Получить файл в формате MS Word 97 for Windows

ХИМИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
Программа спецкурса
Спецкурс предназначен для студентов и аспирантов, специализирующихся в области химии
плазмы (газовой электрохимии). Предполагается предварительное знакомство слушателей с курсами
общей физики и физической химии, читаемыми для студентов химического факультета МГУ. Объём
спецкурса – 24 часа.
1. Введение в предмет.
1.1.
Понятие плазмы, представление о её составе и характерных свойствах. Классификация различных
видов плазмы. Особенности низкотемпературной (“холодной”) плазмы.
1.2.
Роль электронов в энергетическом балансе низкотемпературной плазмы. Решение задачи двух тел
для случая столкновения электрона с тяжёлой частицей (атомом, молекулой, ионом).
1.3.
Типы газовых разрядов: таунсендовский, тлеющий, коронный, барьерный (в частности,
поверхностный), искровой, дуговой, импульсный, высокочастотный (ВЧ), сверхвысокочастотный
(СВЧ). Условия их возникновения (существования), основные свойства: пространственная
неоднородность, нестационарность, неравновесность (соотношение средних энергий электронов и
тяжёлых частиц).
1.4.
Обзор современных промышленных применений газовых разрядов: химический синтез (в
частности, синтез озона), очистка газовых выбросов, обработка поверхности, техника высоких
напряжений, генерация излучения. Перспективы развития химии низкотемпературной плазмы.
2. Элементы физики газового разряда.
2.1.
Вольт-амперная характеристика таунсендовского разряда. Условия электрического пробоя газового
промежутка между двумя металлическими электродами. Кривые Пашена. Пример задачи о выборе
пути развития разряда.
2.2.
Теория Таунсенда. Представление об “электронном рое” (ансамбле электронов). Дрейфовая
скорость
электронов.
Ионизация.
1-ый
коэффициент
Таунсенда.
Понятие
приведённой
напряжённости электрического поля (Е/Р и E/N). Электронная лавина. Дрейф положительных
ионов. Катодная эмиссия и 2-ой коэффициент Таунсенда. Условия электрического пробоя газового
промежутка между двумя металлическими электродами (по Таунсенду) и объяснение поведения
кривых Пашена.
2.3.
Особенности электрического разряда в электроотрицательных газах. Коэффициент прилипания
электронов и обобщённый коэффициент Таунсенда. Дрейф и разрушение отрицательных ионов.
2.4.
Тлеющий разряд: структура, баланс заряженных частиц (электронов и ионов), баланс энергии,
вольт-амперная характеристика. Представление о явлении контракции.
2.5.
Искровой разряд. Понятия ионизационной волны и стримера. Лавинно-стримерный переход.
Примеры
возникновения
стримеров,
возникновения “затравочных” электронов.
их
характерные
свойства.
Возможные
механизмы
2
3. Элементарные
процессы
с
участием
электронов,
протекающие
в
низкотемпературной плазме.
3.1.
Элементы теории рассеяния. Эксперименты с электронными и молекулярными пучками.
Дифференциальное и полное сечение рассеяния (упругого, неупругого, с химической реакцией).
Связь между сечениями, детальными и кинетическими константами скоростей элементарных
процессов (химических реакций). Соотношения между коэффициентами Таунсенда и константами
скоростей соответствующих элементарных реакций.
3.2.
Элементарные процессы с участием электронов, типичные для условий слабоионизованной плазмы:
упругое рассеяние, образование одноатомных частиц (атомов и ионов) в электронно-возбуждённых
состояниях и многоатомных – во вращательно-колебательно-электронно-возбуждённых состояниях;
ионизация и прилипание электронов, диссоциация молекул и диссоциативное прилипание,
электрон-ионная рекомбинация. Представление о характере зависимостей сечений указанных
процессов от энергии, а также об особенностях зависимостей констант скоростей соответствующих
реакций от приведённой напряжённости электрического поля.
3.3.
Кинетическое уравнение Больцмана. Дрейфовые члены для случаев однородной и неоднородной
плазмы. Структура интеграла столкновений. Особенности решения уравнения Больцмана при
описании распределения электронов в слабоионизованной плазме. Характерные времена
установления функции распределения электронов по энергиям в слабоионизованной плазме при
атмосферном давлении. Принцип локального равновесия.
3.4.
Средняя длина пробега электронов, их средняя энергия. Зависимость указанных параметров от
плотности
газа
и
от
напряжённости
электрического
поля.
Объяснение
инвариантности
характеристик плазмы, являющихся однозначными функциями параметра E/N. Диффузия
электронов, их подвижность и характеристическая энергия.
3.5.
