碰撞在化学技术上的应用和扩展

志勰

采用动力学的角度去研究化学反应过程及应用。


     弹性碰撞是一种非常特殊的物质运动变化形式。我们知道,在物体间的直接相互作用形式上,只存在两种作用形式,一种形式是摩擦,在地球表面的宏观物体作用形式中,这是主要的一种;另一种则是碰撞了,在宏观物体的运动变化中,绝大部分都是非弹性碰撞。从这上面,我们很难看到弹性碰撞的影子,除非采用特殊的材料制作的特殊的弹性物体。

    对物质材料深入到微观,深入到分子和原子的层次,就会发现物质个体间的作用形式除了碰撞之外,则很难再找到其它的直接作用形式了。除了粒子间的引力和斥力作用形式之外,粒子间的作用就只有碰撞。引力和斥力作用表征的是粒子间的相互作用关系。在物质的存在中,大多数物质都是以两个原子或者两种以上的原子相互作用的化合态存在(气体氦的氦原子除外),在这些微观粒子所进行的碰撞是弹性碰撞的过程,都不是化学反应过程,同样的反过来说,微观粒子发生化学反应过程,那么它们所进行的碰撞必然是非弹性碰撞。在化学反应过程中,参加化学反应过程的微观物质粒子都是一种分解与组合的过程,因此化学反应过程都是碰撞的过程。而弹性碰撞和非弹性碰撞则成为化学反应过程的一个分界点。

  微观粒子间的相互结合和微观粒子间的力学结构有决定定的关系,而微观粒子间的碰撞结合的过程又可以决定微观粒子间结合的位置因素之一,因此研究微观粒子间的碰撞对于粒子间的组合结构关系也是非常重要的。因此,它也是决定材料的属性的重要的因素。

  除了应用于化学反应过程之外,粒子间的作用关系直接决定粒子组成材料的属性和特征。那么碰撞对化学反应、材料的属性,将会有非常重要的价值和意义。

一、弹性碰撞对于化学的意义以及化学反应可精确描述的方向

      对于微观个体(指分子、原子)间的接近与分离的碰撞过程中,微观个体的结构不发生改变的碰撞过程,我们可以把它们当作弹性碰撞过程。举个例子来说,一个氢气分子和一个氧气分子发生碰撞,H2+O2=H2+O2,在碰撞前后,氢气分子和氧气分子都不发生改变的过程,这个过程的碰撞就是弹性碰撞过程。而如果发生了其它的过程,比如:2H2+O2=2H2O(这是沿用传统化学中的观念,采用物理的方法来研究化学过程,这种直接的过程是不会发生的。正确的过程应该是H2+O2=HO+HO,少数的碰撞也可能会出现H2+O2=H2O+O,在微观粒子的非常高的高速状态也有可能会出现H2+O2=H2+O+O等过程①),那么就是非弹性碰撞过程。

    在微观粒子的碰撞过程中是什么因素决定是弹性碰撞和非弹性碰撞呢?在传统的化学中,通常采用键能来描述,如上面就是H-H,O-O,H-O等键的键能是多少,采用能量来描述多少能量可以将它们键能拆开,组成新的键能的能量是多少,可以释放多少能量。在通过化学语言描述的过程中,化学反应过程已经被这种化学语言所代替,我们在这里面已经很难找到物质运动变化的痕迹了。我们知道化学是一种实验科学,试验学科从理论上描述应该和物质的运动本身很接近,我们在这里是很难看到的。化学的这种语言无疑对于化学反应的微观过程来说,无疑是粗糙的方法。

    传统化学键的键能的确立,除了采用试验的方法利用能量守恒的观念来确立的能量值之外,并没有从动力学的角度来提供可行性的证据。如何采用动力学的角度来确立微观分子进行化学反应的弹性碰撞和非弹性碰撞这个界限,以及采用在化学意义上同类概念的键能的替换概念的描述,则成为对化学反应过程精确描述的一个途径。

  分子中各个原子之间的力学关系直接决定分子的结合状态,只要我们能确定这种各个原子之间的力学的组合状态,那么我们就可以通过力学的方法来确立分子的分解与组合的条件。我们就可以采用动力学中的碰撞的方法来描述化学反应过程了。

