Kimiawan teoritis di Emory University telah memecahkan sebuah misteri penting tentang tingkat reaksi kimia yang disebut aturan Polanyi.

Temuan yang dipublikasikan dalam jurnal Science, mengungkapkan mengapa reaksi yang melibatkan metana tidak sesuai dengan aturan diketahui, masalah yang telah membingungkan kimiawan fisik dalam beberapa tahun terakhir.

"Kami menunjukkan bahwa pra-reaktif, jangka panjang dapat menyelaraskan kekuatan reaksi dari atom klorin dengan metana, atau gas alam, dengan cara yang benar-benar menghambat reaksi," kata Joel Bowman, seorang profesor kimia teoritis di Emory dan Cherry L. Emerson Pusat Komputasi Kimia. "Kami percaya bahwa pekerjaan teoritis yang kita lakukan telah diperpanjang dan dimodifikasi aturan Polanyi."

Bowman menerbitkan hasil dengan Gabor Czako, seorang rekan post-doktoral dalam kimia teoretis yang melakukan sebagian besar analisis komputasi dan matematika yang kompleks yang mengungkap hasil.

Jangka panjang, temuan mereka bisa memainkan peran dalam pengembangan bersih, bahan bakar lebih efisien.

Memahami dinamika reaksi kimia kunci untuk mendorong reaksi efisien, baik dalam percobaan laboratorium atau dalam aplikasi industri. Pada tahun 1986, John Polanyi berbagi Hadiah Nobel dalam bidang kimia, sebagian dengan memberikan aturan umum untuk bagaimana bentuk energi yang berbeda mempengaruhi tingkat reaksi.

"Aturan Polanyi memberitahu Anda cara terbaik untuk deposit energi dalam molekul sederhana untuk membuat reaksi kimia terjadi," kata Bowman. "Ini sedikit seperti mengetahui terlebih dahulu bagaimana untuk berinvestasi $ 1.000 untuk memaksimalkan laba atas investasi."

Polanyi mengembangkan kerangka kerja berdasarkan studi reaksi sederhana dari atom klorin dan fluor dengan gas hidrogen. Sebagai teknologi telah maju dalam beberapa tahun terakhir, beberapa ahli kimia mulai menguji aturan Polanyi untuk reaksi yang lebih rumit, dan aturan-aturan muncul untuk mendobrak. Paling menonjol, percobaan balok canggih molekul dengan Kopin Liu di Institut Ilmu Atom dan Molekuler di Taiwan menunjukkan bahwa reaksi atom halogen dengan metana tidak sesuai dengan aturan.

"Tiba-tiba, aturan tampaknya telah berubah, dan tak seorang pun bisa menjelaskan mengapa," kata Bowman. "Kami memutuskan untuk menyingsingkan lengan baju kita dan menyerang masalah teoritis."

Bowman dan Czako menarik dari kekuatan komputasi dari Pusat Emerson, perangkat lunak khusus dan teknik analisis. Mereka pertama diciptakan teoritis-komputasi simulasi percobaan yang dilakukan oleh Liu dan orang lain, dan kemudian dijelaskan hasil matematis.

"Perhitungan kami menunjukkan dasarnya perjanjian yang tepat dengan hasil eksperimen," kata Bowman. "Ketika teori dan eksperimen setuju Anda senang, tetapi Anda masih ingin tahu mengapa."

Menentukan mengapa reaksi tidak sesuai dengan aturan Polanyi adalah tugas lain yang rumit, yang melibatkan mekanika kuantum dan kekuatan yang mengatur reaksi sampai ke tingkat atom.

"Sebagai ahli teori, kita dapat memperbesar dan melihat hasil dari perhitungan kami dengan cara yang hampir mustahil dalam percobaan," kata Bowman.

Mereka mengidentifikasi sebuah interaksi halus antara aturan Polanyi dan pra-reaktif jangka panjang kekuatan metana dengan klor. Jika Anda mengikuti aturan Polanyi, gaya ini jangka panjang, atau kontrol sterik, akan misalign reaktan, mencegah mereka dari docking benar dan menghambat reaksi. Tapi jika Anda membagi energi dalam cara yang berlawanan dengan aturan, misalignment adalah dihapus dan reaksi terjadi.

"Ini kekuatan jangka panjang adalah memainkan peran yang lebih besar daripada yang sebelumnya diperkirakan," kata Bowman. "Ini sebenarnya dapat truf aturan Polanyi, setidaknya dalam reaksi bahwa Liu dan kita melihat. Aturan Polanyi tentu tidak semua salah, mereka hanya tampaknya terlalu sederhana untuk diterapkan ke reaksi yang lebih kompleks."

Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation dan Departemen Energi AS.

Sifat reaktif gas alam adalah kepentingan tertentu karena merupakan bahan bakar penting. Bowman dan Czako sekarang menerapkan teknik mereka untuk mempelajari pembakaran metana dan oksigen, yang menghasilkan karbon dioksida. "Sangat penting untuk memahami dinamika reaksi ini, karena mungkin menyebabkan cara yang lebih efisien untuk memproduksi bahan bakar, dan penurunan tingkat pencemaran yang dipancarkan," kata Bowman.

Article Source:

Artikel di atas adalah dicetak ulang dari bahan yang disediakan oleh Emory University . Artikel asli ditulis oleh Carol Clark.

Catatan: Bahan dapat disunting untuk konten dan panjang. Untuk informasi lebih lanjut, silahkan hubungi sumber yang dikutip di atas.

Referensi Jurnal:

G. Czako, JM Bowman. Dinamika Reaksi Metana dengan Atom Klorin pada Permukaan Potensi Energi Akurat. Ilmu, 2011; 334 (6054): 343 DOI: 10.1126/science.1208514