«Топохимические реакции»

Реакции химические, происходящие на границе раздела твёрдых фаз. Примеры Т. р.: дегидратация кристаллогидратов, восстановление окислов, термический распад азидов тяжёлых металлов и т.д. Особенности Т. р.: 1) они начинаются не во всём объёме, а с отдельных, наиболее реакционноспособных мест твёрдого тела (локализация процесса); 2) возникнув в каком-то месте, реакция продолжается в соседних областях кристалла (автолокализация процесса). Причины локализации процесса при Т. р. обычно связаны с наличием дефектов в кристаллах (См. Дефекты в кристаллах) и малой подвижностью ионов, атомов или молекул, образующих кристаллическую решётку (См. Кристаллическая решётка). Автолокализация процесса обусловлена каталитическим влиянием твёрдого или газообразного продукта реакции, а также кристаллохимическими особенностями развития реакции в кристалле. Межфазовая поверхность, в пределах которой локализованы Т. р., возникает вследствие образования и роста реакционных ядер; скорость процесса обычно пропорциональна величине этой поверхности в каждый данный момент времени. Поэтому кинетический анализ Т. р. включает не только учёт развития процесса во времени, но и в пространстве. Значит, влияние на скорость Т. р. оказывают дефекты в кристаллах. Оно проявляется в изменении как числа потенциальных центров реакции на поверхности, так и условий для явлений переноса в твёрдом теле. С существенной ролью дефектов в развитии Т. р. связаны также широко известный эффект влияния «предыстории» препарата (реагента) на его реакционную способность, многообразие факторов, воздействующих на их скорость, и т.д. Характер влияния дефектов в кристаллах на скорости Т. р. в каждом конкретном случае зависит как от вида и концентрации дефектов, так и от механизма элементарных стадий.

Т. р. широко используются на практике. К числу наиболее важных Т. р. относятся процессы обжига, восстановления, хлорирования руд многих металлов, цементация стали, производство керамики и огнеупоров, приготовление катализаторов, получение ферритов, некоторые стадии фотографического процесса, газовая коррозия металлов и сплавов. Во многих случаях разложение взрывчатых веществ при нагревании, процессы синтеза и очистки полупроводниковых материалов (См. Полупроводниковые материалы) также относятся к Т. р.

Лит.: Болдырев В. В., Влияние дефектов в кристаллах на скорость термического разложения твердых веществ, Томск, 1963; Дельмон Б., Кинетика гетерогенных реакций, пер. с франц., М., 1972; Розовский А. Я., Кинетика топохимических реакций, М., 1974.

В. В. Болдырев.

ТОПОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ - химические реакций с участием твердых тел. Особенность топохимических реакций - их локализация на поверхности раздела твердых реагентов и продуктов реакций в тех местах, где имеются нарушения кристаллической решетки (дефекты). Топохимические реакции сопровождают многие природные процессы (выветривание, превращения минералов). На топохимических реакциях основано восстановление металлов из руд, промышленное получение строительных и полупроводниковых материалов.

твердофазные р-ции, протекающие локально, в определенных участках твердого тела, там же локализуется и твердая фаза продукта. Типичные Т. р.: выщелачивание горных пород, восстановление металлов из руд, обжиг, нек-рые стадии фотографич. процесса, хим, травление.

В большинстве случаев Т. р. начинаются в области протяженных дефектов кристаллич. решетки (дислокаций, границ зерен и т. п.), где потери энергии на деформацию связей хим. подсистемы с решеткой уменьшаются и существует нек-рый свободный объем, облегчающий переориентацию реагирующих частиц и их взаимодействие (см. Реакции в твердых телах). В результате образуются зародыши новой фазы продукта и формируются новые протяженные дефекты-межфазные границы между исходной твердой матрицей и твердой фазой продукта. Дальнейший рост фазы продукта происходит вследствие р-ции на этих границах, а скорость процесса пропорциональна площади пов-сти раздела фаз, к-рая вначале растет, а затем уменьшается по мере слияния отдельных частиц фазы продукта.

Такая кинетика действительно наблюдается в тех случаях, когда продукты р-ции легко выделяются из исходной матрицы, без существенного нарушения ее структуры. Если же в результате формирования новой фазы изменяется локальная структура матрицы в зоне р-ции, скорость Т. р. резко падает уже при малых степенях конверсии. Так происходит, напр., при твердофазной полимеризации ряда гетероциклов и диацетиленовых соед. из-за амортизации участков кристаллич. матрицы реагентов на границе с зародышами фазы продукта.

