Химия

Химические преобразователи солнечной энергии


Министерство образования РФ
МГЭГ №26.



Химические преобразователи солнечной энергии.



Выполнил:
ученик 11В класса
Прушинский Евгений.



Томск 2001.



Введение.
  Современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в
которых запасена солнечная энергия (СЭ). Прежде всего это ископаемые виды
топлива, для образования которых требуются миллионы лет. В своей
деятельности человечество с постоянно возрастающими темпами растрачивает их
поистине гигантский запас. Истощение месторождений нефти, угля и природного
газа неизбежно, и, по различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы
переключиться на альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую,
ветровую, вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также
представляют поиски химических способов аккумулирования СЭ.



 Системы, аккумулирующие солнечную энергию, и требования к ним.
 Диапазон использования солнечного излучения чрезвычайно широк. Энергией
Солнца питаются высоко температурные установки, концентрирующие поток лучей
с помощью зеркал. В качестве аккумуляторов энергии в них используются как
физические теплоносители, так и некоторые неорганические вещества,
способные к циклическим реакциям термического разложения- синтеза (оксиды,
гидраты, сульфаты, карбонаты). Устройства другого типа преобразуют энергию
излучения в электрическую, тепловую или энергию химических реакций
посредством фотофизических или фотохимических процессов. Среди
фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми являются
следующие:
 . Фотокаталитическое разложение воды под действием металлокомплексных
   соединений;
 . Создание «солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных
   переносах или фотогальваническом эффекте;
 . Фотосинтез - наиболее эффективный биохимический способ преобразования
   энергии Солнца.

  Наряду с ними значительный интерес представляют химические системы,
способные аккумулировать СЭ в виде энергии напряжения химических связей.
Такие системы удовлетворять требованиям , которые относятся как к
фотохромному реагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса.


                                   А?В+?Н.

Основные требования сводятся следующему:
 . Реагент А должен поглощать свет в УФ и видимых  частях  спектра  (400-650
   нм), так как более 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-
   700 нм. Фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы
   избежать фотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь  энергии
   оба компонента должны быть нелюминесцирующими;
 . Обратная реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);
 .  Для  длительного   сохранения   запасённой   фотопродуктом   В   энергии
   активационный барьер термического перехода  В>А  должен  быть  достаточно
   большим – порядка 100 кДж/моль;
 . Прямая фотохимическая реакция должна характеризоваться высоким  квантовым
   выходом, обратная  подвержена  каталитическому  ускорению  или  тепловому
   инициированию;
 . Прямой и обратный процессы должны  характеризоваться  высокими  степенями
   превращения и отсутствием побочных продуктов;
Вещества А и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными,
взрывобезопасными и химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге
и воздуху.
  Среди органических систем, удовлетворяющих указанным выше условиям,
наиболее важными являются следующие:
Валентная изомеризация нитрон – оксазиридин;
Геометрическая (Е)?(Z) изомеризация производных индиго;
Геометрическая изомеризация N – ацилированных аминов и нитрилов с
последующей внутримолекулярной перегруппировкой;
Термически обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.
Циклические реакции фотораспада – термической рекомбинации свойственны и
некоторым неорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:
                                     NOCl ?NO + 1/2ClІ
  Основное преимущество органических систем перед неорганическими связано с
возможностью широкого варьирования строения молекул с целью улучшения их
спектральных характеристик как аккумуляторов и преобразователей СЭ.
Система норборнадиен – квадрициклан.
Исследования, проводимые в последние годы, указывают на перспективность
использования систем, для которых характерна фотоинициируемая валентная
изомеризация по типу (2?+2?) – циклоприсоединения. В этих реакциях две ? –
связи преобразуются в две ? – связи с образованием циклобутанового
производного.
  Как правило, в подобных системах термодинамическое равновесие полностью
смещено в сторону реагента.
  Рассмотрим более детально один из наиболее перспективных объектов для
такого рода превращений – норборнадиен (бицикло [2.2.1] гепта – 2,5 – диен)
и его производные. Соединения норборнадиенового ряда могут быть достаточно
легко синтезированы по реакции дневного синтеза. Реагентами для получения
норборнадиен производных являются крупнотоннажные продукты органического
синтеза – циклопентадиен и ацетилен.
  Норборнадиен – интересная и во многом уникальная молекула. Это редкий
пример 1,4 – диеновых углеводородов, в которых такое расположение двойных
связей является наиболее термодинамически устойчивым.
Использование сенсиблизаторов.
  Фотопревращение незамещённого норборнадиена в квадрициклан
характеризуется низким квантовым выходом, который, однако, может быть
значительно повышен при использовании сенсибилизаторов. Наилучшие
результаты получены при использовании солей меди или фенилкетонов. Однако и
в этих системах имеются недостатки: во-первых, они “работают” только в УФ –
области спектра; во-вторых, комплексы Cu(|) окисляются до соединений
Cu(||), не проявляющих фотоактивности, а кетоны химически взаимодействуют с
норборнадиеном при облучении, образуя продукты фотоприсоединения. Эти
причины затрудняют практическое использование такого рода сенсибилизаторов.
Заключение.
  Глобальная экологическая проблема предъявляет к химико – технологическим
процессам всё более жёсткие требования. В этих условиях фотохимические
методы, которые позволяют весьма избирательно подводить энергию и
использовать её в химических превращениях, могут сыграть важную роль. Свет
представляет собой как бы безынерционный химический реагент, не дающий
отходов. Тем не менее в настоящее время фотохимические процессы в
крупномасштабном производстве имеют подчинённое значение прежде всего
потому, что ещё не решены сложные сопутствующие технические проблемы. Всё
сказанное выше в полной мере относится к системе норборнадиен –
квадрициклан. Её практическая ценность очевидна. В некоторых развитых
странах уже проводятся разработки малогабаритных экспериментальных
установок, работающих на норборнадиене, для обогрева зданий, садовых
домиков, теплиц.
  Однако на пути крупномасштабного использования тепловой энергии,
выделяющейся при каталитическом превращении квадрициклана в норборнадиен,
имеются препятствия экономического характера. Так, в настоящее время
стоимость тепла (в виде водяного пара), получаемого этим способом, в 50 –
100 раз превышает аналогичные показатели для традиционных методов.
Необходима дальнейшая модификация этих систем. Основные направления
усовершенствования: увеличение числа рабочих циклов до 10000 и выше,
повышение квантового выхода и конверсии норборнадиена в каждом цикле, а
также удешевление синтеза производных норборнадиена, обладающих подходящими
спектральными характеристиками. Тем не менее создание малогабаритных
установок может быть оправданно и сегодня – для солнечных регионов,
удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.



Содержание:
Введение.
Системы, аккумулирующие солнечную энергию, и требования к ним.
Система норборнадиен – квадрициклан.
Использование сенсиблизаторов.
Заключение.



Список литературы:
Эткинс П. Физическая химия. Мир, 1980.
Беккер Г. О. Введение в фотохимию органических соединений. Химия1976.
Брень В. А. Успехи химии.1991.
Флид В.Р. Журнал общей химии.1992.



смотреть на рефераты похожие на "Химические преобразователи солнечной энергии "