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

10632. Проблема человека и философская антропология 26.7 KB
  Проблема человека и философская антропология Человек всегда является проблемой для самого себя. Между тем в обыденной жизни мы можем с уверенностью выделить человека из окружающего мира. Во многом подобный выбор становится возможным благодаря привычке здравому смысл
10633. Представление о совершенном человеке в различных культурах 19.73 KB
  Представление о совершенном человеке в различных культурах Обращаясь к культурам прошлого и современности можно увидеть отсутствие единого представления о совершенном человеке. Данный факт может привести либо к релятивизму либо к догматизму. В первом случае признан
10634. Глобальные проблемы человечества. Урок 106.57 KB
  Глобальные проблемы человечества АННОТАЦИЯ В разделе рассматриваются вопросы философской глобалистики. Определяется само понятие глобальной проблемы дается классификация глобальных проблем определяются их причины и формулируются обозначенные современным...
10635. Этика, мораль, нравственность 20.07 KB
  Этика мораль нравственность Слово этика происходит от греческого ethos этос нрав обычай характер привычка. В философию данный термин ввел Аристотель. Этическими добродетелями он назвал особый класс качеств указывающих на свойства человеческого характера муже...
10636. Справедливость. Понятие справедливости 20.43 KB
  Справедливость Понятие справедливости. Справедливость является одним из фундаментальных принципов регулирующих взаимоотношения между людьми на основе представлений о должном о сущности человека и его правах. С ее помощью осуществляется распределение и перераспред
10638. Понятие религии. Религиозные ценности и свобода совести 83 KB
  Понятие религии. Религиозные ценности и свобода совести На вопрос Что такое религия различные люди в зависимости от того атеисты они или верующие дадут различный ответ. Научное определение религии ее природы сущности стремится уйти от пристрастности той или ино...
10639. Любовь (привязанность, дружба, эрос, милосердие) как нравственная и религиозная ценность 47.5 KB
  Любовь привязанность дружба эрос милосердие как нравственная и религиозная ценность Для того кто любит любовь является наивысшей ценностью определяющей всю жизненную стратегию. Огромной ролью любви в жизни человека можно объяснить то почему она довольно рано с...
10640. Цифровые элементы в информационно-управляющих системах 393 KB
  Цифровые элементы в информационноуправляющих системах Рассмотрев систему управления можно отметить следующее: объект управления характеризуется изменением энергетических и материальных потоков и соответственно изменением параметров или координат во вре