Реферат: Химические преобразователи солнечной энергии
Министерствообразования РФ
МГЭГ №26.
Химическиепреобразователисолнечной энергии.Выполнил:
ученик 11В класса
Прушинский Евгений.
Томск 2001.
Введение.
Современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в которыхзапасена солнечная энергия (СЭ). Прежде всего это ископаемые виды топлива, дляобразования которых требуются миллионы лет. В своей деятельности человечество спостоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине гигантский запас.Истощение месторождений нефти, угля и природного газа неизбежно, и, поразличным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы переключиться наальтернативные источники энергии (солнечную, океаническую, ветровую,вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также представляютпоиски химических способов аккумулирования СЭ.
Системы,аккумулирующие солнечную энергию, и требования к ним.
Диапазон использования солнечного излучениячрезвычайно широк. Энергией Солнца питаются высоко температурные установки,концентрирующие поток лучей с помощью зеркал. В качестве аккумуляторов энергиив них используются как физические теплоносители, так и некоторые неорганическиевещества, способные к циклическим реакциям термического разложения- синтеза(оксиды, гидраты, сульфаты, карбонаты). Устройства другого типа преобразуютэнергию излучения в электрическую, тепловую или энергию химических реакцийпосредством фотофизических или фотохимических процессов. Среди фотохимическихпутей преобразования СЭ наиболее значимыми являются следующие:
· Фотокаталитическоеразложение воды под действием металлокомплексных соединений;
· Создание«солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных переносах или фотогальваническомэффекте;
· Фотосинтез- наиболее эффективный биохимический способ преобразования энергии Солнца.
Наряду с ними значительный интерес представляют химические системы, способныеаккумулировать СЭ в виде энергии напряжения химических связей. Такиесистемы удовлетворять требованиям, которые относятся как к фотохромномуреагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса. А↔В+ΔН.Основныетребования сводятся следующему:
· РеагентА должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм), так какболее 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-700 нм. ФотоизомерВ, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы избежатьфотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь энергии оба компонента должныбыть нелюминесцирующими;
· Обратнаяреакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);
· Длядлительного сохранения запасённой фотопродуктом В энергии активационный барьертермического перехода В→А должен быть достаточно большим – порядка 100 кДж/моль;
· Прямаяфотохимическая реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом,обратная подвержена каталитическому ускорению или тепловому инициированию;
· Прямойи обратный процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения иотсутствием побочных продуктов;
· ВеществаА и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными ихимически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху.
Среди органическихсистем, удовлетворяющих указанным выше условиям, наиболее важными являютсяследующие:
· Валентнаяизомеризация нитрон – оксазиридин;
· Геометрическая(Е)↔(Z) изомеризацияпроизводных индиго;
· Геометрическаяизомеризация N – ацилированных аминови нитрилов с последующей внутримолекулярной перегруппировкой;
· Термическиобратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.
Циклическиереакции фотораспада – термической рекомбинации свойственны и некоторымнеорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:
NOCl↔NO + 1/2Cl²
Основное преимущество органических системперед неорганическими связано с возможностью широкого варьирования строениямолекул с целью улучшения их спектральных характеристик как аккумуляторов ипреобразователей СЭ.
Система норборнадиен –квадрициклан.
Исследования, проводимые в последние годы,указывают на перспективность использования систем, для которых характернафотоинициируемая валентная изомеризация по типу (2π+2π) – циклоприсоединения.В этих реакциях две π – связи преобразуются в две σ – связи собразованием циклобутанового производного.
Как правило, в подобных системахтермодинамическое равновесие полностью смещено в сторону реагента.
Рассмотрим более детально один из наиболееперспективных объектов для такого рода превращений – норборнадиен (бицикло [2.2.1] гепта – 2,5 – диен)и его производные. Соединения норборнадиенового ряда могут быть достаточнолегко синтезированы по реакции дневного синтеза. Реагентами для получения норборнадиенпроизводных являются крупнотоннажные продукты органического синтеза –циклопентадиен и ацетилен.
Норборнадиен – интересная и во многомуникальная молекула. Это редкий пример 1,4 – диеновых углеводородов, в которыхтакое расположение двойных связей является наиболее термодинамическиустойчивым.
Использование сенсиблизаторов.
Фотопревращение незамещённого норборнадиенав квадрициклан характеризуется низким квантовым выходом, который, однако, можетбыть значительно повышен при использовании сенсибилизаторов. Наилучшие результатыполучены при использовании солей меди или фенилкетонов. Однако и в этихсистемах имеются недостатки: во-первых, они “работают” только в УФ –области спектра; во-вторых, комплексы Cu(|) окисляются до соединений Cu(||), не проявляющихфотоактивности, а кетоны химически взаимодействуют с норборнадиеном приоблучении, образуя продукты фотоприсоединения. Эти причины затрудняют практическоеиспользование такого рода сенсибилизаторов.
Заключение.
Глобальная экологическая проблемапредъявляет к химико – технологическим процессам всё более жёсткие требования.В этих условиях фотохимические методы, которые позволяют весьма избирательноподводить энергию и использовать её в химических превращениях, могут сыгратьважную роль. Свет представляет собой как бы безынерционный химический реагент,не дающий отходов. Тем не менее в настоящее время фотохимические процессы вкрупномасштабном производстве имеют подчинённое значение прежде всего потому,что ещё не решены сложные сопутствующие технические проблемы. Всё сказанное вышев полной мере относится к системе норборнадиен – квадрициклан. Её практическаяценность очевидна. В некоторых развитых странах уже проводятся разработкималогабаритных экспериментальных установок, работающих на норборнадиене, дляобогрева зданий, садовых домиков, теплиц.
Однако на пути крупномасштабного использованиятепловой энергии, выделяющейся при каталитическом превращении квадрициклана внорборнадиен, имеются препятствия экономического характера. Так, в настоящеевремя стоимость тепла (в виде водяного пара), получаемого этим способом, в 50 –100 раз превышает аналогичные показатели для традиционных методов. Необходима дальнейшаямодификация этих систем. Основные направления усовершенствования: увеличение числарабочих циклов до 10000 и выше, повышение квантового выхода и конверсиинорборнадиена в каждом цикле, а также удешевление синтеза производныхнорборнадиена, обладающих подходящими спектральными характеристиками. Тем неменее создание малогабаритных установок может быть оправданно и сегодня – для солнечныхрегионов, удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.
Содержание:
1. Введение.
2. Системы,аккумулирующие солнечную энергию, и требования к ним.
3. Система норборнадиен –квадрициклан.
4. Использование сенсиблизаторов.
5. Заключение.
Список литературы:
1. Эткинс П. Физическаяхимия. Мир, 1980.
2. Беккер Г. О. Введениев фотохимию органических соединений. Химия1976.
3. Брень В. А. Успехихимии.1991.
4. Флид В.Р. Журналобщей химии.1992.