Химическая физика, 2021, T. 40, № 10, стр. 30-35
Определение константы скорости реакции бензола с атомарным фтором методом конкурирующих реакций
Е. С. Васильев 1, Н. Д. Волков 1, Г. В. Карпов 1, И. И. Морозов 1, *, Д. Р. Нигматуллин 1, Е. А. Сайгина 3, С. А. Савилов 2, С. Я. Уманский 1, Н. И. Бутковская 1
1 Федеральный исследовательский центр химической физики
им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Москва, Россия
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия
3 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Москва, Россия
* E-mail: igormrzv@gmail.com
Поступила в редакцию 18.03.2021
После доработки 14.04.2021
Принята к публикации 20.04.2021
Аннотация
Методом конкурирующих реакций изучена кинетика реакции фтора с бензолом при температуре T = 293 K. Исследования проводили в проточном реакторе низкого давления с масс-спектрометрическим детектированием реагентов и продуктов реакции. В качестве конкурирующих реакций использованы реакции атомов фтора с циклогексаном, трифторуксусной и трихлоруксусными кислотами. Впервые определены соотношения констант скорости бензола и этих конкурирующих реакций с атомарным фтором. На основе полученных экспериментальных данных и известных из литературы констант скорости реакций рассчитана величина константы скорости реакции атомов фтора с бензолом: k1 (293 K) = (2.0 ± 0.6) · 10–10 см3 · молекула–1 · с–1.
1. ВВЕДЕНИЕ
Бензол относится к одному из наиболее распространенных в промышленности классов химических веществ. В 2019 г. в России было произведено порядка 1500 тыс. т бензола. Некоторая часть его попадает в окружающую среду вследствие техногенных аварий, при испарении растворителей и другими способами. Известно, что бензол и его производные токсичны и негативно влияют на окружающую среду и животный мир. Бензол воздействует на организм человека через неповрежденную кожу, при вдыхании его паров способен вызвать лейкемию и анемию [1, 2]. Поэтому вопросы трансформации бензола в атмосфере представляют значительный интерес. Установить продукты его трансформации в атмосфере очень важно, так как они также могут быть токсичными.
Окисление органических соединений в атмосфере в основном инициируется гидроксильным радикалом, атомами галогенов и нечетным кислородом. Первичная стадия окисления бензола в атмосфере имеет вид
В ходе этой стадии образуются фенильные радикалы, которые затем вступают в реакцию с молекулярным кислородом атмосферы. Эта реакция чрезвычайно важна для построения моделей изменения климата:
Метан использовали в качестве вещества-конкурента. Оказалось, что значение k1 существенно отличается от литературных данных. Для установления причины возможных расхождений было решено провести дополнительные исследования кинетики реакций атомов фтора с бензолом, используя в качестве конкурирующих реакций реакции атомов фтора с трихлоруксусной и трифторуксусной кислотами и циклогексаном.
Реакция атомов фтора с бензолом (k1) может протекать по двум каналам: в одном – образуется фенильный радикал (Ia), а в другом – происходит замещение атома водорода на атом фтора в бензольном кольце (Iб). Представим возможную схему этой реакции:
(Ia)
$\begin{gathered} {{{\text{F}}}^{\centerdot }} + {{{\text{C}}}_{{\text{6}}}}{{{\text{H}}}_{6}} \to {\text{HF}} + {{{\text{С}}}_{{\text{6}}}}{\text{Н}}_{5}^{\centerdot }, \\ \Delta H_{R}^{^\circ } = --108.4\,\,{{{\text{кДж}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{кДж}}} {{\text{моль}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{моль}}}}, \\ \end{gathered} $(Iб)
$ \to {{{\text{H}}}^{\centerdot }} + {{{\text{C}}}_{{\text{6}}}}{{{\text{H}}}_{{\text{5}}}}{\text{F}},\,\,\,\,\Delta H_{R}^{^\circ } = --53.2\,\,{{{\text{кДж}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{кДж}}} {{\text{моль}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{моль}}}},$(IIa)
$\begin{gathered} {{{\text{F}}}^{\centerdot }} + {\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{3}}}}{\text{COOH}} \to {\text{HF}} + {\text{C}}{{{\text{F}}}_{{\text{3}}}}{\text{CO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}, \\ \Delta H_{R}^{^\circ } = --93.3\,\,{{{\text{кДж}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{кДж}}} {{\text{моль}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{моль}}}}, \\ \end{gathered} $(IIб)
