99073

СИНЕРГЕТИКА В ХИМИИ

Реферат

Химия и фармакология

Одним из наиболее впечатляющих примеров возникновения самоорганизации являются колебательные химические реакции открытие которых принадлежит Борису Павловичу Белоусову. Колебательные реакции это периодические процессы характеризующиеся колебаниями концентраций некоторых промежуточных соединений и соответственно скоростей превращения Такие процессы наблюдаются в газовой и...

Русский

2016-07-29

125.5 KB

0 чел.

СИНЕРГЕТИКА В ХИМИИ

      В 70-х г. XX в. появилось новое научное направление – синергетика – теория самоорганизации, претендующая на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе

По определению основоположника этого направления в науке немецкого физика

Германа Хакена:

«Самоорганизация – спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже хаоса»

Хакен Герман (род. 12 июля 1927 г.) — немецкий физик-теоретик, основатель синергетики. Изучал физику и математику в университетах Галле (1946—1948) и Эрлангена (1948—1950), получив степени доктора философии и доктора естественных наук.

 С 1960 г. является профессором теоретической физики университета Штутгарта.

До ноября 1997 г. был директором Института теоретической физики и синергетики университета Штутгарта.

 С декабря 1997 г. является почетным профессором и возглавляет Центр синергетики в этом институте, а также ведет исследования в Центре по изучению сложных систем в университе Флориды (Бока Рэтон, США). Он является издателем шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени опубликовано уже 69 тт.

Одним из наиболее впечатляющих примеров возникновения самоорганизации являются колебательные химические реакции, открытие которых принадлежит Борису Павловичу Белоусову

Борис Павлович Белоусов (19 февраля 1893, Москва — 12 июня 1970, Москва) — российский и советский химик и биофизик.

Как военный химик Белоусов занимался разработкой способов борьбы с отравляющими веществами, составами для противогазов, газовыми анализаторами, препаратами, снижающими воздействие радиации на организм. В 1951 году при исследовании окисления лимонной кислоты броматом в присутствии катализатора (сульфат церия), обнаружил концентрационные колебания ионов церия [1]. Так была открыта всемирно известная колебательная реакция Белоусова [2], которая является одной из первых работ в области нелинейной химической динамики. Исследование механизма реакции Белоусова с 1961 г. проводил Жаботинский А. М. по предложению профессора С. Э. Шноля, поэтому класс колебательных реакций называют реакцией Белоусова-Жаботинского (BZ-reaction). В 1980 году Борису Павловичу Белоусову посмертно была присуждена Ленинская премия. Реакция Белоусова-Жаботинского вошла в золотой фонд науки XX века.

Колебательные реакции

— это периодические процессы, характеризующиеся колебаниями концентраций некоторых промежуточных соединений и соответственно скоростей превращения

Такие процессы наблюдаются в газовой и жидкой фазах, особенно часто на границе раздела этих фаз с твердой фазой.

  Колебательными чаще бывают редокс-реакции и реакции, сопровождающиеся появлением новой фазы вещества. Причиной возникновения колебаний концентрации является наличие обратных связей между отдельными стадиями сложной реакции: положительных и отрицательных

Колебательные реакции представляют собой циклические процессы

В 1951 г. Б.П. Белоусов открыл колебания концентраций окисленной и восстановленной форм церия в реакции взаимодействия лимонной кислоты с броматом, катализируемой ионами церия

В конце 1961 г. А.М. Жаботинский получил колебания при использовании в качестве восстановителя в реакции Белоусова малоновой и яблочной кислот

Анатолий Маркович Жаботинский

(17 января 1938, Москва — 16 сентября 2008, Бостон) — советский и американский биофизик, физико-химик, первоисследователь механизма реакции Белоусова-Жаботинского. С 1991 по 2008 работал в университете Брандайса, штат Массачусетс

Новость об этой изумительной реакции обошла весь мир, и в нескольких лабораториях (в СССР, США и Западной Европе) стали интенсивно изучать реакцию под названием "реакция Белоусова—Жаботинского" (БЖ)

В реакции Белоусова-Жаботинского при взаимодействии ионов Ce4+ с малоновой кислотой происходит их восстановление:

