Лазерната химия изучава химичните реакции, протичащи под влияние на лазерно излъчване. За разлика от другите източници на енергия, лазерното излъчване притежава голяма мощност: Ю. Я. Кузяков, Лазерная химия — история и основные направления научной деятельности. способно е да съсредоточава много енергия върху малка площ – от порядък 1019 W/cm2. То е монохроматично: относителното отклонение на дължината на вълна̀та е само 10 –14.

Лазерното излъчване оказва на облъченото вещество два вида въздействие: термохимично (т.е. нагряване) и фотохимично (възбуждане на градивните частици чрез преместване на техни електрони върху по-високи енергетични равнища). Поради възможността за точно фокусиране на лазерния лъч е постижимо ограничаването на двете въздействия до малък, точно определен обем от реакционната среда (същевременно на останалата част не се оказва въздействие или се оказва друго въздействие).

Голямата мощност на лазерното излъчване позволява възбуждането на много градивни частици, а това ускорява химичните реакции.

Поради монохроматичността си лазерното излъчване се използва за възбуждане и разкъсване на точно определени химични връзки. Например молекулата HDO на т. нар. тежка вода отделя протий H при поглъщане на лазерно излъчване с една дължина на вълна̀та, но деутерий D при друга дължина. В първия случай се разкъсва връзката O – H, а във втория случай се разкъсва връзката O – D. H D > O

Могат аналогично да реагират различно на лазерното излъчване молекули с различни изотопи на други химични елементи (не само водород). Явлението се използва за разделяне на изотопи.

Че лазерното излъчване не само нагрява веществото, но оказва и фотохимично въздействие, става ясно от опитите със смес от тетрафлуорохидразин N2F4 и азотен моноксид NO.

При нагряване на тетрафлуорохидразин (независимо по какъв начин) се разкъсва връзката между азотните атоми, защото тя е най-слаба: флуорът е силно електроотрицателен (привлича електронната плътност), което води до отслабване на единичната връзка между азотните атоми: N2F4<=>2NF2 (нагряването измества химичното равновесие надясно, тоест по посока на разлагането). По-конкретно, при ниско налягане (5 милиметра живачен стълб) и стайна температура степента на дисоциация е едва 0,7%, но при 225°C тя е 99%. Увеличаването на налягането измества равновесието наляво: например при 300°C степента на дисоциация е 90% при 760 милиметра живачен стълб (тоест при стандартно атмосферно налягане). Н. Исикава, Ë. Кобаяси, Фтор. Химия и применение — Москва, 1982 — стр. 62.

При допир до горещ тел тетрафлуорохидразинът се разлага по следния начин: 3N2F4\xrightarrow{t^o}4NF3\,\!+ N2 (или при нагряване за около пет минути докъм 600°K, тоест около 330°C). N. G. Basov, E. M. Belenov, E. P. Markin, A. N. Oraevskii, A. V. Pankratov, Stimulation of chemical reactions by laser radiation. Образува се азот N2 въпреки температурата, при която протича реакцията: молекулата му съдържа много здрава, тройна връзка между азотните атоми.

Термичното разлагане на тетрафлуорохидразина при горните условия протича по описания начин независимо дали веществото N2F4 е взето в чист вид, или е смесено с азотен моноксид NO. Въпреки че всяка от молекулите NF2 и NO е свободен радикал (т.е. има несдвоен електрон) и въпреки че свободните радикали са много реактивоспособни, все пак NF2 и NO не се съединяват: би се образувала единична връзка между азотните атоми, а тя би била неустойчива на нагряване поради изложената причина: кислородът и флуорът са силно електроотрицателни елементи (привличат електронната плътност), поради което връзката между азотните атоми отслабва. Ето защо при нагряване на смес от N2F4 и NO тетрафлуорохидразинът се разлага, обаче не взаимодейства с азотния моноксид.

Но ако сместа от N2F4 и NO се облъчи с лазер (с точно определена дължина на вълна̀та и с достатъчна мощност), тогава в молекулите N2F4 се разкъсват връзките между азота и флуора. Откъснатите флуорни атоми са свободни радикали, които лесно се съединяват с молекулата NO, свързвайки се с азотния ѝ атом. Тоест протича следната химична реакция: N2F4\,\!+NO\,\xrightarrow{\text{лазерно}\;\,\text{излъчване}}\,N2F3\,\!+FNO (накрая има също примеси от NF3 и F2 и остатък от NO). По този начин може да се откъсне от молекулата N2F4 не само един флуорен атом, а всичките: N2F4\,\!+4NO\,\xrightarrow{\text{лазерно}\;\,\text{излъчване}}\,N2\,\!+4FNO (нитрозилфлуорид). За такива реакции е важно енергията на лазерното излъчване да се натрупа в една химична връзка (която трябва да бъде разкъсана). Пречка пред този вид реакции е бързото (за 10 –9, дори 10 –12 s) преразпределяне на енергията в облъчената молекула.

Източници

Категория:Раздели в химията