二、对化学键破裂与组合的动力学描述途径

    分子是由两个或者两个以上原子构成,既可能是相同的原子,也可能是不同的原子,地球上大多数的物质分子是属于后者。现在已经发现的元素有108种之多,在分子的各个原子的组合种类上,它们会构成一个庞大的系统,我们知道,它们可以构成所有的物质材料。采用精确的力学结构来定量的描述所有的这些原子、分子的组合,这是一件非常困难的事情。本文也回避这个困难。

    一种化学反应都发生在有限的几种原子之间,我们只要找到这几种原子之间结合的特点,或者关于分子分解与组合过程中的特点,那么就可能根据掌握的条件,对原子间的结合状态或者化学反应的过程进行一定程度上的控制,使原子间的结构趋向于我们需求的那种结构如材料的属性;控制化学反应的速度及特定物质的生成,以达到改进材料的加工工艺、精确的控制化学反应过程。

  化学反应过程都是通过分子、原子的碰撞来实现的。前面我们已经知道,发生化学反应过程的碰撞必然是非弹性碰撞。这就需要在碰撞的过程中打破分子中原子间的力学结构。而两个相互碰撞的微观粒子的状态条件则成为我们描述发生化学反应过程的关键。这就是通常意义上化学反应的温度,如燃料燃烧的温度我们把它叫做燃点。

三、对化学键破裂与组合的动力学描述途径及常规描述的分歧

  对于相互碰撞粒子的描述,传统科学都是采用动能来描述的,涉及到粒子状态的关系,传统的科学中都是采用温度和粒子的动能成正比来描述。从种种迹象来看,温度和粒子的动能成正比是错误的关系。

1、温度和气体分子速度的关系

  同一种气体分子,传统的观念根据理想气体压强公式的推导途径,“气体在宏观上施于器壁的压强等于所有气体分子每秒钟施于单位面积器壁上的冲量。”②可以得到气体分子的温度同分子的动能成正比的观点。

  同一种气体分子,在传统的推导中,错误的使用了“气体在宏观上施于器壁的压强等于所有气体分子每秒钟施于单位面积器壁上的冲量。”,压力依赖于气体分子碰撞过程的施加上,碰撞就存在这种压力,不碰撞器壁就不存在这种压力,传统观念的推导过程中采用单位时间内对单位面积器壁上的冲量的累积方法本身是错误的。根据理想气体压强公式,可以得到气体分子的温度同分子的运动速度成正比的观念③。根据同种气体分子的温度同气体分子的运动速度成正比的观念,那么可以得到气体分子的温度同气体分子的动量成正比的观念。如果要满足相同温度下的气体和固体之间不发生热量传递,那么必须满足mv1=-mv2 。即:物质的温度同分子的平均动量成正比。④

  不要小看这个关系,有些朋友认为这个关系没有多大的实用价值。那我告诉你,这是错误的,正确的认识物质运动变化的本身就为有效的利用物质运动变化提供一种科学的条件。这个关系可以在化学工程技术中建立一种新的标准,后面我们会谈到。

2、采用动能描述还是采用动量描述的选择

002.gif (2826 字节)002.gif (2826 字节)
     a→             ←b
  如图:图中为两个气体分子的相对运动,如果要使两个气体分子在碰撞过程中出现气体分子中原子的分离,我们是采用动量去描述合理还是采用动能去描述合理?

  我们先来看采用动能描述是否存在问题。

  假设如果要满足分子a中的原子相互分离,那么必须要满足分子a中的一个原子在碰撞的瞬间获得一个确定的最低速度h。

  如果我们使用碰撞体采用一个相同的动能去撞击质量为c的a分子中的这个原子,假设采用质量为m速度为x的这个确定的数值的碰状体可以满足a分子中原子的分离。

    e=(1/2)mx2

  我们可以看到,在ch和碰撞动能e为常数的情况下,由于碰状体的质量m和速度x不能成反比。那么采用动能不能合理的对分子中原子间的分离进行描述。相反,采用在动量为常数的情况下,质量和速度成反比,正好可以满足分子碰撞过程中原子分离的条件。

