ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

УДК 541.124

Л.А. Манучарова, С.В. Царукян, академик И.А. Варданян

О возможности образования промежуточного комплекса при гетерогенном
взаимодействии радикалов
CH3O2с метаном

(Представлено 19/V 2003)

   За последние годы методами ЭПР и ИК-спектроскопии на примере ацетальдегида и пропионового альдегида получены данные, свидетельствующие о возможности реакций радикалов RO2 с органическими соединениями на твердой поверхности [1]. Экспериментально показано, что образование пероксидных соединений при газофазном окислении альдегидов может происходить на поверхности реакционного сосуда [2,3]. Исследования газофазного окисления метана привели к выводу о возможности гетерогенного образования гидропероксида метила CH3OOH вследствие взаимодействия с метаном радикалов CH3O2 [4].
   В настоящей работе поставлена задача найти экспериментальные доказательства гетерогенного взаимодействия пероксидных радикалов CH3O2 с метаном. Эксперимент осуществлялся в условиях, исключающих гомогенное взаимодействие реагентов.
   Реакцию радикалов RO2 с метаном изучали при давлении 10-2 торр. на установке, принципиальная схема которой представлена на рис.1.
   Источником радикалов RO2 служила реакция гетерогенного радикального распада [5] пероксиуксусной кислоты, которую синтезировали по известной методике взаимодействием пероксида водорода (80% конц.) и уксусного ангидрида [6]. Подачу и дозировку CH3CO3H осуществляли с помощью емкости (4) и манометра (3). Заданные количества CH3CO3H при T=78 К адсорбировали на поверхности шарообразной колбочки (1) с d=38 мм, предварительно обработанной насыщенным водным раствором борной кислоты. В условиях данного эксперимента количество адсорбированной пероксикислоты изменялось в пределах 2-5 торр.
   Радикалы RO2 генерировались нагреванием адсорбированной пероксикислоты. В качестве твердой поверхности была выбрана соль KCl. Поверхность капиллярного реактора (2) была обработана 10% раствором KCl. Стабилизация поверхности осуществлялась обработкой ее потоком радикалов.

 Рис. 1. Схема установки: 1 - кварцевая колба для адсорбции пероксикислоты,
2 - реактор, 3 -      манометр, 4 - емкость с пероксикислотой, 5 - емкость для
реагентов (CH4), 6 - магнит, 7 - палец, 8 - резонатор ЭПР, 9 - кварцевый
сосуд Дьюара, 10 - ловушка, 11 - отвод для подачи реагентов.

   Радикалы RO2 направлялись через реактор (2) на узел вымораживания, помещенный в резонаторе ЭПР -спектрoметра и анализировались по методике, описанной в [7,8]. Реагенты подавали через специальный отвод из емкости (5), объемом 7.6 см3. При этом была предусмотрена возможность подачи реагентов как у входа в реактор, так и после него (11). Последний вариант подачи позволял следить за наличием или отсутствием гомогенной составляющей реакции в коммуникациях. Размер и конструкция реактора (капиллярная трубка из пирекса, l=20 мм, d = 1.5 мм), а также низкое давление в опытах исключали гомогенное протекание реакции. Время пребывания реагирующей смеси в капилляре (t = 10-5-10-6 c) выбиралось намного меньше времени гомогенного взаимодействия радикалов CH3O2 с метаном (t1) [9,10]. Отсутствие взаимодействия пероксидных радикалов с реагентами в коммуникациях после реактора было установлено специальными опытами путем подачи реагентов в эту зону. Расход радикалов в этом случае не наблюдался.
   Температура и время генерации радикалов найдены экспериментально по методике, приведенной в [7].
   Распад пероксиуксусной кислоты изучали в интервале температур от 540 до 570 К, а продолжительность нагрева - от 0.5 до 2 мин. В результате было установлено, что оптимальными для получения необходимого количества радикалов RO2 в газовой фазе являются температура, равная 538 К, и нагрев в течение 1 мин. Количество накопленных в узле вымораживания радикалов составляло ~ 1015 частиц. Температура в зоне капиллярного реактора обычно была ниже ( Ј 353 К) температуры в зоне генерирования радикалов. Таким образом, роль вторичных процессов в капиллярном реакторе была сведена к минимуму. В работе [11] на примере радикалов CH3CO3 было показано, что на поверхности, обработанной KCl, до температуры 373К гетерогенная рекомбинация не наблюдается. В экспериментах в пределах ошибок опыта при увеличении температуры реактора до 353К и поверхности реактора вдвое практически не обнаружили заметной гетерогенной реакции. Следовательно, в присутствии реагента расход радикалов может быть отнесен к реакции взаимодействия с реагентом. О взаимодействии радикалов с метаном судили по расходу радикалов RO2 по отношению к их исходному количеству. Воспроизводимость результатов была удовлетворительной.

