연쇄 반응

연쇄 반응은 반응성 생성물 또는 부산물이 추가적인 반응을 일으키는 일련의 반응입니다.연쇄 반응에서, 긍정적인 피드백은 자기 증폭적 사건의 연쇄로 이어집니다.

연쇄 반응은 열역학적 평형에 있지 않은 시스템이 더 높은 엔트로피 상태에 도달하기 위해 에너지를 방출하거나 엔트로피를 증가시킬 수 있는 한 가지 방법입니다.예를 들어, 시스템이 환경에 에너지를 방출함으로써 낮은 에너지 상태에 도달할 수 없는 경우가 있습니다.이는 어떤 식으로든 에너지 방출을 초래하는 경로를 방해하거나 방해하기 때문입니다.반응이 작은 에너지 방출로 인해 확장 체인에서 더 많은 에너지 방출이 발생할 경우, 시스템은 일반적으로 저장된 에너지의 대부분 또는 전부가 방출될 때까지 폭발적으로 붕괴합니다.

따라서 연쇄 반응에 대한 거시적 비유는 눈사태가 최종적으로 발생할 때까지 더 큰 눈덩이를 일으키는 눈덩이다("눈덩이 효과")이것은 마찰에 대한 방출 경로를 찾는 저장된 중력 위치 에너지의 결과입니다.화학적으로 눈사태와 맞먹는 것은 산불의 원인이 되는 불꽃이다.핵물리학에서 단일 부유 중성자는 원자로 용융이나 (폭탄 내) 핵폭발에 충분한 에너지를 가질 수 있는 즉각적인 중대 사건을 야기할 수 있다.

마르코프 연쇄에 기초한 수학적 모델에 의해 수많은 연쇄 반응이 표현될 수 있다.

화학 연쇄 반응

역사

1913년 독일의 화학자 막스 보덴슈타인이 화학 연쇄 반응의 아이디어를 처음 내놓았다.두 분자가 반응하면 최종 반응 생성물의 분자뿐만 아니라 초기 반응물보다 훨씬 큰 확률로 부모 분자와 반응할 수 있는 불안정한 분자들도 형성된다.(새로운 반응에서는 안정된 생성물 외에 불안정한 분자가 더욱 형성된다.)

1918년, 발터 네른스트는 수소와 염소 사이의 광화학 반응이 양자 수율 현상으로 알려진 것을 설명하기 위해 연쇄 반응이라고 제안했다.이것은 하나의 광자가 제품 HCl의 10개⁶ 분자의 형성에 책임이 있다는 것을 의미한다.Nernst는 광자가₂ Cl 분자를 두 Cl 원자로 분리하여 각각 ^[1]HCl을 형성하는 긴 연쇄 반응 단계를 시작한다고 제안했다.

1923년 덴마크와 네덜란드의 과학자 크리스티안센과 헨드릭 앤서니 크래머스는 고분자의 형성에 대한 분석에서 그러한 연쇄 반응은 빛에 의해 흥분된 분자에서 시작할 필요가 없으며 화학의 시작을 위해 이전에 제안되었던 열 에너지로 인해 두 분자가 격렬하게 충돌하는 것으로도 시작될 수 있다고 지적했다.van't ^[2]Hoff에 의한 반응을 보정합니다.

Christiansen과 Kramers는 또한 만약 반응 사슬의 한 고리에서 두 개 이상의 불안정한 분자가 생성된다면, 반응 사슬은 분기하고 성장할 것이라고 언급했다.그 결과는 사실 기하급수적인 성장으로 인해 반응 속도가 폭발적으로 증가하게 되고, 실제로 화학적 폭발 자체도 증가하게 됩니다.이것은 화학 폭발의 메커니즘에 대한 첫 번째 제안이었다.

양적 연쇄 화학 반응 이론은 나중에 1934년 ^[3]소련의 물리학자 니콜라이 세묘노프에 의해 만들어졌습니다.세묘노프는 1956년 시릴 노먼 힌셀우드 경과 함께 노벨상을 공동 수상했는데, 힌셀우드 경은 많은 양적 ^[2]개념을 독립적으로 개발했다.

일반적인 순서

연쇄반응의 주요 단계 유형은 다음과 같습니다.^[1]

• 개시(열 또는 광화학 단계에서 활성 입자 또는 체인 캐리어, 종종 유리기의 형성)
• 전파(반응을 통한 활성 입자가 다음 기본 단계로 진입함으로써 반응 사슬을 지속하는 또 다른 활성 입자를 형성하는 사이클의 여러 기본 단계를 포함할 수 있습니다).실제로 활성 입자는 전파 사이클의 전체 반응에 촉매 역할을 합니다.구체적인 경우는 다음과 같습니다.

