadanie |
Konštantná generácia |
Návrh procesu |
Návrh procesu |
Návrh procesu |
|
cena |
Mierne |
mmHg čl. kg. kg. W = kg/h Výkon zvlhčovača |
Magnetické vlastnosti atómu
Elektrón má svoj vlastný magnetický moment, ktorý je kvantovaný v smere rovnobežnom alebo opačnom k aplikovanému magnetickému poľu. Ak dva elektróny okupujúce rovnaký orbitál majú opačne orientované spiny (podľa Pauliho princípu), potom sa navzájom rušia. V tomto prípade hovoríme, že elektróny spárované. Atómy s iba spárovanými elektrónmi sú vytlačené z magnetického poľa. Takéto atómy sa nazývajú diamagnetické. Atómy, ktoré majú jeden alebo viac nepárových elektrónov, sú vťahované do magnetického poľa. Οʜᴎ sa nazývajú diamagnetické.
Magnetický moment atómu, ktorý charakterizuje intenzitu interakcie atómu s magnetickým poľom, je prakticky úmerný počtu nespárovaných elektrónov.
Vlastnosti elektronickej štruktúry atómov rôznych prvkov sa odrážajú v takých energetických charakteristikách, ako je ionizačná energia a elektrónová afinita.
Energia (potenciál) ionizácie atómu E i je minimálna energia potrebná na odstránenie elektrónu z atómu do nekonečna podľa rovnice
X = X++ e −
Jeho hodnoty sú známe pre atómy všetkých prvkov periodickej tabuľky. Napríklad ionizačná energia atómu vodíka zodpovedá prechodu elektrónu z 1 s-energetická podhladina (−1312,1 kJ/mol) do podhladiny s nulovou energiou a rovná sa +1312,1 kJ/mol.
Pri zmene prvých ionizačných potenciálov zodpovedajúcich odstráneniu jedného elektrónu atómov je periodicita jasne vyjadrená so zvyšujúcim sa atómovým číslom:
Obrázok 13
Pri pohybe zľava doprava v priebehu periódy sa ionizačná energia vo všeobecnosti postupne zvyšuje, so zvyšujúcim sa atómovým číslom v skupine sa znižuje. Alkalické kovy majú minimálny prvý ionizačný potenciál a vzácne plyny maximum.
Pre ten istý atóm sa vždy zvyšuje druhá, tretia a nasledujúca ionizačná energia, pretože elektrón musí byť odtrhnutý od kladne nabitého iónu. Napríklad pre atóm lítia je prvá, druhá a tretia ionizačná energia 520,3, 7298,1 a 11814,9 kJ/mol.
Postupnosť abstrakcie elektrónov je zvyčajne obrátená postupnosť plnenia orbitálov elektrónmi v súlade s princípom minimálnej energie. V tomto prípade prvky, ktoré sú obsadené d-orbitaly su vynimky - v prvom rade nestrataju d-, A s-elektróny.
Magnetická charakteristika atómu Elektrón má svoj vlastný magnetický moment, ktorý je kvantovaný v smere rovnobežnom alebo opačnom k aplikovanému magnetickému poľu. Ak dva elektróny okupujúce rovnaký orbitál majú opačné spiny... [čítať ďalej]
Ionizačný proces je vyjadrený schémou: E - n En+. Okrem toho môže ionizácia nastať mnohokrát. Ionizácia atómu určuje schopnosť atómu vzdať sa elektrónu a podstúpiť oxidáciu. Táto vlastnosť (eionizácia) určuje povahu a silu chemickej väzby. Proces... [čítať ďalej]
Charakteristika atómu. Napájanie na samooverovanie Reči, ktoré sa nerozpadajú na ióny a nevedú elektrický prúd, sa nazývajú neelektrolyty. Elektrolyty a neelektrolyty V drvenom či roztopenom sú zrejme len slová... [čítať ďalej]
Na opísanie energetických charakteristík elektrónu v atóme je potrebné uviesť hodnoty štyroch kvantových čísel: hlavné, sekundárne, magnetické a spinové kvantové číslo. Pozrime sa na ne samostatne. 1) Hlavné kvantové číslo „n“ charakterizuje energiu elektrónu v atóme,...
