Electrical charges as catalysts of chemical reactions on a solid surface

Abstract

Purpose. To determine the change dependency of the potential energy of the chemical bond of a diatomic molecule on the value of the point charge and its distance to the bond using quantum mechanical calculation. Methodology. Numerical simulation of a quantum mechanical system consisting of a point charge and a diatomic molecule interacting with each other. Findings. The quantum-mechanical problem of the effect of an external Coulomb center on the chemical bond of diatomic molecules is solved. Originality. A quantum mechanical model of a physical system consisting of three interacting Coulomb centers (there is a chemical bond between two of them) is developed. The model makes it possible to understand the dynamics of the interaction of a molecule with an ion, the charge of which can be characterized by either integers or fractional numbers. The change in the energy of the chemical bond in the ion field depending on the distance to the bond and the magnitude of the charge is established. Practical value. The developed technique for calculating the energy of a chemical bond as a function of the magnitude of the electric charge was used in the development of the method for growing single crystals of metastable diamond, in calculating the limits of the chemical bond stability in metal azides, in developing the way of additional harmful gases formation during rock blasting and in calculating the stability of nanoscale hydrocarbon chains in coal, and others. The method can be used to decide on the catalyst and control the catalytic reactions.

About stability of connection of diatomic molecule in the field of electric charge

“…Анализируя в целом предполагаемый физический сценарий снижения устойчивости вещества в результате влияния каких-либо внешних воздействий, мы выделили одну наиболее вероятную причину, которая может лежать в основе многих эффектов. Из практики хорошо известно, например, что в результате разрушения горных пород взрывом образуется дополнительное количество вредных газов [21,22], зависящих от химического и минерального состава пород [23], их физико-механических свойств, температуры и глубины залегания [24]. По данным экспериментальных исследований при взрывах одного вида взрывчатого вещества (ВВ) в различных породах и различных видов ВВ в одной породе, суммарное количество и состав ядовитых газов соответственно возрастают от 220 до 1000% [23].…”

“…Третий пример -спонтанное воспламенение свежеобразованной угольной пыли. Здесь очевидная роль поверхностных каталитически-окислительных реакций [24]. Из приведенных выше примеров следует, что разрыв старых химических связей и образование новых, вероятно, относятся к химическим реакциям наиболее значительным по массе вещества, участвующего в превращениях.…”

“…Основные результаты исследований. В данной работе предполагается, что развитие физико-химических процессов в горных породах обусловлено главным образом влиянием кинетических параметров, определяющих каталитические свойства пород, к которым относится поверхность и особенности ее функционального состояния [24]. Возможно также, что активность локальных зон на поверхности обусловлена присутствием электрических зарядов с плотностью распределения в соответствие с особенностями рельефа поверхности.…”

“…Для решения данной задачи использовали квантово-механические задачи и результаты работ [19,24,28,29]. В целом предлагаемый метод расчета отличается от известного метода построения одноэлектронных молекулярных орбиталей в форме линейных комбинаций атомных функций (метод МО ЛКАО) тем, что за базис принимаются многоцентровые функции в эллипсоидальных координатах, а все физические функционалы вычисляются аналитически.…”

“…Одно из преимуществ квантово-механических расчетов заключается в том, что для химических связей энергетические термы легко рассчитываются как в основном, так и в возбужденном состоянии. При этом появляется возможность следить за динамикой процесса разрушения устойчивой химической связи и ее постепенным «разрыхлением» до момента диссоциации [19,24].…”