Panoramica sullo sviluppo di nuove tecnologie fisiche per i settori
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Panoramica sullo sviluppo di nuove tecnologie fisiche per i settori
Quantum Chemistry qualche esempio di applicazione della Meccanica Quantistica … Indice • Introduzione. • Quantum Chemistry: quando le differenze tra chimica e fisica perdono di significato. • Eliminare le barriere di reazione nei processi esotermici: a) catalisi chimica, b) plasmi. • Tecnologie dell’idrogeno: bello, ma difficile da produrre a costi contenuti. • Il ruolo delle biomasse: una interessante prospettiva per il futuro. C’è differenza tra fisica e chimica ? Il ferro, lo zolfo, il fuoco e la calamita … Fe + S FeS Il legame chimico Legame ionico: nel processo di ionizzazione un elettrone 3s1 dell’atomo di sodio è trasferito a un orbitale 3p, riempito a metà, dell’atomo di cloro La distanza di separazione interionica di equilibrio a0 viene raggiunta quando la forza tra gli ioni è nulla Legame covalente nella molecola di idrogeno. La più alta densità di nuvola di carica elettronica si ha nella zona di sovrapposizione fra i nuclei degli atomi di idrogeno Esempi di legame covalente Log10 E Fisica 15 eV Chimica 1 eV Fisica Come possiamo modificare i legami chimici? Reazioni chimiche H-Br H-H H2 + Br HBr + H Eliminare (o almeno ridurre) le barriere di potenziale Catalisi eterogenea Interazione ione-neutro: una possibile alternativa db-UniTN 2 1 1 dr L2 2 ECM g V (r) 2 2 2 dt 2 r ECM collision energy reduced mass g relative velocity at r r internuclear distance b impact parameter t time L=gb collisional angular momentum V (r) potential energy Veff At long range, V (r) is frequently given by q 2 V (r ) 4 the ion-induced dipole interaction: 2r q ion charge isotropic polarizability of the neutral db-UniTN Langevin-Gioumousis-Stevens (LGS) model ( ECM ) 2 b p(b) db 1 b bC p ( b) 0 b bC 0 Energy db/Langevin.opj k ( ECM ) g b > bC b = bC rC b=0 ECM internuclear radius rC - classical capture radius A simple calculation: 2q bC ECM Veff r Veff 0 r rC r rC ECM rC bC 2 1/4 2 LG bC2 q kLG g LG 2 ECM 2 q db-UniTN Stability of Molecular Dications XY2+ is thermodynamically stable if at large internuclear distances correlates with X2+ + Y. This occurs when: = IP(X+) - IP(Y) < 0 where X is the atom with the lower cumulative ionization potential: [(IP(X) + IP(X+)] < [(IP(Y) + IP(Y+)] Large positive values of lead to a thermodynamically unstable situation (Coulomb explosion). In certain cases, the ground state may be metastable ("volcanic" ground state). db-UniTN HeH2+ >0 He2+ + H Energy He+ + H+ HeKr2+ <0 Kr+ + He+ Kr2+ + He Internuclear distance db-UniTN "Volcanic" states 55 2+ X +Y Energy (eV) 50 45 40 + + X +Y 35 1 10 Internuclear distance (Å) 100 db-UniTN MR–AQCC/cc-pV5Z potential energy curves for ArO2+ (energies relative to Ar+ + O+). The 1Sg+ state was computed at the MR– CISD(Q)/cc-pV5Z level J.C.P. 118 (2003) 2159 db-UniTN J.C.P. 118 (2003) 2159 db-UniTN PAH as carriers of the Unidentified IR bands (UIR) The spectrum of the Orion Bar compared to the spectrum of a mixture of PAH cations The Orion Bar NASA Ames Research Center www.astrochem.org db-UniTN Detection of benzene in interstellar space ISO (European Space Agency) 22-Jan-2001 ISO detects benzene in interstellar space The first “ringed molecule” found around stars Stellar cocoon CRL 618 (NASA/ESA Hubble Space Telescope) Benzene production in interstellar space An important step towards the synthesis of more complex organic molecules J. Cernicharo et al. Astrophys. J. 546 (2001) L123 db-UniTN Mechanism of benzene formation in space HCO+ C2H2 C2H3+ Proposed synthesis of C6H6 in the protoplanetary nebula CRL 618 E. Herbst & co. Astrophys. J. 574 (2002) L167 C2H2 C4H3+ H2 C2H2 radiative association reactions c-C6H5+ C6H7+ eC6H6 For efficient C6H6 formation: high flux of ionising radiation high temperatures (~250K) Mechanism for the growth of PAH cations db-UniTN + + +H + H2 (no barrier) + + HCCH + + HCCH + + +H . . . + C.W. Bauschlicher et al. C.P.L. 355 (2002) 159 db-UniTN [C6H5+D2]+ system: PES and geometries 3 2.52 2 energy, eV B3LYP/6-31G* 1 0 C6H5D+ + D C6H5+(S)+ D2 0.46 -0.03 0.00 -0.07 -1 -2 -3 C6H5D2+(a) -2.95 0.55 C6H5D2+(b) C6H5D2+(c) Idrogeno: un vettore energetico “ideale” Idrogeno: l’elemento più abbondante dell’Universo, ma è difficile produrlo sulla Terra Idrogeno: utile, ma non semplice da maneggiare! Idrogeno: produrlo a partire dal carbonio (o dai combustibili fossili) non serve per ridurre l’effetto serra. Conclusioni (I) • La Meccanica Quantistica permette di studiare i problemi chimici comprendendo i meccanismi microscopici che sono alla base delle reazioni. • Per ottimizzare la resa è necessario “scegliere” opportuni cammini di reazione. Conclusioni (II) • L’uso di plasmi (interazione ione-neutro) o di nuovi catalizzatori basati sulle nanotecnologie può rappresentare una valida alternativa ai (costosi) catalizzatori tradizionali. • La disponibilità di catalizzatori efficaci costituisce l’elemento chiave per l’utilizzo di biomasse come fonte energetica competitiva rispetto ai combustibili solidi.