$\begin{gathered} {{{\text{F}}}^{\centerdot }} + {\text{CС}}{{{\text{l}}}_{{\text{3}}}}{\text{COOH}} \to {\text{HF}} + {\text{CС}}{{{\text{l}}}_{{\text{3}}}}{\text{CO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}, \\ \Delta H_{R}^{^\circ } = --99.4\,\,{{{\text{кДж}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{кДж}}} {{\text{моль}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{моль}}}}, \\ \end{gathered} $(IIв)
$\begin{gathered} {{{\text{F}}}^{\centerdot }} + {\text{CС}}{{{\text{l}}}_{{\text{3}}}}{\text{COOH}} \to {\text{FCl}} + {\text{CСl}}_{2}^{\centerdot }{\text{COOH}}, \\ \Delta H_{R}^{^\circ } = 7\,\,{{{\text{кДж}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{кДж}}} {{\text{моль}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{моль}}}}, \\ \end{gathered} $(IIг)
$\begin{gathered} {{{\text{F}}}^{\centerdot }} + {\text{c - }}{{{\text{C}}}_{{\text{6}}}}{{{\text{H}}}_{{12}}} \to {\text{HF}} + {\text{c - }}{{{\text{C}}}_{{\text{6}}}}{\text{H}}_{{11}}^{\centerdot }, \\ \Delta H_{R}^{^\circ } = --169.9\,\,{{{\text{кДж}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{кДж}}} {{\text{моль}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{моль}}}}. \\ \end{gathered} $В настоящей работе в качестве веществ-конкурентов использовались: трихлоруксусная кислота (ТХК), трифторуксусная кислота (ТФК) и циклогексан, для которых константы скорости реакций с атомами фтора установлены.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Масс-спектрометрия с модулированным молекулярным пучком была применена для детектирования реагентов и продуктов реакции, включая свободные радикалы. Кинетику и механизм реакции атома фтора с бензолом изучали методом конкурирующих реакций в проточном реакторе при температуре 293 K и давлении 1 мбар. Подробно экспериментальная установка описана в работах [6, 7]. Здесь приведем краткое описание экспериментальной установки и методики проведения опытов. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Проточный цилиндрический реактор из пирекса имел длину 50 см и внутренний диаметр 2.3 см. Атомы фтора получали в высокочастотном разряде из смеси F2 и He (избыток He – более 99%). Степень диссоциации фтора составляла ~97%, при этом концентрация атомов была ~25 ⋅ 1012 атом ⋅ см–3. По трубке реактора регулируемый поток газа-носителя гелия в смеси с атомами фтора подавался реакционную зону. Вдоль оси реактора располагалась цилиндрическая трубка диаметром 1.7 см, по которой в реактор вводилась газовая смесь, состоящая из бензола и реагента конкурирующей реакции. Типичная скорость газового потока в реакторе составляла 2.7 м/с, общее давление в реакторе – 1.0 мбар. Разрядная кварцевая трубка (2) помещалась в 40 см от напускного сопла масс-спектрометра. Внутри разрядной трубки из пирекса находилась цилиндрическая вставка из синтетического сапфира (Al2O3), которая значительно снижала гибель атомов фтора на поверхности разрядной трубки.
Для приготовления смесей реагентов использовали гелий марки 6.0 (99.9999%), трихлоруксусная кислота, трифторуксусная кислота и циклогексан. В табл. 1 приведены концентрации и чистота реагентов, используемых в экспериментах. Реактивы применяли без предварительной очистки. Трихлоруксусную кислоту вводили в реактор с помощью продувки потоком гелия кристаллов кислоты. Бензол подавался по отдельной линии из колбы, в которой он хранился. При подаче в реактор происходило смешивание потоков бензола и одного из веществ-конкурентов. Концентрации веществ, подаваемых в реактор, определяли по скорости падения давления в колбе определенного объема. Давление в реакторе измеряли мембранным манометром MKS Baratron модель 122A (США). Отбор пробы из реакционной зоны в масс-спектрометр осуществляли в виде модулированного молекулярного пучка. Система его формирования состояла из сопла и сепаратора. Пучок модулировался в камере между сепаратором и входной диафрагмой ионного источника масс-спектрометра.
