náhled|Ukázka kulového mlýnu Mechanochemie je obor chemie, který zkoumá chemické reakce vyvolané mechanickou energií. Chemická reakce se spustí tím, že se látky drtí, melou, třou, lisují nebo jinak mechanicky namáhají. Mechanochemie tak představuje čtvrtý způsob, jak vyvolat chemické reakce. Prvními třemi způsoby jsou reakce, kterými se zabývá termochemie, elektrochemie a fotochemie. Tyto reakce jsou vyvolané působením tepla, elektřiny, světla nebo rozpouštědel.
Při mechanickém působení na látku se částice dostávají do velmi těsného kontaktu, vznikají v nich drobné trhlinky a poruchy krystalické struktury. Díky tomu spolu mohou reagovat, i když by za běžných podmínek reagovaly jen velmi pomalu nebo vůbec. Na mechanickou sílu jsou citlivé především kovalentní vazby, u kterých dochází k jejich narušení nebo transformaci. Patří sem i fázové přeměny, změny konformace biomolekul a sonochemie. Mechanochemie zkoumá také mechanofory (molekuly, které se při působení mechanické síly chemicky změní), jejich podskupinou jsou mechanochromy (molekuly, které vlivem působení mechanické síly mění barvu). Metody mechanochemie se využívají například při syntéze oxidů, fosforečnanů, intermetalických fází, slitin.
Historie
Za jednu z prvních mechanochemických reakcí, které lidstvo poznalo a začalo využívat, je rozdělávání ohně třením kusů dřeva o sebe. Dále použití křesadla a oceli, při kterém se malá částice samozápalného kovu spontánně vznítí a zažehne oheň. Za otce mechanochemie je považován Američan Matthew Carey Lea, protože už v 80. letech 19. století experimentálně dokázal, že mletí může vyvolat chemické reakce, které pouhé zahřívání nevyvolá. Za zakladatele mechanochemie je považován německý chemik Wilhelm Ostwald, který ve svém díle Handbuch der Allgemeinen Chemie z roku 1919 poprvé uvedl termín mechanochemie a její definici: Mechanochemie je studium vztahů mezi mechanickou a chemickou energií. Mechanochemii tak vedle termochemie, fotochemie a elektrochemie zavedl jako samostatnou oblast chemie. Významný rozvoj mechanochemie nastal ve 20. století s rozvojem výkonných kulových mlýnů. V posledních dvaceti letech se mechanochemie stala jedním z nejrychleji se rozvíjejících směrů chemického výzkumu díky důrazu na ekologičtější výrobní postupy.
Mechanochemické procesy
Přírodní procesy náhled|Horský ledovec s vyznačenými morénami (1-9) V přírodním prostředí jsou mechanochemické reakce často vyvolávány fyzikálními jevy, jako je zemětřesení, pohyb ledovců nebo hydraulické působení řek či mořských vln. Zemětřesení drtí horniny pod povrchem Země, řeky obrušují horniny a odhalují čerstvé minerální povrchy, vlny na pobřeží erodují útesy, lámou horniny a obrušují sedimenty. Také mechanická síla ledovců při klesání ze svahu obrušuje horniny a vytváří rozpukané minerální povrchy, které se pak účastní mechanochemických reakcí. Přírodní mechanochemické reakce často zahrnují reakci vody s drcenou horninou a obvykle narušují vazby mezi atomy různých minerálů.
Mechanochemické procesy pravděpodobně hrály významnou úlohu při vzniku života a jeho rané evoluci na naší planetě, neboť způsobily tvorbu kyslíku při rozkladu vody na porušených površích minerálů a hornin za vysokých teplot. V extrémních prostředích, jako jsou jezera pod ledovci, může vodík vznikající při mechanochemických reakcích mezi rozdrcenými křemičitými horninami a vodou sloužit jako zdroj energie pro metanogenní mikroorganismy. Také v tektonicky aktivních oblastech mají mechanochemické reakce potenciál ovlivňovat mikroorganismy. Mohou generovat rozmanité molekuly schopné podporovat extremofilní mikroorganismy a ovlivňovat tak raný vývoj života, vyvíjet systémy nezbytné pro vznik života nebo podporovat mimozemské formy života.
Mechanochemie hraje důležitou roli také v biologii a medicíně, kde mechanické síly ovlivňují molekulární a buněčné procesy a obráceně buněčná chemie ovlivňuje buněčnou mechaniku. Například studium biomolekulárních kondenzátů (dočasná struktura uvnitř buňky, která není obalená membránou, ale tvoří dobře ohraničený útvar) ukazuje obousměrnou souhru mezi mechanikou a chemií. Mechanické síly mohou ovlivňovat fázovou separaci kondenzantů, zatímco změny vlastností kondenzátů (zesíťování, viskozita nebo teplota) mohou změnit jejich mechanické chování a ovlivnit buněčné funkce a biochemické reakce. Polymerní kondenzáty (dočasný útvar vzniklý shlukováním dlouhých řetězcových molekul - polymerů) se díky svým mechanochemickým vlastnostem stávají také objektem zkoumání mechanochemie.