Се4+ + C3H3O4 = Ce3+ + продукт   (1)

Се3+ + ВгО3- → Се4+      (2)

    Реакция (2) относится к автокаталитическим, и в ней самоускоряющемуся протеканию предшествует период индукции, то есть реакция включается не сразу

В реакции Белоусова-Жаботинского при взаимодействии ионов Ce4+ с малоновой кислотой происходит их восстановление:

Се4+ + C3H3O4 = Ce3+ + продукт   (1)

Се3+ + ВгО3- → Се4+      (2)

    Реакция (2) относится к автокаталитическим, и в ней самоускоряющемуся протеканию предшествует период индукции, то есть реакция включается не сразу

Окраска раствора, обусловленная поглощением света в видимой области спектра комплексом Се4+ с малоновой кислотой, исчезает

       

        По завершении периода индукции происходит самоускоряющийся переход ионов Ce3+ в Ce4+ и раствор окрашивается вновь

Б. П. Белоусов уже в первых  опытах заметил:  

   при  прекращении перемешивания изменение окраски в растворе распространяется волнами:

«Колба становится  похожей  на  зебру»

      Это распространение  химических  колебаний   в   пространстве   стало   особенно наглядным, когда в  1970  г.  А.  М.  Жаботинский  и  А.  Н.  Заикин  налили реакционную  смесь  тонким  слоем  в  чашку  Петри.   В   чашке   образуются концентрические   окружности,   спирали,   «вихри», распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин

Рис.1. Распространение  химических  колебаний   в   пространстве

Периодический характер процесса можно объяснить следующим образом…  

В результате реакции (1):

Ce(IV) + малоновая кислота → Ce (III) + продукт

образуются бромид-ионы, замедляющие реакцию (2):

Ce(III) + HBrO3 → Ce(IV) + продукты

Концентрация бромида зависит от скорости реакции, в которой он расходуется за счет ВгО3- + Br-→ Br2

  

Если концентрация бромида достаточно высока, то каталитический цикл прерывается

В целом механизм реакции БЖ может быть описан следующим набором уравнений:

Процесс А

BrO3- + 2Br- + 3CH2(COOH)2 + 3H+ → 3BrCH(COOH)2 + 3H2O

 

BrO3- + Br-+ 2H+→ HBrO2 + HOBr

HBrO2 + Br- + H+→ 2HOBr

HOBr + Br- + H+→ Br2 + H2O

Br2 + CH2(COOH)2→ BrCH(COOH)2 + Br- + H+

Процесс Б

BrO3- + 4Ce4+ + CH2(COOH)2 + 5H+ → BrCH(COOH)2 +

4Ce4+ + 3H2O

 

BrO3- + HBrO2 + H+ → 2BrO2 + H2O, BrO2 + Ce3+ + H+ →

HBrO2 + Ce4+

2HBrO2 → BrO3- + HOBr + H+

 

HOBr + CH2(COOH)2 → BrCH(COOH)2 + H2O

Кроме приведенных идут также реакции:

6Ce4+ + CH2(COOH)2 + 2H2O → 6Ce3+ + HCOOH + 2CO2 + 6H+,

4Ce4+ + BrCH(COOH)2 + 2H2O → Br- + 4Ce3+ + HCOOH + 2CO2 + 5H+

Модель Белоусова-Жаботинского

(модель брюсселятора)

     К1

1. А → Х1

                 К2

2. 2Х1 + Х2 →3Х1

              К3

3. В + Х1 →Х2 + D

        К2

4. Х1 →Е               

Суммарное уравнение:

А + В  → D + Е

А, В являются исходными веществами, D, Е – продуктами реакции, а Х1, Х2 – промежуточные соединения

Этот колебательный процесс был бы невозможен, так как:

- кооперативное поведение молекул в растворе не возможно без обратной связи,

- нет источника энергии

  

    В реакции Белоусова-Жаботинского источником энергии служит органическая малоновая кислота. При ее полном окислении колебания в реакции затухают и сама реакция прекращается

В 1972 г. Р. Нойес  и Филд из Орегона разработали модель химической реакции, основанную на механизме реакции БЖ

       Они показали,  что  реакция  БЖ – итог,  по  крайней  мере,  десяти  реакций,  которые   можно объединить в три группы – А, Б и В. Эта модель была названа орегонатором

Известно большое число химических реакций, в которых наблюдаются колебательные изменения концентрации реагентов:

  •  катализируемые броматные осцилляторы (реакция Белоусова—Жаботинского);
  •  некатализируемые броматные осцилляторы;
  •   осцилляторы на основе хлорит-ионов;
  •  иодатные и пероксидные осцилляторы и т.д.

