Файл: УМК КСЕ ФГОС-3 для студентов.doc

Наибольшее влияние на скорость реакции оказывает присутствие в системе реагирующих веществ катализатора – вещества, увеличивающего скорость реакции, но не расходующегося в этом процессе. Иногда подобное вещество не ускоряет, а замедляет скорость реакции – тогда его называют ингибитором.

Механизм действия катализаторов весьма сложен и до конца не изучен. Основная гипотеза, объясняющая влияние катализатора на скорость реакции, в упрощенном виде состоит в том, что катализатор реагирует с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение, как правило, с малой энергией активации по отношению ко второму исходному веществу. Это промежуточное соединение вступает в реакцию со вторым исходным веществом, образуя конечный продукт реакции и выделяя катализатор в первоначальном виде. Именно поэтому катализатор в процессе реакции не расходуется.

Следует отметить избирательность действия катализатора. Т.е., если использование данного катализатора позволяет существенно увеличить скорость одной реакции (в некоторых реакциях до 10¹⁰ раз!), то его использование в другой реакции никак не влияет на ее скорость. Поэтому, учитывая роль катализаторов в химическом производстве, одной из важнейших задач современной химии является задача поиска и применения новых более эффективных катализаторов.

При промышленном производстве конечных продуктов комплексное использование термодинамических и кинетических методов управления химическими реакциями позволяет добиться оптимальных условий их проведения.

Раздел 4. Порядок и беспорядок в природе

Динамические и статистические закономерности в природе

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и неземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На её фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определила мышление и мировоззрение. Вплоть до начала 20 в. в науке господствовало механическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движением частиц и тел.

Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. реальное воплощение зародившегося ещё в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце 18 – начало 19 вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение – механистический детерминизм, класическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749–1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает свою идею абсолютного детерминизма – уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Лаплас утверждал, что

Ум (любопытно, что Лаплас не употребил слово «Бог», и когда Наполеон спросил его, почему он не упомянул Бога, тот ответил, что не нуждается в такой гипотезе), способный взором охватить всю Вселенную, и определить в данный момент времени координаты всех частиц во Вселенной, может, используя законы классической механики, определить их состояние в любой момент времени, как в прошлом, так и в будущем. В таком мире нет места случаю.

Однако развитие статистической, а затем квантовой физики показало, что законы микромира носят вероятностный характер. Дальнейшее развитие физики показало приоритет вероятностных законов над динамическими. На самом деле динамические законы также носят вероятностный характер. Но вероятность этих законов близка к единице, т.к. динамические законы формулировались для макрообъектов (тел), для которых флуктуации (отклонения от средних значений) величин весьма малы. В микромире ситуация радикально меняется – детерминизм в нем не применим, как и законы классической механики.

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который утверждает, что чем точнее мы будем стремиться определить координату частицы, тем менее точно мы сможем определить ее импульс и наоборот. Или, то же самое, чем точнее мы будем измерять энергию частицы, тем менее точно мы будем знать, когда эта частица обладает такой энергией и наоборот.

Изучая микрочастицы, учёные столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название “ультрафиолетовой катастрофы”. В соответствии с расчётами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно чёрного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Альберт Эйнштейн. В 1905 г. он перенёс гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения чёрного тела.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах частиц вещества. В своей работе “Свет и материя” он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и теории материи (вещества). Л. Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Признание корпускулярно – волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключённую в малом объёме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности не являются взаимоисключающими, но равно необходимыми, дополнительными, для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. В этом суть принципа дополнительности, сформулированного великим датским физиком Н. Бором.

Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчётам 1\1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Кельвин предложил в 1902 г. первую модель атома – положительный заряд распределён в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как “изюм в пудинг”. Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален.

В 1913 г. Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров. Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физики. Теория Н. Бора представляла собой переходный этап от старой классической физики к новой физике микромира – квантовой механике.

Дальнейшие исследования показали, что в микросистемах, например, в атоме все величины, характеризующие состояние системы, не могут иметь произвольные значения. строго определенный набор дискретных значений. Это относится и к энергии атома и к моменту импульса электрона в атоме и т.д. Большую роль в характеристиках состояния микросистемы играют квантовые числа – целые (некоторые – дробные) числа. Например, энергия атома обратно пропорциональна квадрату числа n, называемом главным квантовым числом. Всего 4 основных квантовых числа.

В 30-х годах ХХ века В. Паули сформулировал принцип, который стал ключом к объяснению периодической системы Д.И. Менделеева. Принцип Паули гласит, что в микросистеме, в частности, в атоме, не может существовать более одной частицы, имеющей все 4 одинаковые квантовые числа. Т.е., в атоме не может быть 2-х и более электронов, находящихся в одинаковых состояниях и характеризующихся 4-мя одинаковыми квантовыми числами.

Использование принципа Паули, а также принципа минимума энергии (система стремится прийти в состояние с наименьшей возможной энергией) позволило объяснить всю таблицу Менделеева.

Порядок и беспорядок в природе

Тепловые явления изучаются двумя теориями: термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией (статистической физикой). Термодинамика в отличие от статфизики не рассматривает молекулярного строения тел, основной ее подход, коротко говоря, энергетический. Объектами изучения термодинамики являются термодинамические системы (ТС), состоящие из огромного числа молекул, например, газ в сосуде. Такая система характеризуется рядом величин (характеристик состояния), называемых термодинамическими параметрами. К ним относятся масса, давление, объем, температура (абсолютная).

Любая ТС, предоставленная самой себе, т.е. изолированная или замкнутая, приходит в состояние, которое называется термодинамическим равновесием. Для такого состояния характерно, что температура системы во всех ее частях будет одинаковой.

Термодинамика базируется на трех основных законах (началах). Третий закон имеет ограниченную область применения, а первые два являются фундаментальными законами природы.

Первый закон гласит, что изменение внутренней энергии системы равно механической работе, совершенной над системой, плюс количеству теплоты, полученной системой от нагревателя. 1-й закон термодинамики отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам (исторически установление 1-го закона термодинамики привело к открытию закона сохранения энергии). Этот закон не указывает направление протекания теплового процесса, т.е., он инвариантен относительно направления времени. Однако опыт показывает, тепловые процессы протекают в определенном направлении: теплота самопроизвольно передается от горячего тела к холодному, но не наоборот.

На направление протекания теплового процесса указывает второй закон термодинамики, сформулированный Р. Клаузиусом следующим образом. «В природе не существует процесса, единственным результатом которого было бы передача теплоты от холодного тела к горячему».