Таблица 1.
Реагент | Концентрация в He, % | Производитель; чистота реагента |
---|---|---|
Гелий | 100 | ООО “НИИ КМ марка 6.0; 99.9999% |
Бензол | 8.8 | АО “Экос-1”, ХЧ; 99.8% |
Циклогексан | 5.6 | Sigma-Aldrich; 99% |
Трифторуксусная кислота | 3.7 | Sigma-Aldrich; >97% |
Трихлоруксусная кислота | кристаллы | Sigma-Aldrich; >97% |
Фтор | 5 | ИПХФ РАН; 98% |
Для откачки камеры между соплом и сепаратором использовались паромасляные диффузионные насосы вакуумных агрегатов ВА-05 и ВА-01. Ионизация реагентов и продуктов реакции производилась электронным ударом. Энергия электронов регулировалась в пределах 12–100 эВ. Электронный ток устанавливали в диапазоне 0–2 мА. Детектирование ионов проводили при помощи квадрупольного масс-спектрометра МС7303 (Россия). Система регистрации включала в себя: вторичный электронный умножитель, синхронный детектор (Princeton Applied Research, модель 124A, США), соединенный с персональным компьютером. Предел детектирования бензола и веществ-реагентов составлял ∼1010 молекул ⋅ см–3 при накоплении сигнала в течение 300 с.
Методика кинетических измерений
Бензол и вещество-конкурент в определенных концентрациях в смесях с избытком газа-носителя гелия поступали в зону реакции. По расходу обоих веществ в реакции определяли отношение констант скоростей исследуемой реакции (k1) и конкурирующей реакции (k2) согласно уравнению:
(1)
${{\ln \left( {\frac{{{{{\left[ {{{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{6}}} \right]}}_{0}}}}{{\left[ {{{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{6}}} \right]}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\ln \left( {\frac{{{{{\left[ {{{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{6}}} \right]}}_{0}}}}{{\left[ {{{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{6}}} \right]}}} \right)} {\ln \left( {\frac{{{{{\left[ {{\text{Конкурент}}} \right]}}_{0}}}}{{\left[ {{\text{Конкурент}}} \right]}}} \right)}}} \right. \kern-0em} {\ln \left( {\frac{{{{{\left[ {{\text{Конкурент}}} \right]}}_{0}}}}{{\left[ {{\text{Конкурент}}} \right]}}} \right)}} = {{\left( {{{{{k}_{1}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{k}_{1}}} {{{k}_{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{k}_{2}}}}} \right)}_{{{\text{эксп}}}}},$где [C6H6]0, [Конкурент]0 и [C6H6], [Конкурент] – концентрации исследуемого вещества и вещества-конкурента в реакциях без атомарного фтора и после ввода его в реакционную смесь, k1 – константа скорости реакции бензола с атомарным фтором, k2 – константа скорости реакции конкурирующего вещества с атомарным фтором, (k1/k2)эксп – экспериментально определенное отношение константы скорости реакции бензола с атомарным фтором к константе скорости реакции конкурирующего вещества с атомарным фтором. Использованный метод конкурирующих реакций позволяет сравнить результаты, полученные различными экспериментальными методиками.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Определение масс-спектра бензола
Выбор веществ-конкурентов должен отвечает двум критериям:
1. Масс-спектры исследуемых веществ не должны перекрываться.
2. Величины констант скорости реакции исследуемого вещества и веществ-конкурентов должны не сильно отличаться друг от друга.
В предварительных опытах было проведено измерение масс-спектра бензола при ионизации электронным ударом, который сравнивался со спектром, известным из базы данных NIST [8]. Энергия электронов составила 70 эВ. Напуск реагентов в смеси с гелием и продуктов реакции, включая свободные радикалы, в ионный источник масс-спектрометра осуществляли в виде молекулярного пучка, что обеспечивало минимальное влияние гетерогенных процессов на стенках электродов ионного источника. Оба спектра представлены на рис. 2 для диапазона значений m/z = 30–90, в котором расположены 20 наиболее интенсивных пиков. Полученный нами масс-спектр оказался подобен спектру NIST. В обоих масс-спектрах присутствует наиболее интенсивный молекулярный пик с m/z = 78.