Т. обр., для Т. р. характерно, что кинетика р-ции обусловлена топографией тела в зоне р-ции. Этот смысл отражен в термине "Т. р." (введен В. Кольшуттером в 1919). Однако при таком подходе не учитывается, в какой степени хим. структура и пространств. строение продукта связаны со структурой матрицы, т. е. с расположением частиц в решетке твердого тела.

Согласно совр., более строгому определению, Т. р.-это такие твердофазные процессы, при к-рых исходная конфигурация частиц в решетке твердого тела однозначно определяет конфигурацию продукта, т. к. межмолекулярные взаимод. в решетке препятствуют переориентации реагирующих частиц при перемещении хим. подсистемы вдоль координаты р-ции. Впервые такой "топохим. контроль" был обнаружен Дж. Шмидтом и М. Коэном в 1964 при исследовании фотодимеризации разл. кристаллич. модификаций коричной к-ты С ₆ Н ₅ СН=СНСООН. В кристаллах а-модификации в соответствии со структурой решетки образуется всегда только труксиловая к-та, в кристаллах b-модификации -труксиновая:

Помимо высокой селективности по хим. структуре продукта, Т. р. отличаются и стереоселективностью. Так, при жидкофазной фотодимеризации производных бутадиена с фенильными (Ph) и тиофеновыми (Th) заместителями возникают два энантиомгра I и П. Однако в монокристаллах, образованных смесью этих мономеров, под действием асимметричного поля решетки происходит преим. образование одного из энантиомеров -I или II, в зависимости от того, как возбужденные молекулы мономеров взаимод. с полем решетки:

При определенных условиях Т. р. кристаллографич. оси образующихся кристаллов продукта ориентированы относительно кристаллографич. осей исходной матрицы. Иными словами, кристаллы реагента топохимически преобразуются в кристаллы продукта. Такое преобразование возможно, если мех. напряжения, сопровождающие твердофазную р-цию, не нарушают упорядоченного расположения частиц, что имеет место, напр., при фотоциклодимеризации диенов, ступенчатой фотоциклополимеризации нек-рых производных дивинилбензола. Однако во мн. случаях, напр. при полимеризации кристаллич. мономеров, структурная корреляция между исходной матрицей и продуктом существует только в начальной стадии р-ции.

В решетке аморфного твердого тела структура отдельных ячеек различна, соответственно и структура фазы продукта Т. р. оказывается неоднородной. Напр., при фотодимеризации стеклообразных эфиров коричной к-ты, в отличие от аналогичной р-ции в кристаллич. к-те, селективность по хим. структуре продукта не имеет места.

Т. р. используются в орг. и неорг. синтезе. На основе Т. р. фотоциклоприсоединения в кристаллах бифункцион. диоле-финовых соед. разработаны методы получения новых оптически активных полимеров (см. Твердофазная полимеризация). Важное значение имеет топохим. полимеризация кристаллич. диацетиленов, в результате к-рой образуются полимерные кристаллы, состоящие из вытянутых регулярных цепей с сопряженными связями. Эти кристаллы перспективны как материал нелинейной оптики и мол. электроники.

Лит.: Болдырев В. В., Влияние дефектов в кристаллах на скорость термического разложения твердых веществ, Томск, 1963; Розовский А. Я., Кинетика топохимических реакций, М., 1974; Продан Е. А., Неорганическая топохимия, Минск, 1986. См. также лит. при статьях Реакции в твердых телах, Химия твердого тела. Г. Н. Герасимов.

топохими́ческие реа́кции

химические реакции с участием твёрдых тел. Особенность топохимических реакций — их локализация на поверхности раздела твёрдых реагентов и продуктов реакций в тех местах, где имеются нарушения кристаллической решётки (дефекты). Топохимические реакции сопровождают многие природные процессы (выветривание, превращения минералов). На топохимических реакциях основано восстановление металлов из руд, промышленное получение строительных и полупроводниковых материалов.

* * *

ТОПОХИМИ́ЧЕСКИЕ РЕА́КЦИИ, химические реакций с участием твердых тел. Особенность топохимических реакций — их локализация на поверхности раздела твердых реагентов и продуктов реакций в тех местах, где имеются нарушения кристаллической решетки (дефекты). Топохимические реакции сопровождают многие природные процессы (выветривание, превращения минералов). На топохимических реакциях основано восстановление металлов из руд, промышленное получение строительных и полупроводниковых материалов.

хим. реакции с участием тв. тел. Особенность Т. р. - их локализация на поверхности раздела тв. реагентов и продуктов реакций в тех местах, где имеются нарушения кристаллич. решётки (дефекты). Т. р. сопровождают мн. природные процессы (выветривание, превращения минералов). На Т. р. основано восстановление металлов из руд, пром. получение строит. и полупроводн. материалов.