Тема 6 Современные концепции химии Вспомните кто первым

Тема 6. Современные концепции химии Вспомните, кто первым ввёл понятие «атом» ?

Современное понятие химии: НАУКА ОБ ИЗМЕНЕНИЯХ ВО ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧКАХ АТОМОВ. Схема образования простейших молекул:

Основные химические константы: 1. Универсальная газовая постоянная R = 8, 314 Дж/моль∙К 2. Число Авогадро – число структурных единиц (атомов, молекул, ионов) в 1 моль вещества NA=6, 022· 1023 моль– 1 3. Мольный объём газа при н. у. Vm=22, 4 л/моль 4. Постоянная Больцмана k=1, 38· 10– 23 Дж/К

Знакомо ли вам понятие «энтропия» ?

Энтропия В физике: – мера беспорядка в системе, или мера «обесцененной» энергии. В информатике: – мера неопределённости информации об объекте.

Термодинамический смысл: Величина, равная отношению некоторой приведенной теплоты к абсолютной температуре: S ≥ δQ / Т имеет ту же размерность, что и постоянная R (Дж/моль∙К)

Статистический смысл: Исходит из того, что термодинамические возникают вследствие хаотичного теплового движения частиц: S = k · ln P P – число элементарных микроскопических состояний системы, k – постоянная Больцмана.

Смысл энтропии раскрывается в формулировках 2 -го закона термодинамики: 1. Невозможна работа за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

2. Невозможна самопроизвольная передача энергии от более горячего тела к более холодному. ? ? ? : а в это время у вас на кухне работает холодильник, который внутри охлаждается, а снаружи нагревается…

3. Термодинамические процессы необратимы, а система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются. На самом деле процессы бывают обратимыми ТОЛЬКО ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ СИЛ.

Пример, изменение агрегатного состояния веществ: таяние льда – процесс, обратный замерзанию (кристаллизации) жидкой воды. Вопрос: что в этих процессах является движущей (внешней) силой?

4. Энтропия незамкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия.

5. Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле температуры равна нулю. Сравните: S=k·ln. P. При Т=0 К атомы находятся в состоянии абсолютного покоя, поэтому число возможных состояний P=1, энтропия – S=0.

А теперь ещё раз внимательно прочитаем все 5 формулировок и запишем новую – шестую. Какие есть варианты?

6. Абсолютного нуля температуры достичь невозможно.

Свойством обратимости обладают и химические реакции. Например, сгорание водорода – процесс, обратный реакции электролиза (разложения электрическим током) воды на газообразные водород и кислород: 2 Н 2 (г. ) + О 2 (г. ) ↔ 2 Н 2 О (ж. )

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ – такое состояние системы, когда скорости прямого и обратного процессов равны. Равновесие может существовать ТОЛЬКО В ЗАМКНУТОЙ (изолированной) СИСТЕМЕ. Какие системы называются изолированными?

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ – изменение концентрации вещества в единицу времени: v = ± d. C / dt «+» - рост концентрации продукта, «–» - расходование реагента.

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС: скорость реакции зависит от концентраций реагирующих веществ в данный момент времени. Для прямой реакции (сгорания Н 2) и для обратной (разложения Н 2 О): vпрям. = Кпрям. ·[Н 2]2·[О 2] vобр. = Кобр. ·[Н 2 О]2

В случае равенства vпрям. и vобр. состояние равновесия описывается константой равновесия Кр: 2·[О ] [Н 2 2] Кр = ––––– 2 [Н 2 О]

ПРИНЦИП Ле ШАТЕЛЬЕ: Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, оказать внешнее воздействие, то РАВНОВЕСИЕ СМЕЩАЕТСЯ в направлении, КОТОРОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ этому изменению.

К факторам, влияющим на смещение равновесия, относятся: КОНЦЕНТРАЦИИ, ДАВЛЕНИЕ (продуктов, реагентов) и ТЕМПЕРАТУРА системы. На смещение равновесия НЕ ВЛИЯЕТ НАЛИЧИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ, т. к. они одновременно ускоряют и прямой, и обратный процесс.

Тема 7. Процессы самооорганизации в природе Вспомним, что такое ЭНТРОПИЯ

Почему тепло переходит от горячего тела к холодному? Почему пирамида Хеопса разрушается, а не восстанавливается?

Самоорганизация: 1. Фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации материи. 2. Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы.

Пример самоорганизации в микромире (продолжите этот логический ряд!)

Разработкой теории самоорганизации занимаются: 1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем. 2. Синергетика. 3. Теория катастроф (ТК).

ТК сводит многообразие встречающихся ситуаций к набору стандартных схем. Применяется: в механике конструкций, метеорологии, аэродинамике, оптике, теории кооперативных явлений, квантовой динамике.

Примеры самоорганизации в природе 1. Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах.

Главная причина воздушных течений – неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреву в различных поясах.

2. Ячейки Бенара — упорядоченные конвективные ячейки (цилиндры или 6 гранники) в слое вязкой жидкости (силиконовое масло) с вертикальным градиентом температуры, т. е. равномерно подогреваемой снизу.

3. Реакция Белоусова – Жаботинского: хаотические автоколебательные процессы. При окислении бромата калия малоновой кислотой в кислой среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce(+3) раствор в колбе может часами со строгой периодичностью изменять цвет во всем видимом диапазоне от рубиново-красного до голубого.

4. Динамика популяций хищников и их жертв – самоорганизация в биологии.

ТЕОРИЯ БИФУРКАЦИЙ (разветвлений) Состояния систем:

Момент перехода системы в новое состояние зависит от ФЛУКТУАЦИЙ — малых СЛУЧАЙНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ системы ОТ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ. В момент бифуркации возможно НЕСКОЛЬКО вариантов дальнейшего развития объекта.

Поэтому природа ограничивает возможности точного прогнозирования развития. ПЕРЕХОД из критического состояния ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ СКАЧКОМ. Если тело плывет по реке точно посередине, оно с равной вероятностью пойдет через правый или левый рукав относительно волнореза под действием случайных сил.

Самоорганизация не связана с особым классом веществ, но она существует лишь в системах, удовлетворяющих условиям: 1. Открытые системы; 2. Макроскопические системы, описываемые нелинейными уравнениями.

Неравновесные процессы идут С ВОЗНИКНОВЕНИЕМ ОСОБЫХ УПОРЯДОЧЕННЫХ устойчивых (ДИССИПАТИВНЫХ) СТРУКТУР.

К диссипативным относится любая упорядоченная неравновесная структура, возникающая в результате самоорганизации (например, правильный кристалл, возникающий при охлаждении жидкости).

Кстати, как получить кристалл правильной формы в домашних условиях?

Рецепт Берётся поваренная соль (Na. Cl) или медный купорос (Cu. SO 4), готовится горячий (80 -90°С) НАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР, наливается в бытовой термос, туда же опускается нитка с узелком (на котором начнётся процесс кристаллизации). Термос оставляется в покое на несколько суток. ВНИМАНИЕ! При контакте с парами и раствором Cu. SO 4 соблюдайте осторожность!