Рис. 2. Зависимость расхода радикалов CH3O2 от количества поданнoго CH4 при T = 297К.

   В экспериментах варьировали как давление подаваемого в реактор газа, так и температуру реактора. Концентрация метана (99.99%) в системе варьировалась в интервале от 0 до 9.7×1017 молекул, а исходная концентрация RO2 радикалов не изменялась.
   Опыты показали, что в присутствии метана уже при 297К наблюдается заметное превращение пероксидных радикалов (рис.2). Как видно, если при подаче метана 5.6×1017 молекул расходуется 43% радикалов RO2, то в случае увеличения подачи метана до 9.7×1017 молекул расход радикалов RO2 достигает 78-80%. Нужно отметить, что при последовательной подаче нескольких порций метана в узел вымораживания радикалов количество намороженных радикалов уменьшается соответственно количеству поданного метана. Влияние температуры на протекание реакции изучали при содержании метана, равном 7.4×1017 молекул. Температуру изменяли от 297 до 353 К. Полученные результаты представлены на рис.3. Как видно, увеличение температуры реактора в указанных пределах приводит к снижению расхода радикалов RO2 от 43 до 10%.
   На основе этой температурной зависимости оценка эффективной энергии активации дает значение -5±1 ккал/моль.Отрицательное значение позволяет предположить, что реакция радикалов CH3O2 с метаном идет через образование промежуточного комплекса на поверхности реактора.

 

Рис. 3. Зависимость расхода радикалов CH3O2 от температуры при подаче CH4,
равной 5.6×1017 молекул.

   Это может быть причиной наблюдаемого постоянства скорости газофазного окисления метана и сильного влияния природы поверхности реакционного сосуда на направление и скорость реакции [12,5].

     Институт химической физики НАН РА

 

Литература

     1. Bakchadjyan R. H., Vardanyan I. A.  - IJCK. 1994. V.26. P.595.
     2. Луспарян А. П., Оганесян Э. А., Варданян И. А., Налбандян А. Б.  - Арм. хим. журн.1985. Т. 38. С.33.
     3. Бахчаджян Р.А., Варданян И. А., Налбандян А. Б.  - ДАН СССР. 1985. Т.26. С.611.
     4. Keheyan E. H., Vardanyan I. A.  - Арм. хим. журн. 1988. Т.51. С.177.
     5. Налбандян А. Б., Варданян И. А.  Современное состояние проблемы газофазного окисления органических соединений. Ереван. Изд-во АН АрмССР. 1986.
     6. Phillips B., Starcher P. S., Ash B. D.  - J. Organic Chemistry. 1959. V.23. P.1823.
     7. Дорунц А. Г., Арустамян А. М., Баберцян Л. П., Оганесян Э. А., Варданян И.А., Налбандян А. Б.  - ДАН СССР. 1987. Т.292. С.659.
     8. Налбандян А. Б., Манташян А. А.  Элементарные процессы в медленных газофазных реакциях. Ереван. Изд-во АН АрмССР. 1975.
     9. Tsang W., Hampsa R. F.,  Chem. Kin. J. Phys. Chem. Ref. Data. 1986. V.15. P.1087.
     10. Vardanyan I. A., Nalbandyan A. B.  - IJCK. 1985. V.17. P.901.
     11. Nalbandyan A. B., Oganessyan E. A., Grigoryan R. R., Garibyan T. A., Vardanyan I.A.  - Combust. and Flame. 1977. V.30. P.177.
     12. Семенов Н. Н.  О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М. Изд-во АН СССР. 1958.