Химическая кинетика

Химия

Механизм синергетики.

Вопрос.

Противоречия, возникшие в классической термодинамике, разрешились в 20 веке с предположением о том, что все реально существующие системы являются открытыми. Открытые системы производят в себе энтропию (S – тепловую энергию), но они её в себе не накапливают. Происходит обмен в том числе энтропией с окружающей средой. Таким образом, для открытых систем состояние термодинамического равновесия (когда вся внутренняя энергия перешла в тепло, которое рассеялось по пределам системы и энтропия достигла MAX) может и не наступить.

Открытие новых термодинамических закономерностей получило название неравновесная термодинамика. Для открытых систем возможен случай, когда отток энтропии больше того, сколько поступает, больше притока. Поскольку система отдает больше беспорядка, это является условием возникновения порядка в системе. Такая система, за счет повышения порядка, переходит в другое состояние, более организованное. Происходит самоорганизация в системе. Такие процессы изучает новая наука – синергетика (теория самоорганизации открытых систем).

Процесс самоорганизации осуществляется через точку бифуркации (момент в существовании системы, когда у нее появляется выбор между старым состоянием и возможным переходом в новое, качественное состояние) и через флуктуации (случайные отклонения от основного параметра). До точки бифуркации система развивается по некоторой общей необходимости, в таком состоянии флуктуации если и совершаются, то не оказывают существенного воздействия на систему. Однако флуктуации способны накапливаться. Накапливаясь, они создают неравновесное состояние в системе. В точке бифуркации неравновесность максимальна. В таком состоянии флуктуации определяют выбор дальнейшего направления развития системы.

Идея синергетики.

Случайности способны накапливаться и формировать собой новые закономерности. Это новый вариант понимания детерминизма.

Концептуальные системы химии.

1. Учения о составе вещества.

2. Учения о структуре вещества.

3. Учения о химическом процессе.

4. Эволюционная химия.

Введение.

– это наука о процессах качественного и количественного образования веществ. Как род знания она возникает за несколько тысячелетий до нашей эры. Как наука химия начинает формироваться с 17 века. Химия и как наука всегда содержала в себе две принципиальные особенности:

Во-первых, она всегда была и наукой, и производством одновременно;

Во-вторых, химия сама всегда порождала свой объект исследования.

Будучи наукой, химия и изначально, и до сих пор ставит перед собой две задачи:

1. Практическая: нужно получить вещества с конкретными свойствами.

2. Теоритическая: нужно выяснить, от чего зависят свойства.

По мере развития химического знания оказалось, что свойства веществ зависят от 4 факторов:

1. От состава вещества.

2. От структуры молекулы. Структура – порядок соединения элементов системы.

3. От условий протекания химической реакции.

4. От способности молекул к самоорганизации.

Знание об этих 4 факторах сформировалось в истории химии в виде 4 учений.

Учение о составе вещества.

Идею о том, что свойства зависят от состава вещества выдвинул Р. Бойль. Поскольку, состав может быть двух видов: количественный и качественный. Таким образом, в учении о составе вещества можно выделить две части.

1. Качественный состав рассматривает учение о химическом элементе. Это учение ведет свою историю с самого конца 18 века. В 1792-93 француз Ла Вуазье, изучая процесс горения, открыл первый химический элемент кислород. К середине 19 века было уже известно порядка 60 химических элементов. Возникла проблема их классификации. Универсальную классификацию химических элементов в 1869 году предложил Дмитрий Иванович Менделеев. В качестве признака химического элемента он взял атомную массу и назвал её периодической системой химических элементов. Из периодической системы Менделеев сделал целый рад выводов: 1) следует ожидать открытия новых химических элементов – ускорился поиск химических элементов; 2) элементы с малыми атомными массами являются наиболее распространенными в природе (органогены: C, H, O, N, P, S); 3) периодический закон – свойства простых тел, а также форма и свойства соединений находятся в периодической зависимости от величины атомной массы (по Менделееву), от величины заряда ядра атома (современное окончание). «à» - зависит. Свойства à количество электронов на внешней орбите à структура ядра атома à атомная масса.

Открытие новых химических элементов продолжается до сих пор. Новые химические элементы получают путем синтеза. Но общий принцип понимания химических элементов остался тем же.

2. Количественный состав рассматривается учением о химическом соединении. Выражает сколько атомов в молекуле, и в каком количестве они сочетаются. Иначе это учение называется стехиометрия. Это учение базируется на двух законах.

1) Первый закон эквивалентов (закон Рихтера). Химические вещества взаимодействуют между собой в непроизвольных, а в строго определенных количествах, сохраняющихся в виде неизменных пропорциональных чисел при переходе от одного сложного тела к другому.

2) Закон постоянства состава вещества (закон Пруста). Вне зависимости от способа получения химически индивидуальные, сложные тела имеют постоянный состав. Но, после Пруста, Бертолле высказал предположение о существовании веществ переменного состава.

В конце 19 века экспериментально Курнаков и Коновалов открыли существование веществ переменного состава. Вещества переменного состава – вещества, которые в зависимости от способа получения могут менять свой количественный состав. Такие вещества имеют не молекулярное строение (это значит, что в таком веществе атомы упакованы не в молекулы, они сразу упакованы в вещество). Например, таким веществом является поваренная соль NaCl.

Вещества переменного состава изменяют свой количественный состав в процессе химических преобразований, однако они не изменяют качественный состав и они не изменяют пропорциональность химической формулы.

На сегодняшний момент известно о веществах как переменного, так и постоянного состава. К веществам переменного состава в основном относятся неорганические вещества, и их, в честь Бертолле назвали Бертоллидами. Вещества постоянного состава это в основном органические вещества, и их назвали в честь Дальтона – дальтониды.

