МПС РФ СГУПС Кафедра Химия Колебательные химические реакции как пример самоорганизации в неживой природе.Выполнил Студент гр. ТД-111 Петрянин А. В Проверил К.х.н доцент Паули И.А. Новосибирск 2004 Содержание 1. Введение 2. Литературный обзор 2.1 Колебательные химические реакции начало развития неравновесной термодинамики 2.2 Синергетика теория самоорганизации 4-6 2.3 Из истории изучения колебательных реакций 6-2.4 Изучение механизма колебательных реакций 7-3. Экспериментальная часть 9-4. Заключение 5. Приложение. Рецепты некоторых колебательных реакций 10-6. Список литературы 1. Введение. В современном естествознании утвердился принцип глобального эволюционизма, согласно которому материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития Все существующие есть результат эволюции.
Идея эволюции, впервые прозвучавшая в XIX в. в учении Ч. Дарвина О происхождении видов, постепенно проникла и заняла прочные позиции в космологии, физики, геологии, 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.
Следует отметить, что в классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием образцовой физической дисциплины равновесной термодинамики. Дальнейшее развитие науки доказало, что материи присуща не только разрушительная, но и созидательная тенденция.
Она способна самоорганизовываться и самоусложняться. Примерами таких процессов является эволюция Вселенной от элементарных частиц до сегодняшнего состояния, формирование живого организма, механизм действия лазера, рост кристаллов, рыночная экономика и т. д. Одним из наиболее впечатляющих примеров возникновения самоорганизации являются колебательные химические реакции, открытие которых принадлежит Борису Петровичу Белоусову.
В 1951г. Б.П. Белоусов изучал окисление лимонной кислоты при е реакции с бромноватокислым натрием в растворе серной кислоты. Для усилений реакции он добавил в раствор соли церия. Церий металл с переменной валентностью 3 или 4, поэтому он может быть катализатором окислительно-восстановительных превращений. Реакция сопровождается выделением пузырьков СО2, и поэтому кажется, что вся реакционная смесь кипит. И вот на фоне этого кипения Б. П. Белоусов заметил удивительную вещь цвет раствора периодически изменялся становился то жлтым, то бесцветным.
Белоусов добавил в раствор комплекс фенантролина с двувалентным железом ферроин, и цвет раствора стал периодически изменяться от лилово-красного к синему и обратно. Так была открыта реакция, ставшая знаменитой сейчас она известна во всм мире, е называют реакция Белоусова-Жаботинского. А. М. Жаботинский много сделал для понимания этого удивительного феномена. С тех пор отрыто большое число аналогичных реакций.
В учебниках по физической химии давно уже введены специальные разделы, посвящнные химическим периодическим реакциям и их механизмам. 2
Литературный обзор . 2.1
Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть, отнюдь не любые с... 2.3 . Лишь в последние десятилетия этими проблемами стала заниматься термоди... Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в ново... 2.
Уцелевшие хищники вслед за этим также размножаются, концентрация Y сно... Мандельштамм, А. А. Прошло много десятилетий с момента открытия этой реакции Белоусовым, а... Так распространяется волна возбуждения по нерву, по сердечной мышце, в...
Детальный механизм описанной выше реакции вс ещ известен не полностью.... Для объяснения природы колебаний было достаточно представить себе, как... Число промежуточных продуктов достигло четырх десятков, и изучение про... В 1972 г. Нойес и сотрудники показали, что реакция Белоусова-Жаботинского итог, ...
4.. Экспериментальная часть. Тщательно перемешали до полного растворения реактивов. Наблюдения Сраз... 3. С течением реакции раствор постепенно светлеет - вплоть до светло-желт...
Заключение.
Каждый год в мире проводится несколько международных конференций по динамике нелинейных химических систем, а слова BZ-reaction сокращение реакции Белоусова-Жаботинского звучат на десятках других конференций, посвященных проблемам физики, химии, биологии. Изучение реакции Белоусова-Жаботинского имеет значение не только теории активных сред. Эта реакция используется как модель для исследования грозного нарушения работы сердца аритмии и фибрилляций.
А в недавнее время были начаты эксперименты со светочувствительной модификацией этой реакции, когда динамика в этой системе зависит от интенсивности света. Оказалось, что такую реакцию можно использовать как вычислительную машину для хранения и обработки изображения. Светочувствительная модификация реакции Белоусова-Жаботинского может служить прототипом вычислительного комплекса, который возможно, придет на смену ЭВМ. С другой стороны, колебательные химические реакции являются ярким примером самоорганизации в неживой природе, и в этом смысле имеют не только естественно-научное, но и философское значение. 5. Приложение.
Рецепты некоторых колебательных реакций. Рецепт 1 Необходимо приготовить растворы перечисленных далее веществ из расчета их конечных концентраций малоновая кислота 0,2М бромат натрия 0,3М серная кислота 0,3М ферроин 0,005М. Ферроин можно заменить сульфатом двухвалентного марганца или трехвалентного церия, но при этом интенсивность окраски будет существенно слабее.
Около 5 мл раствора всех компонентов нужно налить в чашку Петри так, чтобы толщина слоя жидкости была 0,5-1 мм. Через 3-8 мин переходный период можно наблюдать колебания и химические волны. Рецепт 2 В плоскую прозрачную кювету слоями 1 мл налить следующие растворы - KBrO3 0,2 мольл - малоновую кислоту 0,3 мольл - ферроин 0,003 мольл - H2SO4 0,3 мольл Кювету поставить на лист белой бумаги.
Темп реакции можно изменить, добавляя щелочь или кислоту. Рецепт 3 Необходимы растворы - лимонной кислоты 40г в 160 мл H2O - H2SO4 13. А также навески - KBrO3 16г - Ce2SO43 3-3,5г Раствор лимонной кислоты нагреть до 40-50 С, затем высыпать навеску KBrO3. Стакан поставить на лист белой бумаги и внести навеску Ce2SO43 и несколько мл H2SO4. Сразу начинает происходить чередование цветов желтый бесцветный желтый, с периодом 1-2 мин. Рецепт 4 Необходимы растворы - H2O2 50мл 30 - KIO3 7,17г в 50мл H2O - HClO4 30мл разбавленного раствора - малоновая кислота 3г в 50мл H2O. И навески - MnSO4 1г и немного крахмала.
Все слить в один стакан 200-250мл, добавить навески, размешать стеклянной палочкой. Происходит чередование цвета бесцветный желтый голубой. 6.
Список литературы . 1. Алиев Р Шноль С. Э. Колебательные химические реакции. Кинетика и катализ. 1998. 3. С. 130-133. 2. Шноль С. Э. Знание Сила. 1994. 3. С. 62-71. 3. Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания.
М. Наука, 1974. 4. Гарел Д Гарел О. Колебательные химические реакции Пер. с англ. М. Мир, 1986. 5. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск ЮКЭА, 1997, С. 683 697. 6. Концепции современного естествознания. Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова, М. ЮНИТИ-ДАНА, 1999, С. 78 - 87.