Kettingreaksie
'n Kettingreaksie is 'n volgorde van reaksies waar 'n reaktiewe produk, of 'n neweproduk addisionele reaksies veroorsaak. In 'n kettingreaksie lei positiewe terugvoer tot 'n self-onderhoudende en vergrotende ketting van gebeurtenisse. Dit moet nie verwar word met 'n multi-stap reaksie nie, wat algemeen voorkom in anorganiese en organiese sintese.
Kettingreaksies is een manier waardeur stelsels wat nie in termodinamiese ewewig is nie, energie kan vrystel of entropie kan verhoog om sodoende 'n toestand van hoër entropie te bereik. 'n Stelsel kan byvoorbeeld nie in staat wees om 'n laer energietoestand te bereik deur energie aan die omgewing vry te stel nie, want dit word belemmer of verhinder om op die een of ander manier die reaksie te voltooi wat tot die vrystelling van energie lei. As 'n reaksie lei tot 'n klein energievrystelling wat meer energie vrystel in 'n uitbreidende ketting, sal die stelsel gewoonlik plofbaar ineenstort totdat baie of al die gestoorde energie vrygestel is.
'n Makroskopiese vergelyking vir kettingreaksies is 'n sneeubal wat al groter word totdat daar uiteindelik 'n sneeustorting ontstaan (die "sneeubaleffek"). Dit is die gevolg van gestoorde swaartekrag- potensiële energie wat 'n pad van vrystelling bo wrywing soek. Chemies gelykstaande aan 'n sneeustorting is 'n vonk wat 'n bosbrand veroorsaak. In kernfisika kan 'n enkele verdwaalde neutron 'n vinnige kritieke gebeurtenis tot gevolg hê, wat uiteindelik energiek genoeg kan wees vir die ineenstorting van 'n kernreaktor of 'n kernbomontploffing.
Chemiese kettingreaksies
[wysig | wysig bron]Geskiedenis
[wysig | wysig bron]In 1913 het die Duitse chemikus Max Bodenstein die eerste keer die idee van chemiese kettingreaksies voorgestel. Byvoorbeeld, as twee molekule reageer, word nie net molekule van die finale reaksieprodukte gevorm nie, maar ook enkele onstabiele molekule wat verder met die aanvanklike reaktant kan reageer. Sodoende word verdere onstabiele molekules gevorm wat self reageer, ens.
In 1918 het Walther Nernst voorgestel dat die fotochemiese reaksie tussen waterstof en chloor 'n kettingreaksie is om te verklaar wat bekend staan as die kwantumopbrengsverskynsel. Dit beteken dat een foton van lig verantwoordelik is vir die vorming van soveel as 106 molekules van die produk HCl. Nernst het voorgestel dat die foton 'n Cl2-molekuul in twee Cl-atome dissosieer, wat elkeen 'n lang ketting van reaksiestappe inisieer wat uiteindelik HCl vorm.[1]
In 1923 het die Deense wetenskaplike Christian Christiansen en Nederlandse wetenskaplike Hendrik Anthony Kramers, in 'n ontleding van die vorming van polimere, daarop gewys dat so 'n kettingreaksie nie hoef te begin met 'n molekule wat deur lig opgewek is nie, maar dat dit ook kan begin met twee molekules wat heftig bots na termiese energie soos voorheen voorgestel vir die aanvang van chemiese reaksies deur die Nederlandse fisiese skeikundige Jacobus Henricus van 't Hoff.[2]
Christiansen en Kramers het ook opgemerk dat indien in een deel van die reaksieketting twee of meer onstabiele molekules geproduseer word, die reaksieketting sou vertak en groei. Die resultaat is in werklikheid 'n eksponensiële groei, wat aanleiding gee tot plofbare toenames in reaksietempo's, en inderdaad tot chemiese ontploffings self. Dit was die eerste voorstel vir die meganisme van chemiese ontploffings.
'n Kwantitatiewe chemiese reaksie-teorie is later deur die Sowjet-natuurkundige Nikolay Semyonov in 1934 geskep.[3] Semyonov het die Nobelprys in 1956 gedeel met Sir Cyril Norman Hinshelwood, wat baie van dieselfde kwantitatiewe konsepte onafhanklik ontwikkel het.[2]
Tipiese stappe
[wysig | wysig bron]Kettingreaksies word dikwels gebruik om polimere te maak. Die hooftipes stappe in kettingreaksie is van die volgende tipes:[1]
- Inisiasie - vorming van aktiewe deeltjies / molekules deur middel van termiese of fotochemiese middele. Die begin van die polimeerketting.