* 체인 분기(활성 입자가 1개 들어가고 2개 이상이 형성되는 전파 단계)

* 연쇄 이동(활성 입자가 성장이 중단된 비활성 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자 고분자

• 종단(활성 입자가 활동을 상실하는 기본 단계, 예를 들어 두 개의 유리기의 재조합에 의해).

체인 길이는 전파 사이클의 평균 반복 횟수로 정의되며 전체 반응 속도를 시작 ^[1]속도로 나눈 값과 같습니다.

일부 연쇄 반응에는 분수 순서 또는 혼합 순서 역학을 사용하는 복잡한 속도 방정식이 있습니다.

상세 예: 수소-브로민 반응

H₂ + Br₂ → 2 HBr 반응은 다음과 같은 ^[4][5]메커니즘으로 진행된다.

• 개시

Br₂ → 2 Br• (표준) 또는₂ Br + hµ → 2 Br• (화학 물질)

각 Br 원자는 유리기이며, 기호는 δ • δ로 나타나며 쌍이 없는 전자를 나타낸다.

• 전파(여기서 2단계 사이클)

Br• + H₂ → HBr + H•

H• + Br₂ → HBr + Br•

이 두 단계의 합계는 전체 반응 H + Br₂ → 2 HBr에 해당하며, Br•에 의한 촉매 작용은₂ 첫 번째 단계에 참여하고 두 번째 단계에서 재생된다.

• 지연(금지)

H• + HBr → H₂+ Br•

이 순서는 이 예에 고유한 것으로, 그 반대의 첫 번째 전파 스텝에 대응합니다.

• 종단 2 Br• → Br₂

2개의 라디칼의 재결합(이 예에서는 역방향의 개시에 대응)

정상 상태 근사치를 사용하여 설명할 수 있는 것처럼, 열 반응은 초기 분수 차수(3/2)와 2항 분모(혼합 차수 속도학)^[4][5]를 가진 완전한 속도 방정식을 가진다.

추가 화학적 예

• 2₂ H + O₂ → 2₂ HO 반응은 연쇄 분기의 예를 제공한다.전파는 H 원자를 다른 H 원자와 2개의 OH 라디칼로 대체하는 순효과는 두 단계의 연속입니다.이는 특정 온도 및 ^[6]압력 조건에서 폭발로 이어집니다.
  • H• + O₂ → • OH + • O •
  • •O•+H₂ → •OH+H•
• 연쇄 성장 중합에서 전파 공정은 성장 중인 고분자 사슬의 연장에 대응한다.연쇄 전달은 성장이 중단된 이 성장 사슬에서 두 번째 성장 고분자 사슬일 수 있는 다른 분자로의 활성 전달에 해당합니다.중합에 대해서는 위에서 정의한 운동쇄 길이가 제품 고분자의 중합 정도와 다를 수 있다.
• 중합효소 연쇄반응, 분자생물학에서 DNA 중합효소를 이용한 시험관내 효소 복제를 통해 DNA 조각을 증폭(복사)하는 데 사용되는 기술이다.

아세트알데히드 열분해 및 속도식

아세트알데히드의 열분해(산소 분해)는₃₄ CHCHO(g) → CH(g) + CO(g)로 라이스-헤르츠펠트 ^[7][8]메커니즘을 통해 진행된다.

• 개시(유리기 형성):

CHCHO₃ (g) → •CH₃ (g) + •CHO (g) k₁

메틸기와 CHO기는 활성산소입니다.

• 전파(2단계):

•CH₃ (g) + CHCHO₃ (g) → CH₄ (g) + •CHCO₃ (g) k₂

이 반응 단계는 두 가지 주요 생산물 중 하나인 메탄을 제공합니다.

•CHCO₃ (g) → CO (g) + •CH₃ (g) k₃

전 단계의 제품 •CHCO₃(g)는 두 번째 주력 제품인 일산화탄소(CO)를 발생시킨다.

두 전파 단계의 합계는 메틸기 •CH에₃ 의해 촉매되는 전체 반응₃ CHCHO(g) → CH₄(g) + CO(g)에 해당한다.

• 종료:

•CH₃ (g) + •CH₃ (g) → CH₂₆ (g) k₄

이 반응은 에탄(소형 제품)의 유일한 공급원이며 주요 사슬 종료 단계로 결론지어진다.

이 메커니즘이 주요 산물을 설명하지만 아세톤(CHCOCH₃₃)과 프로파날(CHCHCHO₃₂)과 같이 경미한 정도로 형성되는 다른 산물이 있습니다.