Определение k1 с использованием реакций атомов фтора с реагентами-конкурентами
Конкурирующие реакции были подобраны так, чтобы бензол можно было бы детектировать по линии с m/z = 78, а молекул конкурентов – по наиболее интенсивной линии масс-спектра. На рис. 3. приведены совместные масс-спектры бензола и ТХК (а), бензола и ТФК (б), бензола и циклогексана (в). Из этих рисунков видно, что основные линии масс-спектров этих соединений не пересекаются с линиями бензола, поэтому расход веществ детектировался по следующим линиям масс-спектров: бензол – на молекулярной линии с m/z = 78, циклогексан – на молекулярной линии с m/z = 84, ТФК и ТХК – на линиях осколков COOH+ с m/z = = 45.
Кинетические эксперименты
Реакции изучались в проточном реакторе при температуре 293 K и давлении 1 мбар: определяли концентрации бензола и вещества-конкурента в отсутствие атомов фтора и в реакции с атомами. При различной подаче реагентов производили несколько десятков таких измерений.
Отношение констант k1/k2= (k1/k2)эксп определено из наклона прямой линии, полученного в результате линейного регрессионного анализа, согласно уравнению (1):
(2)
${{k}_{1}} = {{\left( {{{{{k}_{1}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{k}_{1}}} {{{k}_{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{k}_{2}}}}} \right)}_{{{\text{эксп}}}}}{{k}_{2}},$Одним из продуктов реакции бензола и атомарного фтора является фторбензол. Это подтверждается тем, что в масс-спектрометре во время проведения эксперимента были зарегистрированы пики, которые соответствуют определенному нами ранее спектру фторбензола. При подаче бензола в отсутствие атомарного фтора не удалось зарегистрировать наличие фторбензола в проточном реакторе. Из данных, приведенных на рис. 4, получено следующее отношение: (k1/k2)эксп = 0.99 ± 0.04. Используя значение константы скорости реакции атомов фтора с циклогексаном k2 = 1.3 ⋅ 10–10 cм3 ⋅ ⋅ молекула–1 ⋅ с–1 [9], получаем величину константы скорости реакции атомов фтора с бензолом:
Зависимость глубины превращения бензола в реакции с атомарным фтором по отношению к глубине превращения трихлоруксусной кислоты в реакциях с атомарным фтором представлена на рис. 5. Из данных, приведенных на рис. 5, получено следующее отношение: (k1/k2)эксп = 5.4 ± 0.2.
Используя значение константы скорости реакции атомов фтора с трихлоруксусной кислотой k2 = (4.3 ± 0.8) ∙ 10–11 cм3 ∙ молекула–1 ∙ с –1 [10], получаем величину константы скорости реакции атомов фтора с бензолом: k1 = (2.3 ± 0.4) ∙ 10–10 cм3 ∙ ∙ молекула–1 ∙ с –1. Зависимость глубины превращения бензола в реакции с атомарным фтором по отношению к глубине превращения трифторуксусной кислоты в реакциях с атомарным фтором представлена на рис. 6. Из данных, приведенных на рис. 6, получено следующее отношение: (k1/k2)эксп = = 3.5 ± 0.4. Используя значение константы скорости реакции атомов фтора с трифторуксусной кислотой k2 = (4.72 ± 1.08) ∙ 10–11 cм3 ∙ молекул–1 ∙ с–1 [10], получаем величину константы скорости реакции атомов фтора с бензолом: k1 = (1.7 ± 0.8) ∙ 10–10 cм3 ∙ ∙ молекула–1 ∙ с–1.
Значения (k1/k2)эксп и экспериментально полученных констант скорости реакций представлены в табл. 2, где для сравнения приведены литературные данные. Средняя константа скорости реакции рассчитана по трем экспериментам и результату нашей ранней работы [6]:
Таблица 2.