Влияние химического состава газовой смеси на свойства электронов в низкотемпературной
слабоионизованной плазме. Простейшие полуэмпирические модели взаимодействия электронов с
тяжёлыми частицами для случая многокомпонентной газовой смеси.
4. Взаимодействия тяжёлых частиц и особенности химической кинетики в
низкотемпературной слабоионизованной плазме.
4.1.
Элементарные процессы с участием ионов: перезарядка, рекомбинация, образование комплексных
ионов, ионизация Пеннинга.
4.2.
Возможные каналы релаксации электронно-колебательно-вращательного возбуждения молекул и
молекулярных ионов. Особенности кинетики химических реакций с их участием.
4.3.
Образование реакционно-способных частиц: радикалов, термически неустойчивых продуктов,
химически активных соединений.
4.4.
Представление об общей кинетической картине химических процессов в плазме. Соотношение
концентраций основных компонентов плазмы и скоростей различных реакций взаимодействия
между ними.
3
5. Синтез озона в барьерном разряде.
5.1.
Пространственно-временная структура барьерного разряда: единичный микроразряд и серия. Вольтамперная и вольт-кулоновская характеристики. Методы определения мощности озонатора.
5.2.
Три основных стадии процессов, протекающих в межэлектродном промежутке озонатора
(временная шкала 10-12 – 10-3 секунд). Представление о пространственно-временной структуре и о
механизме развития единичного микроразряда.
5.3.
Основные химические реакции, определяющие кинетику образования и разложения озона в
барьерном разряде (для кислорода и для воздуха). Вид решения прямой кинетической задачи.
5.4.
Электрическая теория озонаторов. Вид кинетических кривых для кислорода и для воздуха.
Энергетический выход (энергозатраты) и стационарная концентрация озона. Температурная
зависимость кинетики.
5.5.
Промышленный синтез озона. Общая характеристика промышленных генераторов озона: геометрия
и электрофизические параметры разрядной ячейки; свойства источника питания; система
охлаждения. Общая характеристика процесса: концентрация, производительность, энергозатраты.
Примеры оптимального выбора этих параметров для различных озонных технологий.
6. Другие неорганические и органические синтезы, осуществляемые в
низкотемпературной плазме.
6.1.
Синтез эксимерных соединений в импульсном и барьерном разрядах. Представление о механизме и
кинетике процесса генерации излучения.
6.2.
Очистка дымовых газов от окислов азота в импульсной короне (аммиачный метод).
Принципиальная схема технологии.
6.3.
Синтез ацетилена из метана в дуговом разряде. Механизм и кинетика процесса (сопоставление с
методом окислительного пиролиза).
6.4.
Перспективы использования низкотемпературной плазмы для осуществления синтезов различных
органических веществ: анализ основных преимуществ и недостатков.
Основная литература (ко всему материалу спецкурса).
1.
Eliasson B., Kogelschatz U. Nonequilibrium Volume Plasma Chemical Processing. IEEE Transactions on Plasma
Sceince, 1991, vol.19, No.6, pp.1063-1077.
2.
Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., “Наука”, 1987.
3.
Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. – М: Изд. МГУ, 1989.
Дополнительная литература к разделам 2 и 3.
1.
Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах: Пер. с англ./ под ред. Комелькова В.С. – М., “Мир”, 1968.
2.
Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах: Пер. с англ./ под ред. Иванова А.А. – М.,
“Мир”, 1977.
3.
Мик Д., Крэгс Д. Электрический пробой в газах: Пер. с англ./ под ред. Комелькова В.С. – М., ИЛ, 1960.
Дополнительная литература к разделу 4.
1.
Смирнов Б.М. Ионы и возбуждённые атомы в плазме. – М., “Наука”, 1974.
4
2.
Смит К., Томсон Р. Численное моделирование газовых лазеров. – М., ИЛ, 1981.
Дополнительная литература к разделу 5.
1.
Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. – М: Изд. МГУ, 1998.
2.
Kogelschatz U. Advanced ozone generation. - In “Process Technologies for Water Treatment”, Edited by Stucki S.,
New York & London: Plenum, 1988, pp.87-120.
3.
Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. – М: Изд. МГУ, 1987.
Дополнительная литература к разделу 6.
1.
Eliasson B., Egli W., Kogelschatz U. Modelling of dielectric barrier discharge chemistry. Pure & Appl. Chem.,
1994, v.66, No. 6, pp. 1275-1286.
2.
Ерёмин Е.Н. Основы химической кинетики. – М., Изд. “Высшая школа”, 1976.
3.
Андреев Д.Н. Органический синтез в электрических разрядах. – М-Л: Изд. АН СССР, 1953.
Автор:
/к.х.н., с.н.с. Козлов К.В./