중간 종 CH₃(g)와₃ CHCO(g)에 대한 정상 상태 근사치를 적용하면 메탄 형성에 대한 속도 법칙과 반응 순서를 ^[7][5]알 수 있다.

메탄 생성물의 형성 속도는

${\displaystyle (1)}{\frac {d[\ce {C}}H_{4}}{dt}}=k_{2}[{\ce {C}}H_{3}][{\ce {C}}H_{3}CHO]}$

중간자용

${\displaystyle (}$$style )$${\frac {d[\ce {C}}}$$H_{3}]}{dt}}=k_{1}[{\ce {$$C}}$$H_{3}CHO]-k_{2}[{\ce {C}}$$H_{3}][{\ce {C}}$$H_{3}CHO]+k_{3$$}[{\ce {C}}]$$H_{3}CO]-2k_{4}[{\ce {C}}]$$H_{3}]^{2}=0}$ 및$$

${\displaystyle(3)}{\frac {d[\ce {C}}}H_{3}CO]}{dt}}=k_{2}[{\ce {C}}H_{3}][{\ce {C}}H_{3}CHO]-k_{3}[{\ce {C}}]H_{3}CO]=0}$

(2)와 (3)을 더하면 ${\displaystyle {k\mathrm{}}_{}}$1 [ ${\displaystyle C{}_{}}$ H ${\displaystyle {3\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle O]}$ - ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {k\mathrm{}}_{}}$4 [ ${\displaystyle C{}_{}}$ H ${\displaystyle {3\mathrm{}}_{}{}^{}}$]${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {}^{}}$0 \ $display$ k$_$ {1$}$ [ { \$ce$ { C$$} 。$H_{3}CHO]-2k_{4}[{\ce {C}}]$$H_{3}]^{2}=0}$

$({\displaystyle }$ ${\displaystyle 4)...}$[ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle {H\mathrm{}}_{}}$ 3${\displaystyle {}_{}]=}$ ${\displaystyle \frac{{k\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{\mathrm{}}}$ 2 ${\displaystyle \frac{{k\mathrm{}}_{}}{}}$4 [ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle {H\mathrm{}}_{}}$ 3 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle O{}^{}}$]${\displaystyle {1\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle {/}^{}}$ { $display$ style ( 4 $)...$$[CH_{3}]=param frac {k_{1}}{2k_{4}}[$$CH_{3}CHO]^{1/2}}$

(1)에서 (4)를 사용하면 비율의${\displaystyle \mathrm{법칙}}$(5)${\displaystyle \frac{}{}}$d [${\displaystyle C{}_{}}$ ${\displaystyle \frac{}{{}_{}}}$4 ]${\displaystyle \frac{d}{}}$ ${\displaystyle t\frac{{}_{}}{}}$ $=$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{\mathrm{}}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}{}_{}}$ k${\displaystyle {}_{}2}$ [ C ${\displaystyle {H\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle C{}^{}H}$ ${\displaystyle {O\mathrm{}}^{}}$ ]${\displaystyle {}^{}}$3 / ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}${ \ $displaystyle$ ( 5 ) { \$frac${ d [ \ $ce${ C } } H _ { 4 $} = frac$ { k _ { k _ { k } } { k _ { $k }$ $}$ 。$H_{3}$CHO$]^{3/2$ 반응물₃ CHCHO의 3/2 차수이다.

핵 연쇄 반응

핵 연쇄 반응은 중성자가 발견된 직후인 1933년에 레오 실라드에 의해 제안되었지만, 핵분열이 처음 발견되기 5년 이상 전이었다.Szilarrd는 화학 연쇄 반응에 대해 알고 있었으며, 1932년 John Cockcroft와 Ernest Walton에 의해 증명된 고에너지 양성자가 리튬에 충돌하는 것과 관련된 에너지 생성 핵 반응에 대해 읽고 있었다.이제, Szilarrd는 이론적으로 보다 가벼운 동위원소에서 특정 핵 반응에서 생성된 중성자를 사용하여 더 많은 중성자를 생성하는 가벼운 동위원소에서 추가 반응을 유도할 것을 제안했다.이것은 이론적으로 핵 수준에서 연쇄 반응을 일으킬 것이다.그는 핵분열을 중성자 생성 반응의 하나로 생각하지 않았다. 왜냐하면 이 반응은 당시에는 알려지지 않았기 때문이다.그가 제안한 베릴륨과 인듐을 사용한 실험은 실패했다.