- Voortplanting - groei van die ketting, wat die vertakking en oordrag van die aktiewe reaksieplek kan insluit. Die "skakels" in die polimeerketting.
- Beëindiging - waar die aktiewe deeltjie / molekule onaktief raak en die ketting eindig.
Die lengte van die polimeerketting hang af van die aantal kere wat die voortplantingstap herhaal word.
Kernkettingreaksies
[wysig | wysig bron]Leó Szilárd het in 1933 'n kernkettingreaksie voorgestel, kort nadat die neutron ontdek is, en meer as vyf jaar voordat kernsplyting vir die eerste keer ontdek is. Szilárd het van chemiese kettingreaksies geweet, en hy het in 1932 gelees van 'n energieproduserende kernreaksie, wat deur John Cockcroft en Ernest Walton gedemonstreer is, waarin litium gebombardeer is met hoë-energie protone. Szilárd het voorgestel om neutrone te gebruik wat teoreties vervaardig word uit sekere kernreaksies in ligter isotope, om verdere reaksies te veroorsaak in ligte isotope wat meer neutrone voortbring. In teorie sou dit 'n kettingreaksie op die kernvlak lewer.[4] Hy het nie splyting as een van hierdie neutroneproduserende reaksies voorgestel nie, aangesien hierdie reaksie toe nog nie bekend was nie. Eksperimente met berillium en indium wat hy voorgestel het, het misluk.
Nadat kernsplyting deur Otto Hahn en Fritz Strassmann in 1938 ontdek is,[5] besef Szilárd onmiddellik die moontlikheid om splyting deur neutrone te gebruik as die spesifieke kernreaksie wat nodig is om 'n kettingreaksie te skep, solank splyting ook neutrone produseer. In 1939, saam met Enrico Fermi, het Szilárd hierdie neutronvermenigvuldigingsreaksie in uraan bewys.[6] In hierdie reaksie veroorsaak 'n neutron 'n splytingreaksie met 'n ander atoom wat lei tot 'n groter aantal neutrone as die enkele wat in die aanvanklike reaksie verbruik is. So is die praktiese kernkettingreaksie gebore deur die meganisme van neutron-geïnduseerde kernsplyting.
Spesifiek, as een of meer van die geproduseerde neutrone self met ander splytbare kerne in wisselwerking tree, en hierdie ook splyting ondergaan, is daar die moontlikheid dat die makroskopiese algehele splytingsreaksie nie sal stop nie, maar deur die hele reaksiemateriaal sal voortgaan. Dit is dan 'n self-voortplantende en dus selfonderhoudende kettingreaksie. Dit is die beginsel vir kernreaktore en atoombomme.
Die demonstrasie van 'n selfonderhoudende kernkettingreaksie is deur Fermi, Slizard en andere bewerkstellig in die suksesvolle werking van Chicago Pile-1, die eerste kunsmatige kernreaktor, aan die einde van 1942.
Verwysings
[wysig | wysig bron]- ↑ 1,0 1,1 Laidler, Keith (1987). Chemical kinetics (in Engels). New York: Harper & Row. p. 288-290. ISBN 0-06-043862-2. OCLC 14003266.
- ↑ 2,0 2,1 "The Nobel Prize in Chemistry 1956". NobelPrize.org (in Engels). 1956. Besoek op 11 Januarie 2021.
- ↑ "Postage Stamps. 20th Century. Russia. Science" (in Engels). Publishing and Trading Centre MARKA. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 16 Januarie 2020. Besoek op 11 Januarie 2020.
- ↑ Szilárd, L. (30 Maart 1936). "Improvements in or relating to the transmutation of chemical elements - British patent number: GB630726" (in Engels).
- ↑ Meitner, Lise (1955). "Otto Hahn - the discoverer of nuclear fission". Forscher und Wissenschaftler im heutigen Europa (in Duits). Stalling Verlag, Oldenburg/Hamburg.
- ↑ Anderson, H. L.; Fermi, E.; Szilárd, L. (1 Augustus 1939). "Neutron production and absorption in uranium". The Physical Review (in Engels). 56: 284–286.