  由于我们所采用的分子都是理想的分子,不去考虑相互碰撞的两个分子间的作用。实际的情况是,由于分子在碰撞过程中分子间存在相互作用,分子中原子间的分离比单纯的考虑一个独立的分子中原子之间的作用所需要的速度要低,或者换句话说,实际的碰撞过程比理想计算的分子间原子的分离要容易。

3、采用动量对化学反应的发生状态描述的适用性

  如果发生化学反应,那么首先是发生化学反应的分子在碰撞过程中的原子,存在分离的过程。它们在碰撞过程中都需要确定的动量,来满足原子间的碰撞过程中相互分离。当然,化学反应并不仅仅限于气体,特定的液体固体也会发生化学反应,如硫酸和锌的置换反应。在这种化学反应过程中,也应该满足原子间相互分离所需要的动量。

4、化学键在破裂后的重新组合

  参加化学反应分子中的原子,在原子重新结合后会发生相互的分离,由于核外电子间的斥力作用,这个分离过程会伴随着原子势能的释放。当化学反应前两个分子的动能小于化学反应后分子的动能,我们通常判定为化学反应的放热过程,能源在燃烧的过程都是这种过程。相反的都是吸热过程。

  传统的化学键理论认为,任何相同的键的拆开,所需要消耗的能量都是相同的,同样的任何一个相同键的构建所释放的能量也是相同的。这样的结论是错误的,如下图:

001.gif (4179 字节)002.gif (2827 字节)

    →             ←

                

002.gif (2827 字节)

001.gif (4179 字节)
      ←

  化学反应过程中能量的释放主要来自于新组合的分子之间的核外电子相互推斥的力,这个势能依赖于两个分离的分子之间的相对距离。在两个分子相互碰撞过程中,由于分子的运动是随机的,两个分子之间碰撞的角度,碰撞的位置都是随机的,分子中的原子相互间的分离过程的相互位置不是相同的,组合的新分子的距离同样也不会是相同的,那么化学反应过程中释放的这种势能的大小也不会是相同的。但是在宏观统计上,我们仍然可以把它们当作常值看待。

  在对单个的分子原子所进行的的化学反应过程进行精确的实验和计算,请千万不要采用能量守恒和转化定律来建立中间求解的关系,因为能量守恒和转化定律的关系是不成立的⑤。必然会得出错误的结论。

四、在化学反应过程中可改进的一种技术标准

  由于在传统的观念中,气体分子的温度同分子的平均动能成正比,温度并未曾和气体分子进行化学反应的状态建立直接的联系。在工业上,化学反应的温度是我们所建立的经验约定的分子状态的标准。除了这种分子状态之外,并未曾建立化学反应过程碰撞条件的关系。

1、精确控制化学反应过程的一种技术标准

  采用温度作为气体分子状态的条件并不能精确的描述气体分子的状态,同样的,也不能描述物质材料中分子的状态,我们也未曾建立温度和气体分子运动状态的关联(什么样的温度,对应分子、原子所具有的动量、运动震动的速度。)。那么我们只要建立了这种标准,我们就可以比较精确的控制化学反应。那么,这种标准是什么呢?

  采用分子的动量、速度来作为物质分子进行化学反应的状态标准。

  由于材料加工、化学反应过程中存在不同的要求,那么我建议根据不同的需要建立动量、速度的标准。

2、在化学反应过程中建立速度、动量标准的优越性

  节约燃料:建立了动量速度标准之后,可以控制达到可以进行化学反应恰到好处的输入能量状态,但对于化工工业来说,意义不是很大。

  控制化学反应过程:精确的动量和速度的标准,可以使我们恰到好处的控制化学反应。如果在化和分解过程中,出现n种新产物,产生每一种新产物所需要的动量必然是不同的,我们只需要在化学反应过程中控制参加反应的物质的动量在新产物所对应的动量上,就可以促进该产物的生成。同样,我们不需要某种新产物,我们可以控制反应物的动量远离该量值附近。