나중에 1938년 핵분열이 발견된 후, Szilarrd는 핵분열도 중성자를 생성하는 한 연쇄반응을 일으키는 데 필요한 특정 핵반응으로 중성자 유도 핵분열을 사용할 가능성을 즉시 깨달았다.1939년 엔리코 페르미와 함께 실라드는 우라늄에서 중성자 증배 반응을 증명했다.이 반응에서 중성자와 핵분열성 원자는 초기 반응에서 소비된 단일 중성자보다 더 많은 수의 중성자를 발생시킨다.따라서 중성자 유도 핵분열 메커니즘에 의해 실질적인 핵 연쇄 반응이 탄생했다.

구체적으로, 생성된 중성자 중 하나 이상이 다른 핵분열성 핵과 상호작용하고, 이것들도 핵분열을 겪는다면, 거시적인 전체 핵분열 반응이 멈추는 것이 아니라 반응 물질 전체에 걸쳐 계속될 가능성이 있다.이것은 스스로 전파되어 스스로 유지되는 연쇄 반응입니다.이것은 원자로와 원자폭탄의 원리다.

1942년 말 최초의 인공 원자로인 시카고 파일 1호기의 성공적인 운전으로 엔리코 페르미 등에 의해 자급자족 핵 연쇄 반응의 시연이 이루어졌다.

기체 중의 전자 눈사태

전자 눈사태는 전계가 일정한 역치를 넘었을 때 기체 내의 연결되지 않은 두 전극 사이에서 발생합니다.가스 원자의 무작위 열 충돌은 충격 이온화라고 불리는 과정에서 몇 개의 자유 전자와 양전하를 띤 가스 이온을 발생시킬 수 있습니다.강한 전기장에서 이러한 자유 전자의 가속은 그들이 에너지를 얻도록 하고, 그것들이 다른 원자에 충돌할 때, 그 에너지는 같은 과정을 연료로 하는 새로운 자유 전자와 이온의 방출을 유발합니다.이 과정이 이온 재결합에 의해 자연적으로 담금질되는 것보다 더 빨리 일어나면, 새로운 이온은 가스가 플라즈마로 분해되어 방전 중에 전류가 자유롭게 흐를 때까지 연속적으로 증식한다.

전자 눈사태는 기체 내 유전체 파괴 과정에 필수적이다.이 공정은 코로나 방전, 스트리머, 리드선 또는 스파크 또는 연속 전기 아크로 인해 간극을 완전히 메울 수 있습니다.이 과정은 거대한 불꽃을 일으킬 수 있다. - 번개 방전의 스트리퍼는 스트리머의 전진 팁보다 앞의 높은 잠재적 구배에서 생성된 전자 눈사태의 형성에 의해 전파된다.일단 시작되면, 눈사태는 종종 후단 영역에서 들뜬 매체의 원자에 의해 방출된 자외선의 결과로 광전자의 생성에 의해 심화된다.생성된 플라즈마의 극도로 높은 온도는 주변의 가스 분자를 갈라지게 하고 자유 이온이 재결합하여 새로운 화학 ^[9]화합물을 만듭니다.

이 과정은 또한 단일 입자의 통과가 대규모 방전으로 증폭될 수 있기 때문에 프로세스를 시작하는 방사선을 검출하는 데 사용될 수 있습니다.이는 가이거 카운터의 메커니즘이며 스파크 챔버 및 기타 와이어 챔버를 통해 시각화할 수 있습니다.

반도체 눈사태 파괴

반도체에서 눈사태 파괴 과정이 발생할 수 있으며, 반도체에서는 어떤 면에서는 약한 이온화 가스와 유사하게 전기를 전도합니다.반도체는 열진동에 의해 결정에서 떨어져 나온 자유전자에 의존해 전도한다.따라서 금속과 달리 반도체는 온도가 높을수록 도체가 좋아진다.이는 동일한 유형의 양의 피드백 조건을 설정합니다. 즉, 전류 흐름의 열은 온도를 상승시켜 전하 캐리어를 증가시키고 저항을 낮추며 더 많은 전류를 흐르게 합니다.이는 반도체 접합부의 정상적인 저항이 완전히 파괴되고 장치가 고장나는 시점까지 계속될 수 있습니다(이는 결정의 물리적 손상이 있는지 여부에 따라 일시적이거나 영구적일 수 있습니다).눈사태 다이오드와 같은 특정 장치는 의도적으로 이 효과를 활용합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 캐스케이드 실패
• 다중 차량 충돌
• 루브 골드버그 기계

레퍼런스

외부 링크

• IUPAC 골드북 - 체인 반응