Химические системы

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

. ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

.1Основные понятия и  определения

.2 Условия существования  систем

. САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ  ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

.ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

 
 

ВВЕДЕНИЕ

 

Химию обычно рассматривали  как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу  реагирующих веществ пытались объяснить  свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились  с огромными трудностями. Ведь для  того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые  и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых  зависят их свойства.

Между тем долгое время  ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического  материала о свойствах различных  веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1869 г. Периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича  Менделеева (1834-1907) не существовало той  объединяющей концепции, с помощью  которой можно было бы объяснить  весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.

 
 

. ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

 

.1Основные понятия и  определения

 

В химии, как в научных  исследованиях, так и при ее практическом использовании, приходится иметь дело с колоссальными числами частиц-атомов, молекул или ионов. Одинаковые или  разные, эти частицы объединяются вместе, образуя систему. Химическая система характеризуется семейством понятий, определений, формулировок как  содержательных - что есть что, так  и формальных - каковы связи, соотношения  между частями, элементами системы. Лишь в рамках такого семейства определений  можно выразить основные принципы построения и связей внутри каждой конкретной системы.

Простейшими частями химической системы, вообще говоря, являются атомы, молекулы или ионы. Однако конкретная система образуется не из абстрактных  атомов, а из вполне конкретных веществ, которые могут реагировать друг с другом, вступая в химические реакции. Очень важно не только то, из каких веществ состоит система, но и то, при каких условиях она  находится. Невозможно рассматривать  химическую систему в отрыве от условий, в которых она существует.

Прежде всего, система  должна быть ограничена. Например, стеклянные стенки стакана, в котором слиты  растворы реагирующих веществ, ограничивают химическую систему (рис. 1 - Приложение). Стальной баллон ограничивает находящийся в нем газ. В этих случаях границы системы очевидны. Но часто систему ограничивают лишь мысленно: горящая свеча образует систему вместе с воздухом, в котором она горит, и система - пламя свечи - не имеет реальной границы, хотя мы видим пламя и можем говорить о его форме и размерах (рис. 2 - Приложение).

Химической системой называется ограниченная часть пространства, включающая какие - либо вещества. Все то, что  не входит в систему, называется внешней  средой.

Система может обмениваться с внешней средой веществами (массой) и энергией. Например, пламя свечи  может существовать, только если в  него поступает из внешней среды  кислород, а продукты сгорания, в  том числе и теплота, отводятся  во внешнюю среду.

Если система обменивается с внешней средой веществами (массой) и энергией, она называется открытой. Если обмена веществами не происходит - система называется закрытой. Если же нет обмена ни массой, ни энергией, тогда система называется изолированной.

Например, разбавленный раствор  серной кислоты в открытом стакане (рис. 3 - Приложение) представляет собой  открытую систему - в зависимости  от температуры вода будет либо испаряться из раствора во внешнюю среду (за край стакана), если раствор нагревать, либо поглощаться серной кислотой из внешней  среды (влажного воздуха за краем  стакана), если раствор охлаждать. Тот  же раствор в запаянной ампуле - пример закрытой системы, а налитый  в хороший термос, плотно закрытый пробкой представляет изолированную  систему.

 

.2 Условия существования  систем

 

Любая химическая система  существует в каких- либо условиях: при определенных температуре и  давлении, при определенной напряженности  гравитационного, магнитного, электрического и электромагнитного полей.

На столе в пробирке при обычных условиях идет реакция:

 

Fe(тв) +2HCl(р-р) = FeCl2(р-р) + H2(г)

 
 

К обычным условиям относятся: температура - комнатная, то есть около 20 ºС, давление - атмосферное, т.е. около 101 кПа, ускорение силы тяжести в среднем около 9,8 м/с² , напряженность магнитного поля в среднем около 40 А/м, напряженность электрического поля в среднем около 130 В/м, освещенность видимым светом в среднем около 500 лк.

Все эти параметры настолько  привычны, что мы зачастую забываем про них, особенно про действие полей. Но теперь уже реально исследуются  различия в протекании химических реакций  на Земле и в несовместимости.

Как, например, будет реагировать  железо с кислотой в несовместимости  в отсутствие гравитационного поля, когда железо не будет тонуть в  кислоте, а водород не будет выделяться из жидкой фазы?

Во многих методах исследования используются очень сильные магнитные  и электрические поля. В условиях интенсивного облучения рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым и даже видимым  светом многие системы ведут себя иначе, чем при обычных условиях.

 
 

. САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ  ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

К условиям протекания химических процессов относятся, прежде всего, термодинамические факторы, характеризующие  зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят  от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также  влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать  воздействие на характер и результат  химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении  соединения переменного состава  с ослабленными связями между  их компонентами. Именно на них и  направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно  ускоряют ход химических реакций. Меньшее  влияние оказывают на реакции  такие термодинамические факторы, как температура и давление.

Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота  и водорода. Вначале его не удавалось  получить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые  привело к успеху. Однако эта реакция  сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, когда был использован  металлорганический катализатор. В  его присутствии синтез аммиака  происходит при обычной температуре (18°С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы  не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения  генной структуры злаков (ржи и  пшеницы), когда они не будут нуждаться  в азотных удобрениях. Еще большие  возможности и перспективы возникают  с использованием катализаторов  в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и  «тяжелом» органическом синтезе.

Не приводя более примеров о чрезвычайно высокой эффективности  катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих по сути дела живыми катализаторами. Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют  в рамках живых систем. Поэтому  все попытки использовать опыт живой  природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании  некоторых функций ферментов  и использовании этих моделей  для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично - практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых  химических реакций.

Тот факт, что катализ играл  решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т. е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается  по мере усложнения состава и структуры  химических систем. На этом основании  некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с  самоорганизацией и саморазвитием  каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с  процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что  переход к простейшим формам жизни  предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов  и их соединений, которые являются основным строительным материалом для  образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.

 
 

.ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

Химическая система - сочетание  веществ, взаимодействующих друг с  другом. Система отделяется от окружения  мысленно или фактически. Химические системы делятся на следующие  виды:

а) гомогенные

б) гетерогенные

в) дисперсионные

г) нонвариантные

д) моновариантные

е) бивариантные

ж) поливариантные.

Гомогенная система - физико-химическая система, содержащая одну фазу.

В гомогенной системе, включающей два и более химических компонента, каждый из компонентов распределяется в объеме другого соединения в  виде молекул, атомов или ионов. Компоненты гомогенной системы имеют определенные значения по системе или непрерывно меняющиеся от одной к другой точке  системы. Известны следующие гомогенные системы: лед, жидкие или твердые  растворы, смеси газов. При этом различают  жидкие, кристаллические и аморфные вещества.

Гетерогенная система - система, включающая несколько гомогенных частей (фаз), разделенных границами.

Фазы могут отличаться одна от другой составом и свойствами.

Фаза - гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковые свойства во всех точках и отделяющаяся от других частей границами.

Дисперсная система - система  мельчайших частиц (твердых, жидких или  газообразных), суспендированных в жидкой, газообразной или твердой среде (дисперсная среда).

Примерами дисперсных систем являются: молоко, в котором частицы  жира суспендированы в воде, а также различные эмульсии, суспензии, туманы, пены и дымы.

Дисперсные системы изучаются  в химии коллоидов. Известны жидкие, гелеподобные и твердые коллоиды.

В термодинамике существуют такие понятия, как изолированная, открытая и стабильная системы, а  также моновариантная, бивариантная и поливариантная системы.

Изолированная система - система, которая не может обмениваться энергией и веществом с окружающей средой.

Открытая система обменивается энергией и веществом со средой.

В стабильной химической системе  между веществами, образующими систему, существует равновесие.

Моновариантная система - химическая система, в которой две  фазы находятся в равновесии.

Нонвариантная химическая система - система, в которой три компонента (или фазы) находятся в равновесии.

Бивариантная (поливариантная) система - система, представляющая собой одну фазу и сумму трех или более независимых компонентов и внешних факторов (температура и давление).

Среди агрегированных состояний  известны конденсированные состояния  при стандартных условиях ( Т =291,15 К; Р=101,325 кПа).

Конденсированные вещества могут находиться в твердом или  жидком состояниях; твердые вещества могут быть кристаллическими или  аморфными.

Стабильность химических систем достигается присутствием химических связей и взаимодействий, которые  различаются по энергии и природе. В дисперсных системах имеют место  наиболее разнообразные системы  связей и взаимодействий.

Дисперсионная среда - вещество, которое присутствует протяженной  фазой в дисперсной системе.

Дисперсная фаза - вещество, распределенное в среде.

В зависимости от линейных размеров дисперсионной фазы образуются гомогенные и гетерогенные дисперсные системы. Гомогенные дисперсные системы  обычно называются растворами. Они  могут быть твердыми, жидкими или  газовыми. В растворах линейные размеры  дисперсной фазы не превышают 1 нм. Гетерогенные дисперсные системы разделяются  на коллоидные системы (линейный размер частиц более 100 нм). В зависимости от агрегатного состояния дисперсной среды различают твердые (сплавы); жидкие (пены, эмульсии, суспензии); газовые (туманы, дымы, аэрозоли, газовые смеси) дисперсные системы. В этих системах возможны два или более видов фазовых границ, а также два или более видов химических связей. В сплавах между фазами образуются граничные слои с переменной электронной плотностью. При образовании сплавов в основном принимают участие металлические связи, вместе с тем образование ионных и ковалентных связей также возможно.