Umělé procesy vpravo|náhled|Mechanochemická reakce fenylacetylenu s benzylbromidemUmělé procesy prováděné v laboratořích například v kulových mlýnech se často používaly pro vysvětlení přírodních procesů. V současnosti se mechanochemické procesy zkoumají za účelem dalšího využití pro výrobu léčiv, přípravu katalyzátorů, syntézu nových krystalických materiálů, výrobu materiálů pro baterie, zpracování minerálů, výrobu cementu nebo recyklaci elektronického odpadu.
Mechanochemie nepotřebuje pro své reakce organická rozpouštědla (Solvent-free), proto se zkoumá její využití pro průmyslové výroby, které by byly mnohem šetrnější k životnímu prostředí.
Chemické reakce Při chemických reakcích studovaných mechanochemií dochází k několika současným procesům:
Zvětšení povrchu vzniká rozbitím pevných částic, na kterých se objevují čerstvé a neoxidované povrchy s vysokou chemickou reaktivitou. Mechanická deformace způsobuje deformaci chemické vazby v molekulách. Vazby se prodlužují a oslabují, čímž se snižuje aktivační energie potřebná pro reakci. Reaktivní centra vznikají při praskání krystalické mřížky a způsobují vznik volných radikálů, iontů nebo defektů, které fungují jako spouštěče reakce. Lokální mikroteplo vzniká v místě nárazu (Hot Spots) na zlomek sekundy a může způsobit chemickou reakci .
Reakce křemičitanů Křemičitany patří mezi nejběžnější materiály v Zemské kůře a proto se také velmi často zapojují do mechanochemických reakcí. Obvykle se skládají z křemíku, na který jsou navázány čtyři kyslíky (tetraedry SiO4). Mechanické působení narušuje vazby Si–O, čímž vznikají radikály:
≡Si–O–Si≡ → ≡Si–O• + ≡Si• ≡Si–O–O–Si≡ → ≡Si–O• + ≡Si–O• ≡Si–O–O–Si≡ → ≡Si–O–O• + ≡Si•
Vznik vodíku Reakcí vody a radikály křemíku může docházet k vzniku radikálů vodíku:
2≡Si• + 2 H2O → 2≡Si–O–H + 2 H• 2 H• → H2
Vznik kyslíku Reakcí kyslíku s křemíkem nebo kyslíkovými radikály na poškozeném povrchu horniny, může se chemicky sorbovat na povrch:
≡Si• + O2 → ≡Si–O–O• ≡Si–O• + O2 → ≡Si–O–O–O•
Tyto radikály mohou generovat oxidační činidla jako jsou hydroxylové radikály a peroxid vodíku:
≡Si–O–O• + H2O → ≡Si–O–O–H + •OH 2 •OH → H2O2
Oxidanty mohou být generovány také i bez přítomnosti kyslíku, ale za vyšších teplot:
≡Si–O• + H2O → ≡Si–O–H + •OH 2 •OH → H2O2
Peroxid vodíku se samovolně rozpadá za vzniku plynného kyslíku:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Metody mechanochemie
Metody podle typu zařízení
Kmitací mlýny (Vibrational Mills nebo Mixer Mills) - nádoba s mlecím kamenem a směsí kmitá vysokou frekvencí (až 50 Hz). Převládají vysokoenergetické nárazy. Planetové mlýny (Planetary Ball Mills) - nádoby se směsí rotují kolem vlastní osy i kolem centrální osy (jako planety). Převládá kombinace nárazu a tření/střihu. Reaktivní extruze (Reactive Extrusion – REX) - směs je tlačena šnekovým dopravníkem přes vyhřívanou komoru. Převládá silné střihové namáhání. Hmoždíř a třecí miska (Mortar & Pestle) - ruční nebo mechanické tření směsi. Převládá nízkoenergetické tření a smyk. Stará metoda, dnes používaná pro jednoduché testy krystalizace nebo výuku.
Metody podle přítomnosti kapaliny či aditiv
Mletí za sucha (Dry Grinding nebo Neat Grinding) - reakční látky se melou zcela bez přítomnosti rozpouštědel. Výhodou je ekologické zpracování a nulový odpad z rozpouštědel. Nevýhodou je pomalost reakcí. Mletí za přítomnosti kapaliny (Liquid-Assisted Grinding - LAG) - do reakční směsi se přidá stechiometricky zanedbatelné množství kapaliny. Kapalina nefunguje jako klasické rozpouštědlo, ale jako katalyzátor fázových přechodů. Zvyšuje pohyblivost molekul a usnadňuje tvorbu krystalových struktur. Využití ve farmacii například při přípravě kokrystalů (pevná látka tvořená dvěma nebo více různými chemickými látkami, které společně vytvářejí jeden pravidelný krystal). Mletí za přítomnosti polymerů či solí (ILAG nebo Polymer-Assisted) - modifikace LAG, kde se místo běžného rozpouštědla přidává iontová kapalina nebo polymer, který usměrňuje reakce.
Výhody mechanochemie Mechanochemie je považována za jednu z perspektivních metod zelené chemie (Green Chemistry):
nevyžaduje organická rozpouštědla (Solvent-free) spotřebuje méně energie vytváří méně odpadu zkracuje dobu reakcí umožňuje připravit látky, které se běžnými metodami vyrábějí jen obtížně
Odkazy
Reference
Literatura
Související články Chemická syntéza Sonochemie Zelená chemie Mechanická energie
Kategorie:Obory a disciplíny chemie