Новости химической науки > Эйнштейн и двигатель Вашей машины

Принцип относительности Эйнштейна лежит в основе процессов, протекающих при включении зажигания автомобиля.

Такой необычный вывод сделали исследователи из группы Раджива Ахуджи (Rajeev Ahuja) из Университета Упсалы на основании результатов своих расчетов. Целью расчетов было изучение влияния релятивистских эффектов энергии электронов в атомах свинца на напряжение свинцово-кислотного аккумулятора – стандартного источника электрической энергии в автомобилях. В результате расчетов было обнаружено, что релятивистские эффекты вносят до 80-85% создаваемое такими аккумуляторами, составляющее обычно около 2,1 Вольт.

Свинцово-кислотные аккумуляторы разработаны еще в середине 19 века, они отличаются большой массой и не всегда удобный в использовании, однако их низкая стоимость и относительно высокая мощность обуславливает то, что они до сих пор используются в современных автомобилях. При разрядке таких аккумуляторов катод, состоящий из свинца, и анод, состоящий из оксида свинца (PbO₂), будучи погруженными в серную кислоту, превращаются в сульфат свинца.

Поворачивая ключ в зажигании, вспоминайте об Альберте Эйнштейне.

В тяжелых атомах большой положительный заряд массивного ядра может придать электронам такое количество энергии, что их скорость значительно приблизится к значению скорости света. Как, вытекает из специальной теории относительности, в этом случае должна увеличиваться масса электронов, в результате чего изменится характер экранирования внутренними электронами заряда ядра от электронов внешних. Такое экранирование, в свою очередь, должно изменять картину распределения энергетических уровней электронов, соответственно, влияя на химические и физические свойства атома. Известно, что желтый цвет золота и жидкое агрегатное состояние ртути обусловлено релятивистскими эффектами, также уже долгое время известно, что релятивистские эффекты влияют и на свойства свинца.

Ахуджа с коллегами провели квантово-химические расчеты, чтобы определить, как могут релятивистские эффекты могут повлиять на положение уровней электронов в оксиде и сульфате свинца. Было обнаружено, что s- и p-электроны свинца (в особенности – 6s) стабилизируются за счет релятивистских эффектов; более всего эта стабилизация характерна для оксида свинца. Исследователи рассчитали значение электродвижущей силы свинцово-кислотного аккумулятора, которое составило 2.13 Вольт, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, в то время как этот же параметр, вычисленный без учета релятивистских эффектов, оказывался ниже на 1.7-1.8 Вольт.

Один из соавторов Ахуджи, Пекко Пиико (Pekka Pyykkö) из Университета Хельсинки отмечает, что ожидал доказательства влияния эффекта относительности на свойства свинца в течение двух десятилетий, однако у него не было прямых доказательств влияния этого эффекта. Он добавляет, сама величина релятивистского эффекта не удивила его, поскольку ранее проделанные оценки для олова, которое в рамках квантовой механики можно рассматривать как «нерелятивистский свинец», позволяли ожидать значительной коррекции величины потенциала за в случае включения в расчетную модель преобразований СТО.

Рассел Эжделл (Russell Egdell), специалист по неорганической химии из Оксфорда, заявляет, что хотя существенная стабилизация 6s-электронов в свинце и ртути, обусловленная релятивистскими эффектами, известна сравнительно давно, результаты работы Ахуджи являются первым примером демонстрации влияния эффектов специальной теории относительности на ЭДС свинцово-кислотного аккумулятора, подчеркивая, что необходимо использовать релятивистские модели при расчетах электрических свойств других аккумуляторных систем на основе тяжелых металлов с целью поиска более эффективного источника энергии, чем старые свинцово-кислотные аккумуляторы.

Источник: Phys. Rev. Lett., 2010, DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.018301

метки статьи: #квантовая химия, #неорганическая химия, #химическая технология