Рекомбинация (химия)

Рекомбинация — процесс, обратный ионизации. Состоит в захвате ионом свободного электрона. Рекомбинация приводит к уменьшению заряда иона или к превращению иона в нейтральный атом или молекулу. Возможна также рекомбинация электрона и нейтрального атома (молекулы), приводящая к образованию отрицательного иона, и в более редких случаях — рекомбинация отрицательного иона с образованием двух- или трехкратно заряженного отрицательного иона. Вместо электрона в некоторых случаях могут выступать другие элементарные частицы, например мезоны, создавая мезоатомы или мезомолекулы. На ранних этапах развития вселенной происходила реакция рекомбинации водорода — так называемая эпоха первичной рекомбинации.

Также рекомбинация — это процесс, обратный гомолитическому разрыву химической связи. Рекомбинация связана с образованием ординарной ковалентной связи за счёт обобществления неспаренных электронов, принадлежащих разным частицам (атомам, свободным радикалам)

Примеры рекомбинации:

${\displaystyle {\mathsf {2H\cdot \rightarrow H_{2}+Q}}}$

${\displaystyle {\mathsf {H\cdot +Cl\cdot \rightarrow HCl+Q}}}$

${\displaystyle {\mathsf {CH_{3}\cdot +CH_{3}CH_{2}\cdot \rightarrow CH_{3}CH_{2}CH_{3}+Q}}}$

Реакция рекомбинации сильно экзотермична, для неё характерна очень малая или нулевая энергия активации. Поэтому такие реакции протекают с участием третьей нейтральной частицы, которая уносит энергию реакции:

${\displaystyle {\mathsf {H\cdot +Cl\cdot +M\rightarrow HCl+M^{*}}}}$

Рекомбинация в средах с наличием гетерополярных ионов описывается следующей формулой:

${\displaystyle {\frac {dn}{dt}}=-\alpha n_{+}n_{-}}$

здесь ${\displaystyle n_{+}}$ — концентрация положительных ионов, ${\displaystyle n_{-}}$ — концентрация отрицательных ионов, ${\displaystyle \alpha }$ — коэффициент рекомбинации. Коэффициент рекомбинации ${\displaystyle \alpha }$ также называют коэффициентом Ланжевена, по имени французского физика Поля Ланжевена.

Рассмотрим процесс рекомбинации двух ионов. Для того, чтобы произошел акт рекомбинации ионы должны приблизиться друг к другу на расстояние меньше дебаевского радиуса. После того, как ион приблизится к другому на такое расстояние, энергии теплового взаимодействия будет недостаточно для преодоления электрической силы, возникающей между ионами.

Рассмотрим сферу с дебаевским радиусом, в центре которой расположен положительный ион. Тогда количество отрицательных ионов, поступающих в эту сферу за единицу времени, можно найти по следующей формуле:

${\displaystyle \Delta n_{-}=\int \limits _{\delta S}n_{-}v_{n}\Delta tdS=n_{-}v_{n}4\pi R_{D}^{2}\Delta t=n_{-}{\frac {\mu e}{\epsilon \epsilon _{0}}}\Delta t}$

Число прорекомбинировавших ионов можно получить, если учесть, что все ионы попадающие в сферу рекомбинируют с положительными ионами, тогда это запишется с помощью следующей формулы:

${\displaystyle \Delta n=n_{+}\Delta n_{-}=-n_{+}n_{-}{\frac {\mu e}{\epsilon \epsilon _{0}}}\Delta t}$

Сравнив это выражение с законом рекомбинации получаем значение для коэффициента Ланжевена:

${\displaystyle \alpha ={\frac {\mu e}{\epsilon \epsilon _{0}}}}$

где ${\displaystyle \mu }$ — подвижность.

• Химический энциклопедический словарь. Гл. редактор И. Л. Кнунянц, М., Советская энциклопедия. 1983 г., с.504

• Химическая связь
• Ковалентная связь
• Свободные радикалы