Вещество-конкурент | (k1/k2)эксп | k1, 10–10 cм3 ∙ молекула–1 ∙ с–1 |
---|---|---|
Циклогексан | 0.99 ± 0.04 | 1.3 ± 0.4 (настоящая работа) |
Трихлоруксусная кислота | 5.4 ± 0.2 | 2.3 ± 0.4 (настоящая работа) |
Трифторуксусная кислота | 3.5 ± 0.4 | 1.7 ± 0.8 (настоящая работа) |
Метан | 4.4 ± 0.3 | 2.7 ± 0.5 [6] |
Абсолютное измерение | – | 0.5 ± 0.1 [5] |
Метан | – | 0.97 [3] |
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Масс-спектральным методом изучена кинетика реакции фтора с бензолом при температуре T = = 293 K с использованием метода конкурирующих реакций. Реакция изучена в проточном реакторе низкого давления. В качестве конкурирующих реакций использовались реакции атомов фтора с циклогексаном, трифторуксусной и трихлоруксусными кислотами. Впервые определены соотношения констант скорости исследуемой и этих конкурирующих реакций. На основе полученных данных рассчитана средняя константа скорости реакции атомов фтора с бензолом: kср (293 K) = (2.0 ± 0.6) ∙ ∙ 10–10 см3 ∙ молекула–1 ∙ с–1. В продуктах реакции зарегистрирован фторбензол. Следует отметить, что настоящая работа продолжает систематические исследования ФИЦ ХФ РАН влияния органических загрязнителей на окружающую среду в водной [11–13] и газовой [10, 14] средах.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (регистрационный номер АААА-А20-120021390044-2) и поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (№ 19-05-50076 – Микромир).
Список литературы
Bruckner J.V., Anand S.S., Warren D.A. // Casarett and Doull’s Toxicology: The Basic Science of Poisons. 7th edition. Ch. 24. Ed. Klaasen C.D. N.Y.: McGraw Hill Medical, 2008. P. 1007.
Омельяненко Л.М., Сенкевич Н.А. Клиника и профилактика отравлений бензолом. М.: Медгиз, 1957.
Smith D.J., Setser D.W., Kim K.C. et al. // J. Phys. Chem. 1977. V. 81. № 9. P. 898; https://doi.org/10.1021/j100524a019
Moehlmann J.G., McDonald J.D. // J. Chem. Phys. 1975. V. 62. № 8. P. 3061; https://doi.org/10.1063/1.430904
Ebrecht J., Hack W., Wagner H.G. // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1989. V. 93. № 5. P. 619; https://doi.org/10.1002/bbpc.19890930520
Васильев Е.С., Волков Н.Д., Карпов Г.В. и др. // ЖФХ. 2020. Т. 94. № 10. С. 1484; https://doi.org/10.31857/S0044453720100295
Васильев Е.С., Морозов И.И., Хак В. и др. // Кинетика и катализ. 2006. Т. 47. № 6. С. 859.
“Mass Spectra” in NIST Chemistry WebBook. NIST Standard Reference Database Number 69 / Eds. Linstron P.J., Mallard W.G. Gaithersburg MD: National Institute of Standards and Technology, 2018.
Pearson R.K., Cowles J.O., Hermann G.L. et al. // IEEE J. Quantum Electron. 1973. V. 9. P. 723; https://doi.org/10.1109/JQE.1973.1077725
Vasiliev E.S., Morozov I.I., Karpov G.V. // Intern. J. Chem. Kinet. 2019. V. 51. P. 909; https://doi.org/10.1002/kin.21319
Васильев Е.С., Карпов Г.В., Волков Н.Д. и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 3. С. 17; https://doi.org/10.31857/S0207401X20120171
Карпов Г.В., Виноградова О.А., Васильев Е.С. и др. // Хим. физика. 2018. Т. 37. № 7. С. 26; https://doi.org/10.1134/S0207401X18070087
Карпов Г.В., Васильев Е.С., Волков Н.Д. и др. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 10. С. 40; https://doi.org/10.31857/S0207401X20100076
Дьяков Ю.А., Пузанков А.А., Адамсон С.О. и др. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 10. С. 3; https://doi.org/10.31857/S0207401X20100040
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химическая физика