De chemie van bliksem | Chemische opleiding Xchange

Bliksem vertoont enkele van de meest fascinerende verschijnselen op planeet Aarde. Bij deze massale stakingen zijn elektrische potentialen van 300 miljoen volt betrokken¹ bij 300.000 Ampère en kan temperaturen genereren tot 30.000 K.^2-4 Het is zelfs bekend dat verlichting zowel röntgen- als gammastraling uitzendt en zelfs enkele kernreacties op gang brengt.^2,3,5 Het is leuk om je alle verbazingwekkende en exotische chemische reacties voor te stellen die onder zulke drastische omstandigheden mogelijk zouden kunnen zijn.

De atmosfeer bevat voornamelijk stikstof- en zuurstofgassen, dus het is gemakkelijk te zien hoe blikseminslagen stikstofoxiden kunnen produceren (NOx, vergelijkingen 1-2):^2-7

N₂(g) + O₂(g) a 2 NEE(g) Vergelijking 1

2 NO(g) + O₂(g) a 2 NEE₂(g) Vergelijking 2

Deze reacties zijn thermodynamisch niet gunstig onder de omstandigheden die normaal in de atmosfeer aanwezig zijn. Maar blikseminslagen leveren meer dan genoeg energie om deze reacties tot een goed einde te brengen. Er wordt zelfs geschat dat bij elke lichtflits tussen de 33 en 660 mol NO2 wordt geproduceerd.^1,2 Gezien het feit dat er elke dag 9 miljoen blikseminslagen plaatsvinden over de hele wereld,¹ bliksemschichten zijn goed voor maar liefst 6 miljard mol NO die dagelijks wordt geproduceerd!

De nee_x geproduceerd door bliksemflitsen reageren verder met beschikbaar water om salpeterzuur en salpeterzuur te produceren (vergelijking 3):⁸

2 NEE₂(g) +H₂O a HNO₂(aq) + HNO₃(aq) Vergelijking 3

Als gevolg van al deze processen verplaatsen blikseminslagen stikstof uit de atmosfeer naar de bodem.

Ik heb onlangs een eenvoudige methode ontdekt om aan te tonen dat bliksem salpeterzuur en salpeterigzuur produceert, dat water verzuurt. Deze methode maakt gebruik van een Oudin-spoel⁹ (Video 1).

Video 1: De chemie van verlichting, Tommy Technetium YouTube-kanaal

Het is mogelijk om vergelijkingen 1-2 te verbinden met onderwerpen in de chemische thermodynamica. Met behulp van standaard thermodynamische waarden (tabel 1) kunnen bijvoorbeeld standaardenthalpieën, entropieën en Gibbs-energieën van de processen in vergelijkingen 1-2 worden bepaald (tabel 2).

Tafel 1: Thermodynamische waarden voor geselecteerde verbindingen

Tafel 2: Thermodynamische waarden voor processen beschreven in vergelijkingen 1-2

Het is interessant om op te merken dat de processen beschreven door vergelijkingen 1 en 2 in veel opzichten thermodynamische tegenpolen van elkaar zijn. Het proces in vergelijking 1 is bijvoorbeeld niet spontaan onder standaardomstandigheden (DG is positief), maar de reactie beschreven door vergelijking 2 is (DG is negatief). Bovendien wordt de vorming van NO uit stikstof en zuurstof (vergelijking 1) enthalpisch niet begunstigd (DH is positief) maar heeft entropisch de voorkeur (DS is positief). Deze situatie is omgekeerd voor de vorming van NO₂ (Vergelijking 2), die enthalpisch de voorkeur geniet (DH is negatief) maar niet entropisch (DS is negatief).

De vergelijking gebruiken:

DG = DH – TDS-vergelijking 4

men ziet dat de vorming van NO (Vergelijking 1) naar verwachting spontaan zal zijn bij hogere temperaturen maar niet bij lagere. De temperatuur waarbij NO-vorming (vergelijking 1) spontaan wordt, kan worden geschat op ongeveer 7250 K met behulp van de volgende vergelijking en de waarden voor DH en DS weergegeven in Tabel 2:

T ≈ DH^O/DS^O Vergelijking 5

Daarom, hoewel de vorming van NO (vergelijking 1) niet-spontaan is bij lagere temperaturen, wordt het spontaan onder de hoge temperatuuromstandigheden die gepaard gaan met een blikseminslag.

Met behulp van vergelijking 4 kan ook worden gezien dat de vorming van NO₂ (Vergelijking 2) wordt voorspeld spontaan te zijn bij lagere temperaturen, maar niet bij hogere. Als we opnieuw vergelijking 5 en de juiste waarden in tabel 2 gebruiken, zien we dat de vorming van NO₂ wordt niet-spontaan bij temperaturen van meer dan ongeveer 780 K. Volgens deze geschatte temperatuur is de vorming van NO₂ treedt waarschijnlijk op nadat de lucht enigszins is afgekoeld na een explosie van verlichting. Over het algemeen zou deze analyse voorspellen dat de eerste ontploffing waarschijnlijk hoge NO-concentraties genereert (vergelijking 1) die vervolgens reageren met zuurstof uit de lucht (vergelijking 2) zodra de lucht afkoelt. Houd er rekening mee dat dit eenvoudige thermodynamische schattingen zijn die geen rekening houden met concentratie-effecten en de ongelooflijk hoge elektrische potentialen die gepaard gaan met een blikseminslag. Desalniettemin is gesuggereerd dat NO gelijktijdig met blikseminslagen en NO wordt gevormd₂ vormt als de omringende lucht daarna afkoelt.¹⁰

Referenties

1. Prijs, C. Penner, J. NR_x van bliksem. 1. Wereldwijde distributie op basis van lichtfysica. J. Geophys. Res. 1997, 1025929-5941.
2. Dwyer, JR, Uman, MA De fysica van verlichting. Natuurkundige rapporten, 2014, 534147-241.
3. Gibb, BC Bliksemsnelle chemie. Natuur chemie, 2019, 11677-679.
4. Heuvel, RD; Rinker, RG; Wilson, HD Atmosferische stikstofbinding door bliksem. J.Atmos. Wetenschap. 1980, 37179-192.
5. Enoto, T.; et. al. Fotonucleaire reacties veroorzaakt door bliksemontlading. Natuur, 2017, 551481-484.
6. Griffing, GW Ozon en stikstofoxideproductie tijdens stormen. J. Geophys. Res. 1977, 82943-950.
7. Hoewel hier niet behandeld, genereren bliksemschichten ook ozongas (3 O₂ a 2 o₃), en ozongas kan reageren met NO om NO te produceren₂. Zie referenties 1, 4 en 6.
8. Zhu, RS; Lai, K.-Y.; Lin, MC Ab Initio Chemische kinetiek voor de hydrolyse van N₂O₄ Isomeren in de gasfase. J. Fysiek. Chem. A. 2012, 1164466-4472.
9. Voor meer experimenten die bliksem en atmosferische componenten met elkaar verbinden, zie Wagner, EP; Murray, BE; J Chem. opleiden. 2021, 981361-1370.
10. Karabulut, E. Vorming van zuurstofmoleculen en de puzzel van stikstofdioxide en stikstofoxide tijdens bliksemflits. J. Fysiek. Chem. A. 2022, 1265363-5374.