Химическая термодинамика.

Пойдут ли реакции самопроизвольно?

На возможность самопроизвольного протекания реакции влияют два фактора. Эти факторы носят характер тенденции, или закономерностей.

1. Тенденция к достижению минимума внутренней потенциальной энергии (u). U= Ek+En (кинетическая +потенциальная, движения+возможной работы).

Любая система стремится к уменьшению потенциальной энергии.

В химии данная тенденция реализуется через самопроизвольное протекание экзотермических реакций (реакции с выделением теплоты).

В химической термодинамики для характеристики тепловых процессов была введена дополнительная величина – энтальпия, h. Это количество энергии, которое было затрачено на получение данного вещества.

A+ B=C. для тепловых процессов возможны два случая: 1) когда сумма энтальпий и сходных веществ больше, чем энтальпия продукта (экзотермическая реакция – это реакция при которой изменение энтальпии <0). 2). Когда сумма энтальпий и сходных веществ меньше, чем энтальпия продукта (эндотермическая реакция – изменение энтальпии >0)/

Ha Hb Hc

Изменение энтальпии – когда из продукта вычитают то, что было.

2. Тенденция к достижению наиболее вероятного состояния.

Согласно второму началу термодинамики, в закрытых системах увеличивается энтропия, в химии данная тенденция реализуется через самопроизвольное протекание реакций с образованием газов.

В процессе химических реакций могут образовываться вещества трех агрегатных состояний. Из трех агрегатных состояний максимальной энтропией обладают газы. Таким образом, самопроизвольно образуются газы.

Для обобщения действия этих двух тенденций в химии была введена дополнительная величина, получившая название энергия Гиббса (G). Энергия Гиббса соединяет в себе два фактора энтальпии и энтропии.

∆G= ∆H – Т*∆ S.

Согласно термодинамическим расчетам самопроизвольно протекают реакции при условии, если дельта G будет меньше нуля.

Если реакция протекает при небольших температурах, то тогда множитель Т*∆ S будет незначительным, и им можно пренебрегать, и тогда определяющим параметром будет параметр будет энтальпия, согласно которому самопроизвольно протекают экзотермические реакции. Значит, при маленьких температурах самопроизвольно протекают экзотермические реакции.

Если реакция протекает при больших температурах, то самопроизвольно образуются газы. Пренебрегаем энтальпией, и остается энтропийный фактор. По энтропийному фактору самопроизвольно протекают реакции с образованием газов, и, значит, при высоких температурах образуются газовые молекулы.

- учение о скорости реакции. На скорость реакции влияют следующие факторы:

1. Концентрация исходных веществ. Эта закономерность называется законом действующих масс, или закон Гульдебрга – Вааге. При увеличении концентрации скорость реакции увеличивается, так как увеличивается вероятность столкновения.

2. На скорость влияет температура – правило Вант-Гоффа. При увеличении температуры увеличивается скорость реакции. Увеличивается частота столкновений.

3. На скорость реакции влияет природа реагирующих веществ.

4. На скорость реакции влияет наличие катализаторов. Катализатор ускоряет реакцию за счет понижения Еактивации. Еактивации – это такой запас энергии у реагирующих веществ, который не позволяет им в момент столкновения остановится и прореагировать.

4 концептуальная система.

До середины 20 века считали, что к самоорганизации способны только биологические системы, или живые организмы. К середине 20 века был накоплен фактический материал, показывающий, что к самоорганизации способны и не живые системы, сначала это было замечено в физических системах, потом в химических. Период с 1951-1956 годы два советских на тот момент ученых Белоусов и Жаботинский обнаружили и объяснили явление «химических часов».

Таким образом, в науку вошло понятие химическая эволюция. Существует два подхода к эволюции химических систем:

1. Субстратный – само понятие субстрат, материал. Решает вопрос, из чего устроены эволюционирующие химические системы. Оказалось, что из всех известных химических элементов в химической эволюции участвуют преимущественно 6 элементов, которые получили название элементы-органогены: кислород O, водород H, углерод C, азот N, фосфор F и сера S. У этих элементов есть два особенных свойства, которые выделяют эти элемента от из всех остальных: 1) связи, которые образуют эти элементы высокоэнергоемкие, то есть при разрушении таких связей выделяется значительная энергия; 2) связи, которые они образуют, подвижные, то есть легко переходят из одной структуры в другую.

2. Функциональный. Этот подход рассматривает механизм самоорганизации. Общим механизмом считается синергетика. Частными примерами механизмов самоорганизации являются две теории.

1. Теория Руденко (Александр Павлович) – теория эволюции катализаторов. В процессе катализа с наибольшей скоростью и вероятностью происходят те пути изменения катализаторов, которые приводят к увеличению его активности. В процессе реакции катализаторы способны развиваться и повышать свою активность.

2. Теория Ильи Пригожина – о колебательных процессах. Если к большой системе, состоящей из множества элементов подвести избыток энергии, то элементы этой системы способны кооперироваться и колебаться (двигаться) в одном направлении. Избыток энергии приводит к тому, что максимальный хаос способен к переходу в организованному состоянию (состоянию порядка). Например, сковорода и масло, чем дольше она стоит на огне, и получаются капельки масла, выстреливающие вверх. Масло на огонь – то есть подвели к нему дополнительную энергию. Есть избыток энергии. Молекулы масла, разогнавшиеся с максимальной скорости, этот избыток тратят на объединение и колебание в одном направлении, в одной фазе (то есть из максимального состояния хаоса к порядку).

Дата добавления: 2014-01-07