ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), входящие в состав токсичных компонентов отработавших газов дизеля, являются канцерогенными веществами и при попадании в организм человека могут вызвать образование злокачественных образований.

Размеры бензольного кольца и большое разнообразие ПАУ в отработавших газах дизельного двигателя указывают на возможность протекания процесса образования сажи через промежуточное образование ПАУ.

Рентгеноструктурным анализом установлено, что частицы сажи состоят из отдельных кристаллитов размером 13-2010 ^-10 м. Каждый элементарный кристаллит имеет внутреннюю структуру близкую к структуре графита, но с турбостратическим расположением атомных слоев. Несколько соединенных бензольных колец представляют собой по сути дела зародыш графитового кристаллита. Многоядерным конденсированным ароматическим углеводородом гигантских размеров можно считать графит, точнее один плоский слой кристалла графита.

Современными исследованиями установлено, что молекула бензола имеет форму правильного плоского шестиугольника и расстояния между атомами углерода одинаковы и равны 1,3910 ^-10 м, как и графита (сажи). Плоская конфигурация молекулы тоже является эффектом сопряжения. Угол 120° является, с одной стороны, нормальным углом правильного шестиугольника и, с другой стороны, валентным углом углерода с гибридизацией sp ², то есть бензольный цикл является циклом без напряжения. Исследования термических превращений бензола указывают на высокую устойчивость шестичленного цикла по сравнению с углеводородами другого строения. Гидрирование изолированной двойной связи и двойной связи, относящейся к открытой сопряженной системе, протекает с выделением большого количества энергии. Гидрирование первой двойной связи молекулы бензола не только не сопровождается выделением энергии, но требует затраты 23,5 кДж/моль. Отсюда можно сделать вывод, что состояниеp-электронов в бензольном кольце является состоянием особой устойчивости, обусловленной специальным сопряжением связей этого ядра (а именно, изовалентным сопряжением).

Во всех случаях, в которых химическая система может подвергаться превращению, приводящему к образованию ароматического ядра, это превращение (ароматизация) будет протекать самопроизвольно с выделением энергии. Ароматизация определяет направление многочисленных органических реакций.

Доказательством того, что ПАУ являются предшественниками сажистых частиц, служит равновесная форма зародыша графита - правильный шестиугольник.

По общей теории зарождения и роста кристаллов Гиббса-Фольмера-Каишева следует, что вероятность появления устойчивого зародыша новой фазы, тем больше, чем меньше работа его образования. Ранее указывалось, что образование ароматического цикла протекает с выделением энергии, а не с ее затратами. Таким образом, имеются теоретические предпосылки зарождения и роста кристаллитов сажи. Процесс идет беспрепятственно, так как он сопровождается уменьшением внутренней энергии, подобно тому, как тела стремятся падать вниз, потому что при этом уменьшается их потенциальная энергия. Гексагональная структура кристаллической решетки сажистых частиц наиболее выгодна не только с энергетической, но и с геометрической (пространственной) точек зрения, как наиболее компактное расположение атомов углерода в плоскости и в пространстве.

В итоге вырисовывается следующий механизм образования сажистых частиц. Химические зародыши сажистых частиц (ароматические ядра) взаимодействуют с углеводородными молекулами и радикалами, в результате чего образуется полициклический ароматический угледород, обладающий плоской пространственной структурой. Молекулы ПАУ с пятью-шестью конденсированными ароматическими кольцами взамодействуют между собой и за счет вытеснения водорода с периферии образуют двухплоскостную структуру зародыша сажистой частицы. При присоединении еще одной молекулы ПАУ получается пространственная структура элементарного кристаллита сажистой частицы.