        

Определенный интерес представляют гомогенные колебательные химические реакции с участием пероксида водорода — реакции Брея-Либавски и Бриггса-Раушера, основанные на проявлении двойственной роли H2O2 как окислителя и восстановителя.

  Разложение пероксида водорода, катализируемое иодатом (реакция Брея-Либавски):

1) 5H2O2 + I2 → 2HIO3 + 4H2O

(окисление иода до иодноватой кислоты пероксидом водорода),

2) 5H2O2 + 2HIO3 → I2 + 5O2 + 6H2O

(восстановление иодноватой кислоты до иода пероксидом водорода)

Эти реакции впервые были описаны Оже.

  В 1921 г. Брею удалось обнаружить в данной системе колебания, имеющие в условиях эксперимента затухающий характер.

  Реакция (1) автокаталитическая и протекает с высокой скоростью.

  Скорость реакции (2) относительно невелика.

  В 1967 году было подтверждено наличие колебаний в этой реакции и предложена математическая модель, описывающая колебания, подобные экспериментально наблюдаемым.

  Иодными часами была названа реакция, открытая Бриггсом и Раушером в 1973 г. Эта реакция похожа на реакцию Брея иодат-пероксид водорода.

  В состав реакционной системы входят KIO3, H2O2, HClO4(H2SO4), CH2(COOH)2, MnSO4, крахмал


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76263. Сучасний стан економічного розвитку України 31.87 KB
  З цієї причини вивченню фінансово-економічної кризи та напрямів розвязання проблем які вона зумовила присвячено безліч публікацій як науковців так і фінансистів-практиків. Проте враховуючи що наслідки світової фінансової та економічноїкризи до цього часу не мінімізовані зазначена...
76264. Глобальный экологический кризис, его причины и проявления 28.73 KB
  Развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой без воздействия на природу без использования ее ресурсов. Возможно также существенное перераспределение водных ресурсов.
76266. Электропривод 165.34 KB
  В простейшем понимании электропривод представляет собой электромеханическую систему предназначенную для преобразования электрической энергии в механическую приводящую в движение рабочие органы различных машин.
76267. Административная ответственность несовершеннолетних 22.19 KB
  Норма данной статьи Кодекса корреспондируется с нормами уголовного гражданского трудового и других отраслей права. Таким образом законодатель считает лицо достигшее 16 лет обязанным и способным осознавать социальный смысл своего поведения признавать и уважать права...
76268. Этика делового общения 31.29 KB
  Этика делового общения совокупность нравственных норм правил и представлений регулирующих поведение и отношения людей в процессе их производственной деятельности. Этика делового общения представляет собой частный случай этики вообще и содержит в себе ее основные характеристики.
76269. Проведення судово-психологічної експертизи 20.22 KB
  У процесі судово-експертного дослідження проводиться ретроспективний аналіз психологічний аналіз результатів діяльності людини. обвинувачуваного у скоєнні вбивства була призначена судовопсихологічна експертиза з метою визначення чи перебував обвинувачений у момент...
76270. Поняття цивілізації. Типологія цивілізацій та контакти між цивілізаціями в часі 97.83 KB
  За багатьма ознаками нашу епоху можна назвати переломною історичною епохою, коли особливо гостро постають питання пошуку джерел та нових суспільних форм соціально-політичного та економічного розвитку, його гармонізації із соціальними відносинами та навколишнім природнім середовищем.
76271. Сутність та роль фінансової звітності 68.64 KB
  Саме завдяки фінансовій звітності рівень достовірності якої підтверджено аудитором формуються передумови здійснення значних фінансовогосподарських операцій. Ці вигоди можливо отримати завдяки ефективному використанню достовірної облікової інформації яка міститься у фінансовій звітності...