Конвекцией под действием химической реакции нельзя пренебрегать
Ученые доказали, что химические реакции могут вызывать конвекцию. Открытое ими явление определенно оставит свой след в таких практических направлениях, как геология, астрофизика и экология, а точнее, ее отдел, отвечающий за борьбу с загрязнением атмосферы и парниковыми газами.
Явление конвекции проявляет себя, когда более плотная жидкость по тем или иным причинам оказывается выше менее плотной, в результате чего более плотные «слои» как бы «тонут» в менее плотных. Самый известный вариант такого неравномерного распределения плотности – неравномерный нагрев жидкости, когда более низкие слои оказываются более прогретыми (за счет передачи тепла от внешнего источника снизу сосуда). Однако, это не единственный возможный вариант. К примеру, в 1980-х годах ученые активно исследовали конвекцию под воздействием автокаталитических реакций.
Понятно, что автокаталитическая реакция – лишь частный случай, но ранее никто не пытался развить идею конвекции, вызванной более общим типом химических реакций.
Этот пробел восполнила исследовательская группа из Brussels Free University (ULB). Очевидно, что перемешивание некого раствора (искусственно созданная конвекция) может ускорить химические реакции между компонентами. Но менее очевидным является другое явление: химические реакции могут вызывать конвекцию. С первого взгляда кажется, что это невозможно (как хвост, управляющий собакой). Однако, исследователи использовали ряд математических моделей и своим расчетом доказали теорию на простом кислотно-щелочном эксперименте. Результаты своей работы они представили в журнале Physical Review Letters.
На основе более ранних разработок, группа ученых предложила общую гидродинамическую модель химической реакции вида А+В -> С. В рамках исследования системы было сделано допущение, что компонента А обладает меньшей плотностью, чем В, и помещается сверху (так достигается состояние устойчивого равновесия). Компьютерное моделирование, выполненное на базе этой модели, показало, что равновесие нарушается при появлении продукта химической реакции (С) на границе двух веществ. Т.е. продукт С «запускает» механизм конвекции.
И, хотя, в принципе конвекция в данной ситуации не является неожиданностью, форма конвективных потоков была как минимум удивительна. Естественно, некий перенос вещества существовал бы и без химической реакции (если в контакт входят два тела с разными скоростями диффузии), но в таком случае она была бы строго симметрична. А расчеты показывали обратную картину: при некоторых условиях конвективные потоки появлялись только в одном направлении (вверх).
Для проверки расчета был проведен простейший эксперимент с HCl и NaCl в тонкой прослойке раствора между двумя стеклянными стенками. Эксперимент полностью подтвердил необычную форму конвективных потоков.
Исследования показали, что конвекция играет значительную роль в химических реакциях и наоборот. Таким образом, этим фактором уже нельзя просто пренебречь. А значит, многие модели, построенные без учета этой роли, требуют пересмотра. В качестве примера таких моделей можно указать структуру мантии Земли или процессы, происходящие при взрыве сверхновой звезды. Та же ситуация и в области исследований взаимодействия парниковых газов с грунтовыми водами.