  从用动量等直接和化学反应状态相关联的量来控制分子状态,最大的优势在于比较严格的控制化学反应。

3、影响动量分布的条件

  (1)对传统气体分子速度分布统计规律的怀疑

  对于相同温度下的气体分子动量分布的速度分布,在统计物理学中已经有了非常详细的计算方法,如麦克斯韦速度分布。我在这里提醒一下的是,由于在传统的气体分子的速度统计中,都是采用温度同气体分子的动能成正比。前面我曾提到,根据物理逻辑关系可以得到,温度同气体分子的动量成正比。我相信,由于引入了这个错误的关系,传统的统计规律中,并不能真实地反映气体分子速度分布的正常状态。我建议从事该化学工业设计的科学工作者采用实验的方法重新验证。

  (2)相同温度状态下,碰撞的因素本身使气体分子速度增加的两种情况

   在完全弹性碰撞中,同种气体分子遵守采用数学方法对速度分布的统计,在弹性碰撞过程中,只是交换动量,但是在多种气体分子的混合物中,则会存在使气体分子动量增加的现象。如图:

   003.gif (2422 字节)

  当两个质量不等的分子进行弹性碰撞,则会发生动量转移。如左边的图

  假设质量m1的分子碰撞后速度为v1',质量m2的分子碰撞后速度为v2,则:

v1ˊ=2(v2m2+v1m1)/(m1+m2)-v1

v2ˊ=2(v2m2+v1m1)/(m1+m2)-v2        ⑥

(3)增加压强

增加压强会减少气体分子的自由程,单位时间内会增加碰撞次数,只要是混合气体分子,从几率的概念上也可以得到少数的气体分子的动量在温度的平均动量上增加的结论。单一的气体分子即便增加压强也不会发生这种现象。

4、所建立速度、动量标准的局限性

  确定温度的气体分子存在一个最高的速度,确定的温度状态下,气体分子的最高速度不能超越这一速度。燃料,燃气存在一个确定的燃点,就说明这个最高速度极限的存在。单纯的一种气体分子控制这一最高的速度相对来说要容易一些,但混合分子质量相差较大的气体,将使这种控制增加一定难度,比如在煤气中增加少量的氢气,将会降低煤气的燃点,同时燃点的速度也不具有极限的意义,将会带有一定的偶然性。

  对于化学反应物中出现的n中产物,我们只能从对应低速气体分子的产物逐级控制,或者从分子速度几率分布最多的动量段去控制,而不能随意的控制气体分子的速度分布。

5、探索施加动量的模式

  常规给分子施加动量的手段通常是采用加热、微波等。 如何精确的给分子施加确定的动量无疑也是需要探索的技术手段。

五、结束语

化学是物质原子的分解与组合的过程,它应该是物理学的一部分。从物理的角度去了解化学反应过程的一种尝试及应用。

 

附注:

①在化学反应方程等式中,通常采用化学反应方程式中的满足分子原子最外层轨道8个电子的最稳定状态描述,比如H2+O2=HO+HO的描述按传统的描述就是错误的,因为HO不能满足最外层8个电子的描述,从分子间碰撞过程的运动力学分析来看,H2、O2的碰撞过程只能满足H2+O2=HO+HO,而如果非要凑成最外层8个电子的话,从碰撞过程的分析来看,无论如何也不能满足这样的条件。而只能得到传统的方法具有局限性的结论,或者传统的方法是错误的结论。

②③④机械运动的能量体系

⑤能量守恒和转化定律的证明最初可见机械运动的能量体系,但在该文中在机械运动的领域,弹性碰撞的计算方法证明,热摩擦在数值上对能量守恒否定性的证明是不成立的。但不影响原理上的说明,比如该文中对动能的说明,弹性碰撞在两种能量的转化上的不守恒等仍然是成立的。观念上的证明可参见能量的定义系统与能量的转化 、能量转化的逻辑结构

机械运动的能量体系

 

小序:10月12号神州六号的发射,使中国人都处在一种祝福和狂欢之中。我用了两天的时间赶写了这篇文章,作为一种祝福吧。也在这里祝贺神州六号圆满完成任务胜利凯旋。时间仓促,未曾查找任何资料,有什么问题欢迎您告诉我。本文为继化学的方向和方法之后的进一步探索采用物理的方法来研究化学的文章。

2005.10.17


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